計算機基礎(chǔ)- -應(yīng)用和硬件的關(guān)系

文章目錄

• 計算機基礎(chǔ)- -應(yīng)用和硬件的關(guān)系
• • 一、應(yīng)用和硬件的關(guān)系
  • • 1.支持硬件輸入輸出的IN指令和OUT指令
    • 2.測試輸入和輸出程序
    • 3.外圍設(shè)備的中斷請求
    • 4.用中斷來實現(xiàn)實時處理
    • 5.利用DMA實現(xiàn)短時間內(nèi)大量數(shù)據(jù)傳輸
    • 6.文字和圖片的顯示機制

一、應(yīng)用和硬件的關(guān)系

• 我們作為程序員一般很少直接操控硬件， 我們一般通過C、Java等高級語言編寫的程序起到間接控制 硬件的作用。
• 所以大家很少直接接觸到硬件的指令，硬件的控制是由Windows操作系統(tǒng)全權(quán)負責(zé)的。

雖然程序員沒法直接控制硬件， 并且Windows屏蔽了控制硬件的細節(jié)， 但是Windows卻為你開放了系統(tǒng)調(diào)用功能來實現(xiàn)對硬件的控制。

• 在Windows中， 系統(tǒng)調(diào)用稱為API， API就是應(yīng)用調(diào)用的函數(shù)，這些函數(shù)的實體被存放在 DLL 文件中
  

下面我們來看一個通過系統(tǒng)調(diào)用來間接控制硬件的實例：

假如要在窗口中顯示字符串， 就可以使用Windows API中的Text Out函數(shù)；Text Out函數(shù)的語法(C語言)如下：

• 那么， 在處理Text Out函數(shù)的內(nèi)容時， Windows做了些什么呢?
• 從結(jié)果來看， Windows直接控制了作為硬件的顯示器。但Windows本身也是軟件， 由此可見， Windows應(yīng)該向CPU傳遞了某種指令， 從而通過軟件控制了硬件。

• Windows提供的Text Out函數(shù)API可以向窗口和打印機輸出字符。
• C語言提供的printf函數(shù)，是用來在命令提示符中顯示字符串的函數(shù)。使用printf函數(shù)是無法向打印機輸出字符的。

1.支持硬件輸入輸出的IN指令和OUT指令

• Windows控制硬件借助的是輸入和輸出指令。其中具有代表性的兩個輸入輸出指令就是IN 和OUT指令。這些指令也是匯編語言的助記符。

可以通過IN和OUT指令來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀入和輸出， 如下圖所示：

• 也就是說， IN指令通過指定的端口號輸入數(shù)據(jù)， OUT指令則是把CPU寄存器中存儲的數(shù)據(jù)輸出到指定端口號的端口。

那么這個端口號和端口是什么呢?你感覺它像不像港口一樣?通過標(biāo)注哪個港口然后進行貨物的運送和運出?

下面我們來看一下官方是如何定義端口號和端口的：

• 還記得計算機組成原理中計算機的五大組成部分嗎，再來回顧一下：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè) 備和輸出設(shè)備。
• 那么問題來了，IO設(shè)備如何實現(xiàn)輸入和輸出的呢?計算機主機中，附帶了用來連接顯示器以及鍵盤等外 圍設(shè)備的連接器。
• 而連接器的內(nèi)部，都連接有用來交換計算機主機同外圍設(shè)備之間電流特性的IC，這些IC統(tǒng)稱為 IO控制器。
• lO是Input/Output的縮寫。顯示器、鍵盤等外圍設(shè)備都有各自專用的I/O控制器。I/O控制器中有用于臨時保存輸入輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)存。這個內(nèi)存就是端口(port) 。端口你就可以把它理解為我們上述說 的港口。
• IO控制器內(nèi)部的內(nèi)存，也被稱為寄存器，不要慌，這個寄存器和內(nèi)存中的寄存器不一樣。
• CPU內(nèi)存的寄存器是用于進行數(shù)據(jù)運算處理的， 而IO中的寄存器是用于臨時存儲數(shù)據(jù)的。
• 在I/O設(shè)備內(nèi)部的IC中，有多個端口。由于計算機中連接著很多外圍設(shè)備，因此也就有很多I/O控制器。當(dāng)然也會有多個端口，一個I/O控制器可以控制多個設(shè)備，不僅僅只能控制一個。各端口之間通過 端口號 進行區(qū)分。
• 端口號也被稱為I/O地址。IN指令和OUT指令在端口號指定的端口和CPU之間進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

