对嵌入式（计算机）系统IO体系结构的理解

对嵌入式（计算机）系统IO体系结构的理解

 

1 前言

         最近一直在学习usb驱动，牵涉到了sysfs设备模型，基本上看了个大概也明白了。但是sysfs是对硬件系统的抽象，其中总线、设备、驱动三个概念理解一直不透；昨天翻看了《深入理解linux内核》第13章，才突然觉得原来是对IO体系结构理解不清，造成我学习驱动的速度慢了下来；又对照了《linux设备驱动》第9章，基本上算是把IO体系结构理解透彻了。

         不得不说，x86和其他体系结构的cpu真的有很多不同哦。

2 CPU、IO控制器、IO设备

         CPU的主要职责是负责运算，而计算机是需要各种外设的，否则无法和人进行交互。我学过8051汇编，学过基于powerpc的MPC8xx系统嵌入式CPU，也看过很多ARM的芯片资料，我发现CPU与外设的“沟通”有分两步在进化。

         早期x86体系的CPU，需要使用前端总线（fsb）和北桥芯片相连，北桥再和南桥相连。南北桥是一种架构的划分，设计者的原始图架构上，在上部的称为北桥，下部的成为南桥。

典型上，北桥的功能主体是AGP控制、内存控制，南桥包括IDE、PCI、串并口多功能控制单元，集成网卡控制器、音效控制器就在南桥。而集成的图形控制单元，就是集成显卡核心了，就在北桥。 总之，CPU控制外部设备需要依赖于南北桥，而南北桥中就集中了各种外部设备的控制器。

        在我学习了MPC8XX系列嵌入式CPU时，发现很多IO设备控制器都是和CPU集中在同一芯片内的。当时我仅仅理解到这就是SOC的概念，我没理解到IO系统级别。嵌入式CPU基本上已经超过了原先CPU的概念：在计算核心的基础上，增加外设控制器。典型的MPC860系列，不但包括了powerpc核，还集成了siu和cpm两个部分。siu用于控制内存等，而cpm则负责控制串口、网口等等。我研究过micrel公司的ks8695px芯片，该芯片内部集成的是ARM926t核心，同时集成内存控制器、pci控制器等等。

        根据上面两点，我本来得出的结论是：通用计算机IO体系结构（x86）和嵌入式系统IO体系结构式不同的；但是第二天，我就推翻了自己的结论。

        现在的x86处理器已经不是早期那个样子了。最早，AMD做的x86处理器已经将内存控制器集成到了处理器内部了，因此弱化了北桥的功能。后来，英伟达公司为AMD的处理器开发的单芯片就集中了南北桥功能。intel现在的i5、i7已经集成了内存控制器、PCI-E控制器等等。所以南北桥的IO控制器越来越多的放到了CPU内部。现在连显卡都要集成到处理器中。当然，在通用计算机中，慢速外设如串口等似乎没必要集成到cpu中。

        综上所述：CPU通过IO控制器控制外部设备；而IO控制器正越来越多的集成到CPU中去，CPU芯片的概念和功能已经超越了单纯的计算。

 

3 IO总线分类

         总线用于互联！只要搞明白总线连接的两端是什么，那一切问题都不是问题啦。

3.1   第一种总线：连接CPU计算核心和IO控制器的总线。

         早期IO控制器集成在北桥和南桥，CPU通过前端总线FSB和北桥直接相连，北桥通过DMI总线和南桥相连。后来，INETL将CPU和北桥间的FSB总线换成了更高速的QPI总线，当然功能是一样的。再想想如果内存控制器、USB控制器、PCI-E控制器集成在CPU芯片内部时，CPU核和这些控制器是用什么总线相连呢？Intel的我不知道，但是我有MPC866和ks8695px的手册呵呵，看一下子。在MPC866的block diagram中，可以看到unifined bus将powerpc核、SIU、CPM三个模块互联起来；在ksz8695px的block diagram中，可以看到使用了AMBA和APB两种总线高低搭配来互联所有的模块。

         我是做嵌入式驱动开发，这种级别的总线我应该是不需要驱动的啦，除非我去开发linux内核吧！看看下一种总线。

3.2 第二种总线：连接IO控制器和IO设备的总线

         这部分的总线种类可就多啦。不同的控制器为不同的目标而设计；同一目标因不同公司设计而不同。目前主流的总线如下表所示。

总线	备注
PCI/PCI-E	最主流的外设互联标准
USB	最火的高速串行总线
I2C
SPI
UART	最普通也最实用
SATA	现在流行串口硬盘
IDE	并行的硬盘控制器

         有一种设备比较特殊：网卡设备。在MPC8xx及KSZ8695PX中，网络接口设备（主要指MAC设备）是集成在处理器芯片内部的；因此MAC也算是一种总线控制器吧。

         一般来说，做嵌入式驱动，都是在驱动这些总线控制器，使其和外设正常通信。想要驱动它们，就要熟悉这些总线的工作细节。说到总线就不得不提到接口。可以这么看，总线是逻辑标准，而接口是为了实现总线上设备互联而设计物理标准。比如UART总线，可以通过RS232/RS485等接口和外设相连。另外还要提到协议，总线上传输的数据是按照一定协议来组织格式的，但是总线不关心协议。

         目前我最熟悉的莫过于串口和网口控制器的驱动开发了；正在学习USB驱动开发，准备学习PCI、IDE/SATA等驱动开发。

 

4 进一步考虑处理器核与IO控制器间的关系--控制

         在上面，仅仅是从总线连接的角度上来看处理器核与IO控制器之间的关系；同时在那时我也觉得：和我的驱动无关哦。但是再仔细想想，有个很重要的问题我没有阐述到。问题在于，我对总线控制器的控制是如何完成的呢？根据我开发MPC8XX的串口、网口的经验，我可以很明确的回答，我通过控制UART和FEC控制器的寄存器来完成的。再来一个问题：UART和FEC控制器获得外部输入，是如何送到内存的呢？答案是使用其自身的DMA控制器直接访问内存。上面这两个问题算是对总线功能的枚举吧。

         因此，编写驱动逃不脱处理器核与IO控制器间的总线功能—控制功能。当然，我们只是去使用这个功能。下面就来看看这些控制手段都有哪些。

         刚才提到的MPC8XX中，CPU核可以直接通过unified bus访问IO控制器的寄存器，就像访问内存一样。因为这些寄存器和内存一样，都在4GB物理地址空间上占有一席之地。

         但是x86再次显现了其不同。根据《深入理解linux内核》第13章中的“I/O端口”段落，可以看到，CPU核和IO控制器间存在一个IO端口的概念。我理解IO端口是属于IO总线的，不知道对不对。而x86也为控制端口设有专门的指令，因此linux中也有控制端口的专门API接口。

         根据MPC8xx和x86这两种例子，可以看到，CPU核对IO控制器的控制分为两种：I/O端口和I/O内存。这两个名词我是从《linux设备驱动》第九章抄来的。注意：第一，I/O内存是指I/O控制器中的寄存器或内存；第二，根据《深入理解linux内核》第13章中的描述“I/O端口还可以被映射到物理地址空间。因此，处理器核I/O设备之间的通信就可以使用对内存直接进行操作的汇编语言指令。”可知，x86的I/O端口机制可以变为I/O内存。