从0开始做PA-Day07 | Ten of Heart's Blog

上一次PA中, 我们为我们搭建的硬件系统(NEMU)搭建了支持C语言的运行时环境. 这样, 我们就可以在这台计算机上任何执行计算任务的C语言程序啦! 然而, 这样的程序距离我们现实生活中的程序还有较远的距离. 比如, 目前我们就无法在我们的虚拟机上运行游戏, 也无法在虚拟机上运行一些跑分程序. 真是太令人失望了! Let’s fix that!

为了能够在我们的虚拟机上运行类似游戏的应用程序, 我们必须能够在虚拟机中添加计时, 键盘输入, 渲染画面等功能, 因此, 我们今天就要添加时钟, 键盘, GPU等IO设备.

IO设备

输入输出设备(IO设备), 指的是计算机系统中能够与外部世界进行数据交换的硬件系统. 我们将从硬件和软件两个角度进行介绍.

硬件

不知道大家有没有思考过这样一个问题: 类似键盘, 鼠标, 显示屏这类IO设备是如何与CPU进行信息交流的呢? 一种最简单的方法就是把设备的寄存器作为接口, 让CPU来访问这些寄存器. 比如CPU可以从/往设备的数据寄存器中读出/写入数据, 进行数据的输入输出; 可以从设备的状态寄存器中读出设备的状态, 询问设备是否忙碌; 或者往设备的命令寄存器中写入命令字, 来修改设备的状态.

CPU是如何访问自己的寄存器的? 在CPU内部, 可以将寄存器逐一编址, 通过访问对应的寄存器地址来访问寄存器.

同样地, 我们可以对IO设备进行编址, 编址方式主要可以分为两种方式: 端口I/O(Port-Mapped I/O, PMIO)和内存映射I/O(Memory-Mapped I/O, MMIO).

端口I/O

CPU使用专门的I/O指令对设备进行访问, 并把设备的地址称作端口号. 有了端口号以后, 在I/O指令中给出端口号, 就知道要访问哪一个设备寄存器了.

x86提供了in和out指令用于访问设备, 其中in指令用于将设备寄存器中的数据传输到CPU寄存器中, out指令用于将CPU寄存器中的数据传送到设备寄存器中. 一个例子是使用out指令给串口发送命令字:

movl $0x41, %al
movl $0x3f8, %edx
outb %al, (%dx)

上述代码把数据0x41传送到0x3f8号端口所对应的设备寄存器中. CPU执行上述代码后, 会将0x41这个数据传送到串口的一个寄存器中, 串口接收之后, 发现是要输出一个字符A; 但对CPU来说, 它并不关心设备会怎么处理0x41这个数据, 只会老老实实地把0x41传送到0x3f8号端口.

内存映射I/O

端口映射I/O把端口号作为I/O指令的一部分, 这种方法很简单, 但同时也是它最大的缺点. 指令集为了兼容已经开发的程序, 是只能添加但不能修改的. 这意味着, 端口映射I/O所能访问的I/O地址空间的大小, 在设计I/O指令的那一刻就已经决定下来了. 所谓I/O地址空间, 其实就是所有能访问的设备的地址的集合. 随着设备越来越多, 功能也越来越复杂, I/O地址空间有限的端口映射I/O已经逐渐不能满足需求了. 于是内存映射I/O(memory-mapped I/O, MMIO)应运而生.

内存映射I/O这种编址方式非常巧妙, 它是通过不同的物理内存地址给设备编址的. 这种编址方式将一部分物理内存的访问”重定向”到I/O地址空间中, CPU尝试访问这部分物理内存的时候, 实际上最终是访问了相应的I/O设备, CPU却浑然不知. 这样以后, CPU就可以通过普通的访存指令来访问设备.

同时, 有的设备需要让CPU访问一段较大的连续存储空间, 如VGA的显存, 24色加上Alpha通道的1024x768分辨率的显存就需要3MB的编址范围.

这也是内存映射I/O得天独厚的好处: 物理内存的地址空间和CPU的位宽都会不断增长, 内存映射I/O从来不需要担心I/O地址空间耗尽的问题.

从原理上来说, 内存映射I/O唯一的缺点就是, CPU无法通过正常渠道直接访问那些被映射到I/O地址空间的物理内存了. 但随着计算机的发展, 内存映射I/O的唯一缺点已经越来越不明显了: 现代计算机都已经是64位计算机, 物理地址线都有48根, 这意味着物理地址空间有256TB这么大, 从里面划出3MB的地址空间给显存, 根本就是不痛不痒.