這跟通過內(nèi)存的地址來對內(nèi)存進行讀寫是一樣的道理：

2.測試輸入和輸出程序

• 首先讓我們利用IN指令和OUT指令， 來進行一個直接控制硬件的實驗。假如試驗的目的是讓一個計算 機內(nèi)置的喇叭(蜂鳴器)發(fā)出聲音。
• 蜂鳴器封裝在計算機內(nèi)部，但它也是外圍設(shè)備的一種。
• 用匯編語言比較繁瑣，這次我們用C語言來實現(xiàn)。在大部分C語言的處理(編譯器的種類)中，只要使用_asm{和} 括起來， 就可以在其中記述助記符。也就是說， 采用這種方式就能夠使用C語言和匯編語言混合的源代碼。
• 在AT兼容機中，蜂鳴器的默認端口號是61H(末尾的H表示的是十六進制數(shù)的意思),用IN指令通過該端口號輸入數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)的低2位設(shè)定為ON， 然后再通過該端口號用OUT指令輸出數(shù)據(jù)， 這時蜂鳴器就會發(fā)出聲音。
• 同樣的方法， 將數(shù)據(jù)的低2位設(shè)定為OFF并輸出后， 蜂鳴器就停止工作。

把位設(shè)定為ON指的是將該位設(shè)定為1，把位設(shè)定為OFF指的是將該位設(shè)定為0。

• 把位設(shè)定為ON， 只需要把想要設(shè)定為ON的位設(shè)定為1，其他位設(shè)定為0后進行OR運算即可。由于這里需要把低2位置為1，因此就是和03H進行OR運算。

03H用8為二進制來表示的話是00000011。由于即便高6位存在著具 體意義。和0進行OR運算后也不會發(fā)生變化，因而就和03H進行OR運算。

• 把位設(shè)定為OFF， 只需要把想要置OFF的位設(shè)定為0， 其他位設(shè)定為1后進行AND運算即可。由于這里需要把低2位設(shè)定為0，因此就要和FCH進行AND運算。
• 在源代碼中， FCH是用OF CH來記述的。在前面加0是匯編語言的規(guī)定， 表示的是以A-F這些字符開頭的十六進制數(shù)是數(shù)值的意思。
• OF CH用8位二進制數(shù)來表示的話是11111100。由于即便高6位存在著具體意義， 和1進行AND運算后也不會產(chǎn)生變化， 因而就是同OF CH進行OR運算

• 我們對上面的代碼進行說明， main是C語言程序起始位置的函數(shù)。在該函數(shù)中， 有兩個用_asm{}圍起來的部分， 它們中間有一個使用for循環(huán)的空循環(huán)
• 首先是 蜂鳴器發(fā)聲 的部分， 通過IN EAX， 61H(助記符不區(qū)分大小寫) 指令， 把端口61H的數(shù)據(jù)存儲到CPU的EAX寄存器中。
• 接下來， 通過OR EAX， 03H指令， 把EAX寄存器的低2位設(shè)定成ON。
• 最后， 通過OUT61H， EAX指令， 把EAX寄存器的內(nèi)容輸出到61端口。使蜂鳴器開始發(fā)音。
• 雖然EAX寄存器的長度是32位， 不過由于蜂鳴器端口是8位， 所以只需對下8位進行OR運算和AND運算就可以正常工作了。
• 其次是一個重復(fù)100次的空循環(huán)，主要是為了在蜂鳴器開始發(fā)音和停止發(fā)音之間稍微加上一些時間間隔。因為現(xiàn)在計算機器的運行速度非常快，哪怕是100萬次循環(huán)，也幾乎是瞬時間完成的。
• 然后是用來控制器 蜂鳴器停止發(fā)聲 的部分。首先， 通過IN EAX， 61H指令， 把端口61H的數(shù)據(jù)存儲到CPU的EAX寄存器中。
• 接下來， 通過AND EAX， OF CH指令， 把EAX寄存器的低2位設(shè)定為OFF。
• 最后， 通過OUT61H， EAX指令， 把寄存器的EAX內(nèi)容輸出到61號端口， 使蜂鳴器停止發(fā)音。

