关于x86 I / O端口地址和IN / OUT指令的问题

Question

据我所知，这是PC总线系统的简化视图（它不包括我所知道的桥）。

如图所示：

据我所知，现代x86 CPU中的地址空间为65536字节（0000-FFFF）。这些是I / O地址。在x86中，IN和OUT指令用于通过I / O端口与设备进行通信。

考虑到PC（x86 cpus），以下是我的问题：

1. 是否可以在不使用PCI或任何其他总线的情况下将设备添加到此I / O总线？我的意思是与IN / OUT直接通信。如果是，如何分配I / O地址？他们不冲突吗？

2. 如果我的CPU支持PCI和I²C（是的话！），CPU如何区分它们的I / O地址？如何知道I / O地址属于PCI还是I²C。

（顺便说一句，我不知道I²C地址是否只是逻辑而不是I / O端口，但这是我也需要回答的另一个问题）

Answer 1

  

1）是否可以在不使用PCI或任何其他总线的情况下向该I / O总线添加设备？

理论上；是。但是，对于现代系统而言，没有共享/公共总线（现在是“点对点链接”）。并且内存控制器和PCI主机都与CPU内置在同一芯片中，这意味着（除非您是像Intel这样的CPU供应商的员工），您将不得不处理高速串行链接（快速路径，超传输，PCIe或DMI）并不便宜，也不容易与之交互（换句话说，就像1980年代，您可以使用不错而又慢的ISA总线）。

  

如果是，如何分配I / O地址？他们不冲突吗？

旧版设备使用由历史记录/兼容性分配的固定IO端口。其他所有内容均由一种“ IO端口范围分配器”（内置在固件和/或操作系统中）动态分配，该分配器在PCI配置空间中配置BAR（“基地址范围”寄存器）。有一些（现在已不推荐使用/不存在的）替代方案-由ISA卡上的物理跳线或DIP开关手动分配，ISA的“即插即用”规范在许多设备支持之前已被PCI取代，并且存在于用于动态资源分配的其他类型的总线（MCA和EISA）。当然，大多数现代设备根本不使用IO端口（而是使用内存映射寄存器）。

  

2-）如果我的CPU支持PCI和I²C（是的话！），CPU如何区分它们的I / O地址？如何知道I / O地址属于PCI还是I²C。

对于I²C，可能在某处（在IO端口地址空间或物理地址空间中）有一对寄存器，用于向I²C总线发送字节或从I²C总线接收字节。 I²C总线上的所有内容都将通过这2个寄存器进行访问，而I²C总线上的任何内容都将无法访问I²C总线上没有的任何内容（包括无法访问任何IO端口以及无法访问任何物理端口）。地址）。

大多数情况下（例如以太网，视频，USB等），您都有一个控制器（具有可直接访问CPU的寄存器）来控制CPU无法直接访问的某些内容（LAN，向显示器发出的信号，USB设备插入USB总线，...）。

（简体）示例

我们假设（由于一条out dx,al指令），CPU在共享总线或链接上显示了“ command = WRITE, space = IO port space, address = 0x1234, size = 1 byte, data = 0x56”的消息。该消息可能会被PCI主机控制器截获，后者会查看详细信息（哪个地址空间中的哪个地址），并决定将该消息转发到PCI总线上的“ PCI到LPC桥接器”设备。当“ PCI到LPC桥接器”收到消息时，它可能会查看详细信息（哪个地址空间中的哪个地址），并意识到它对应于I²C总线控制器，并将其转发给I²C总线控制器。 I²C总线控制器可能会对消息进行解码，并在I²C总线上发送字节0x56（来自消息的“数据”部分）。然后，也许正在I²C总线上侦听的设备看到了0x56字节，并通过将字节0x78通过I²C总线发送回I²C总线控制器做出响应，该控制器在其中将值0x78存储在内部缓冲寄存器中。

下一步； （由于一条in al,dx指令，CPU可能会发送另一条消息“ command = READ, space = IO port space, address = 0x1234, size = 1 byte”。该消息将遵循与前一条相同的路径（因为地址和地址空间相同），并最终到达I²C总线控制器。 I²C总线控制器可能会解码该消息，并意识到该消息正在请求从I²C总线控制器的内部缓冲寄存器中读取（该寄存器的值之前为0x78）；因此I²C总线控制器会发回消息“ command = READ_REPLY, space = IO port space, address = 0x1234, size = 1 byte, data = 0x78”。此回复消息将返回到CPU（再次使用相同的路径，但方向相反-例如，从PCI到LPC桥，再到PCI主机控制器，再到CPU）。当CPU获得回复时，它可以完成引起回复的原始指令（例如，将al设置为“ READ_reply”消息中的值以完成in al,dx指令）。

这里的意思是，CPU无法将任何东西直接发送到I²C总线上的设备（CPU只能与I²C总线控制器进行通讯）；而且I²C总线上的任何设备都不能直接将任何东西发送到CPU（它们也只能与I²C总线控制器通信）。 I²C总线上的任何信息都无需了解IO端口。而且CPU总线/链接上的任何内容都不需要了解I²C总线上的字节。

也； CPU只是发送和接收消息。它不知道将它们发送后会发生什么情况，也不知道如何将“ command = READ”消息按什么转发到哪里，也不知道哪个设备会发回“ command = READ_REPLY”消息。路由主要取决于消息所采用路径中每一步的逻辑。例如，可能将PCI主机控制器配置为将用于0x0000到0x2000范围内的IO端口访问的所有消息转发到PCI总线，并且可以将PCI到LPC桥配置为转发范围为0x1234的IO端口访问的所有消息。到0x1235到I²C总线控制器。