I/O 接口与设备

I/O 设备与接口

通常 I/O 设备由两部分组成：机械部件和电子部件，机械部件即宏观上可见的部分，而电子部件称为设备控制器或适配器。

应用： 8251 $\mathrm{UART}$

通用异步收发器，Universal asynchronous receiver transmitter ($\mathrm{UART}$)，包括了 RS232、RS449、RS423、RS422 和 RS485 等接口标准规范和总线标准规范，即 $\mathrm{UART}$ 是异步串行通信口的总称。它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。

通常的 I/O 接口为了能够充当设备与计算机的桥梁，需要多个寄存器：数据寄存器、控制寄存器和状态寄存器。

在通信过程中选择控制寄存器或数据缓冲区有三种方法：

• 独立 I/O 端口：利用独立的端口来进行通信。好处是独立编址可以不占用内存空间，并且可以提高程序的可读性。
• 内存映射 I/O：将控制寄存器或数据缓冲区映射到内存之中。优点是可以直接使用 C 语言编写驱动程序，但缺点是缓存设备控制寄存器会导致灾难。
• 混合方案

通常 I/O 设备的分类

利用高级语言控制 I/O

实现存取

int peek(char *location) { return *location; }

void poke(char *location, char newval) { (*location) = newval; }

忙等（轮询）模式

current_char = mystring;

while (*current_char != ‘\0’) {
	poke(OUT_CHAR,*current_char); 
	while (peek(OUT_STATUS) != 0);
	current_char++;
}

将字符从输入设备拷贝到输出设备

while (TRUE) { 
    /* read */
	while (peek(IN_STATUS) == 0); 
    achar = (char)peek(IN_DATA); 
    /* write */ 
    poke(OUT_DATA,achar); 
    poke(OUT_STATUS,1);
	while (peek(OUT_STATUS) != 0); 
}

中断

很显然，忙等模式是非常低效的，因为 $\mathrm{CPU}$ 在测试设备时不能做其他工作。因此我们引入了中断机制。中断允许设备改变 $\mathrm{CPU}$ 中的控制流（即在周期中加入一个检查中断的步骤），然后调用子例程来处理设备。其主要的流程如下：

• $\mathrm{CPU}$ 与设备之间通过 $\mathrm{CPU}$ 总线连接
• $\mathrm{CPU}$ 和设备握手
• 设备发出中断请求
• $\mathrm{CPU}$ 在能够处理中断时确认中断

此外，有两种机制允许我们使中断更灵活：

• 优先级：决定哪个中断首先得到 $\mathrm{CPU}$。还提供屏蔽位，来筛选可识别的中断。

• 向量：决定每种类型的中断调用什么代码。提高灵活性，提供定义服务于来自设备的请求的中断程序的能力。每种类型的中断对应向量表中的一个索引。

尽管中断在大多数情况下提高了效率，但还会产生额外的开销。这些开销包括中断处理程序执行时间、中断机制开销、寄存器的保存/恢复、流水线相关的开销等。

中断服务例程（$\mathrm{ISR}$）的设计准则

• 列出每个中断，并描述程序应该做什么，同时预算在什么情况下中断需要花费的时间。
• 粗略估计每个中断的复杂度，$\mathrm{ISR}$ 的基本原则是保持处理程序简短。如果 $\mathrm{ISR}$ 太长，那就应该把一些步骤放到任务中执行。
• 避免循环，避免冗长复杂的指令。
• 在 $\mathrm{ISR}$ 中尽快重新启用中断：先做硬件关键和不可重入的事情，然后执行中断启用指令，给其他 $\mathrm{ISR}$ 机会去做他们的事情。
• 使用汇编语言而不是 C。
• 避免 NMI（不可避免的中断）：这些中断只用于电源故障、系统关闭和即将发生的灾难，不可滥用。
• 不要调试。不要启动各种复杂和不可预测的工具。如果 $\mathrm{ISR}$ 已经长到不可调试了，那说明违反了前文的简短原则。

丢中断了？

可以使用单个上行/下行计数器构建一个小电路，该计数器对每个中断进行计数，并减少每个中断确认的计数。如果计数器总是显示 $0$ 或 $1$ 的值，则一切正常。

一个经验法则将帮助最小化丢失的中断：在最早的安全点重新启用 $\mathrm{ISR}$ 中的中断。

可重入

例程必须满足以下条件才称为可重入的：

• 以原子方式使用所有共享变量，除非将每个共享变量分配给函数的特定实例；
• 不调用不可重入的函数；
• 不以非原子的方式使用硬件；

原子

第一条和最后一条规则都使用了“原子”这个词，这个词来自希腊语，意思是“不可分割的”。在计算世界中，“原子的”是指不能被中断的操作。一般来说，汇编语言中的一条语句是原子的。

例如，下面的一条汇编语句是原子的：

mov ax,bx

而下面的 C 代码的每个代码块都不是原子的

{temp=foobar; temp+=1; foobar=temp; }
{foobar+=1; }

如果要消除不可重入代码，可以采取以下措施：

• 避免共享变量。全局变量是没完没了的调试问题和代码失败的根源。使用自动变量或动态分配内存。
• 最常见的方法是在不可重入代码期间禁用中断。
• 引入信号量。

对于不可重入的代码，需要注意竞态条件对执行时序的影响。下面是一个获取计时器的代码，显然它对返回值的精度要求很高，因此一个小小的中断就会造成很大的偏差。

int timer_hi; 
interrupt timer(){
	++timer_hi;
} 
long timer_read(void){
	unsigned int low, high;
	low = inword(hardware_register);	//此时，如果返回一个 0xFFFF，会造成溢出中断。
    //中断处理...
	high = timer_hi;	//中断处理完后，计时器的值已经变换。
	return (high<<16+low);	//位移会严重扩大误差。
}