3.外圍設(shè)備的中斷請求

• IRQ(Interrupt Request) 代表的就是中斷請求。IRQ用來暫停當(dāng)前正在運行的程序， 并跳轉(zhuǎn)到其他程序運行的必要機制。該機制被稱為處理中斷。
• 中斷處理在硬件控制中擔(dān)當(dāng)著重要的角色。因為如果沒有中斷處理，就有可能無法順暢進行處理的情況。
• 從中斷處理開始到請求中斷的程序(中斷處理程序)運行結(jié)束之前，被中斷的程序(主程序)的處理是停止的。

• 這種情況就類似于在處理文檔的過程中有電話打進來，電話就相當(dāng)于是中斷處理。
• 假如沒有中斷處 理的發(fā)生，就必須等到文檔處理完成后才能夠接聽電話。
• 由此可見，中斷處理有著巨大的價值，就像是接聽完電話后會返回原來的文檔作業(yè)一樣，中斷程序處理完成后，也會返回到主程序中繼續(xù)。

• 實施中斷請求的是連接外圍設(shè)備的I/O控制器， 負責(zé)實施中斷處理的是CPU， 外圍設(shè)備的中斷請求會 使用不同于I/O端口的其他編號，該編號稱為中斷編號。

• 在控制面板中查看軟盤驅(qū)動器的屬性時， IRQ處現(xiàn)實的數(shù)值是06，表示的就是用06號來識別軟盤驅(qū)動器發(fā)出的請求。還有就是操作系統(tǒng)以及BIOS則會提供響應(yīng)中斷編號的中斷處理程序。

BIOS(Basic Input Output System) ：位于計算機主板或者擴張卡上內(nèi)置的ROM中， 里面記錄了用來控制外圍設(shè)備的程序和數(shù)據(jù)。

• 假如有多個外圍設(shè)備進行中斷請求的話，CPU需要做出選擇進行處理， 為此， 我們可以在I/O控制器和CPU中間加入名為中斷控制器的IC來進行緩沖。
• 中斷控制器會把從多個外圍設(shè)備發(fā)出的中斷請求有序的傳遞給CPU。中斷控制器的功能相當(dāng)于就是緩沖。

下面是中斷控制器功能的示意圖:

• CPU在接受到中斷請求后， 會把當(dāng)前正在運行的任務(wù)中斷， 并切換到中斷處理程序。
• 中斷處理程序的第一步處理， 就是把CPU所有寄存器的數(shù)值保存到內(nèi)存的棧中。在中斷處理程序中完成外圍設(shè)備的輸入和輸出后， 把棧中保存的數(shù)值還原到CPU寄存器中， 然后再繼續(xù)進行對主程序的處理。
• 假如CPU寄存器數(shù)值還沒有還原的話， 就會影響到主程序的運行， 甚至還有可能會使程序意外停止或發(fā)生運行時異常。
• 這是因為主程序在運行過程中， 會用到CPU寄存器進行處理， 這時候如果突然插入其他程序的運行結(jié)果， 此時CPU必然會受到影響。
• 所以， 在處理完中斷請求后， 各個寄存器的值必須要還原。只要寄存器的值保持不變，主程序就可以像沒有發(fā)生過任何事情一樣繼續(xù)處理。
  

4.用中斷來實現(xiàn)實時處理

• 中斷是指計算機運行過程中，出現(xiàn)某些意外情況需主機干預(yù)時，機器能自動停止正在運行的程序并轉(zhuǎn)入處理新情況的程序，處理完畢后又返回原被暫停的程序繼續(xù)運行。
• 在程序的運行過程中，幾乎無時無刻都會發(fā)生中斷，其原因就是為了實時處理外部輸入的數(shù)據(jù)，雖然程序也可以在不會中斷的基礎(chǔ)上處理外部數(shù)據(jù)，但是那種情況下，主程序就會頻繁的檢查外圍設(shè)備是否會 有數(shù)據(jù)輸入。
• 由于外圍設(shè)備會有很多個，因此有必要按照順序來調(diào)查。按照順序檢查多個外圍設(shè)備的狀態(tài)稱為輪詢。
• 對于計算機來說，這種采用輪詢的方式不是很合理，如果你正在檢查是否有鼠標(biāo)輸入，這時候發(fā)生了鍵盤輸入該如何處理呢?結(jié)果必定會導(dǎo)致文字的實時處理效率。所以即時的中斷能夠提高程序的運行效率。

上面只是中斷的一種好處，下面匯總一下利用中斷能夠帶來的正面影響

• 提高計算機系統(tǒng)效率。計算機系統(tǒng)中處理機的工作速度遠高于外圍設(shè)備的工作速度。通過中斷可以協(xié)調(diào)它們之間的工作。當(dāng)外圍設(shè)備需要與處理機交換信息時，由外圍設(shè)備向處理機發(fā)出中斷請求，處理機及時響應(yīng)并作相應(yīng)處理。不交換信息時，處理機和外圍設(shè)備處于各自獨立的并行工作狀態(tài)。
• 維持系統(tǒng)可靠正常工作。現(xiàn)代計算機中，程序員不能直接干預(yù)和操縱機器，必須通過中斷系統(tǒng)向操作系統(tǒng)發(fā)出請求，由操作系統(tǒng)來實現(xiàn)人為干預(yù)。主存儲器中往往有多道程序和各自的存儲空間。在程序運行過程中，如出現(xiàn)越界訪問，有可能引起程序混亂或相互破壞信息。為避免這類事件的發(fā)生，由存儲管理部件進行監(jiān)測，一旦發(fā)生越界訪問，向處理機發(fā)出中斷請求，處理機立即采取保護措施。
• 滿足實時處理要求。在實時系統(tǒng)中，各種監(jiān)測和控制裝置隨機地向處理機發(fā)出中斷請求，處理機隨時響應(yīng)并進行處理。
• 提供故障現(xiàn)場處理手段。處理機中設(shè)有各種故障檢測和錯誤診斷的部件，一旦發(fā)現(xiàn)故障或錯誤，立即發(fā)出中斷請求，進行故障現(xiàn)場記錄和隔離，為進一步處理提供必要的依據(jù)。

5.利用DMA實現(xiàn)短時間內(nèi)大量數(shù)據(jù)傳輸

• 上面我們介紹了I/O處理和中斷的關(guān)系，下面我們來介紹一下另外一個機制，這個機制就是 DMA(Direct Memory Access) 。
• DMA是指在不通過CPU的情況下， 外圍設(shè)備直接和主存進行數(shù)據(jù)傳輸。磁盤等硬件設(shè)備都用到了DMA機制， 通過DMA， 大量數(shù)據(jù)可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)傳輸， 之所以這么快， 是因為CPU作為中介的時間被節(jié)省了

下面是DMA的傳輸過程

• I/O端口號、IRQ、DMA通道可以說是識別外圍設(shè)備的3點組合。不過， IRQ、DMA通道并不是所有外圍設(shè)備都具備的。
• 計算機主機通過軟件控制硬件時所需要的信息的最低限，是外圍設(shè)備的I/O端口號。
• IRQ只對需要中斷處理的外圍設(shè)備來說是必須的， DMA通道則只對需要DMA機制的外圍設(shè)備來說是必須的。
• 假如多個外圍設(shè)備都設(shè)定成相同的端口號、IRQ和DMA通道的話， 計算機就無法正常工作，會提示設(shè)備沖突。

6.文字和圖片的顯示機制

你知道文字和圖片是如何顯示出來的嗎?

• 事實上，如果用一句話來簡單的概括一下該機制，那就是顯示器中顯示的信息一直存儲在某內(nèi)存中。該內(nèi)存稱為VRAM (Video RAM)
• 在程序中， 只要往VRAM中 寫入數(shù)據(jù)， 該數(shù)據(jù)就會在顯示器中顯示出來。實現(xiàn)該功能的程序， 是由操作系統(tǒng)或者BIOS提供， 并借助中斷來進行處理。
• 在MS-DOS時代， 對于大部分計算機來說， VRAM都是主內(nèi)存的一部分。在現(xiàn)代計算機中， 專用硬件中一般都配置有與主內(nèi)存相獨立的VRAM和GPU(Graphics Processing Unit) ， 也叫做圖 形處理器或者圖形芯片。

• 用軟件來控制硬件聽起來好像很難，但實際上只是利用輸入輸出指令同外圍設(shè)備進行輸入輸出而已。中斷處理是根據(jù)需要來使用的功能選項。DMA則直接交給對應(yīng)的外圍設(shè)備即可。
• 雖然計算機領(lǐng)域新技術(shù)在不斷涌現(xiàn)，但是計算機所能處理的事情，始終只是對輸入的數(shù)據(jù)進行運算，并把結(jié)果輸出，這一點是永遠不會發(fā)生變化的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机基础- -应用和硬件的关系的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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