接口和设备：经典的适配器模式

大部分的输入和输出设备都有两个组成部分：第一个是接口，第二个是实际的IO设备。

我们的硬件设备并不是直接接入到总线上和CPU通信的，而是通过接口，用接口连接到总线上，再通过总线和CPU通信。

CPU是如何控制IO设备的

以打印机为例，分析CPU如何控制IO设备

• 数据寄存器（Data Register）：CPU向IO设备写入需要传输的数据，比如要打印”wangkai“,我们先要发送一个”w“给到对应的IO设备
• 命令寄存器（Command Register ）: CPU发送一个命令，告诉打印机，要进行打印工作，打印机里的控制电路会做两件事情
  • 设置我们状态寄存器里的状态，设置为not-ready。
  • 实际操作打印机进行打印。
• 状态寄存器（Status Register）：not-ready告诉CPU，设备已经在工作了，CPU再发送命令来是没有用的。ready状态告诉CPU可以发送下一个字符和命令

实际情况下，打印机里还有数据缓冲区，CPU也不是一个字符一个字符交给打印机去打印的，而是一次性将文档传输到打印机的内存或者数据缓冲区里一起打印。

信号和地址：发挥总线的价值

CPU和IO设备的通信，一样是通过CPU支持的机器指令来执行的。

内存映射IO（MMIO）

为了能让CPU尽可能的简单，计算机把IO设备的各个寄存器、以及IO设备内部的内存地址，都映射到主内存地址空间来。

主内存的地址空间，会给不同的IO设备预留一段一段的内存地址。

CPU要和这些IO设备进行通信的时候，就往这些地址发送数据。

IO设备会监控地址线，在CPU往自己地址发送数据的时候，把对应的数据先里面传输过来的数据，接入到对应的设备里面的寄存器和内存里面来。

CPU无论是向IO设备发送命令、查询状态、传输数据都是以这样的方式，这种方式叫做内存映射IO（Memory-Mapped I/O，简称 MMIO）

端口映射IO（Port-Mapped IO）

Intel x86架构的计算机可以设计专门和IO设备通信的指令，in和out指令

Intel 的CPU虽然支持MMIO，它还可以通过特定的指令来支持端口映射IO（Port-Mapped I/O，简称 PMIO）或者也可以叫独立输入输出（Isolated I/O）

PMIO访问的设备地址是一个专门的端口，并不是在内存地址空间里的，这个端口并不是一个硬件上的插口，而是和CPU通信的一个抽象概念。

Command模式

• 无论是PMIO还是MMIO，CPU都会传送一条二进制的数据，给到IO设备对应的地址。
• 设备自己本身的接口电路，再去解码这数据。
• 解码之后的数据，会变成设备支持的一条指令，再去通过控制电路去操作实际的硬件设备。
• 对于CPU来说，他不需要关心设备本身能支持哪些操作，只是在总线上传输一条条数据就好了。

在总线上传输的是一个个数据对象，接收这些对应的设备，根据具体的对象内存，进行实际的解码和命令执行。

总结

CPU并不是发送一个特定的操作指令来操作不同的IO设备。解决CPU和IO设备之间的通信方式如下：

IO设备方向

• IO设备被拆分为能和CPU通信的接口电路、实际的IO设备本身。
• 接口电路里有状态寄存器、命令寄存器、数据寄存器、数据缓冲区、设备内存等。
• 接口电路通过总线和CPU通信，接收来自CPU的指令和数据。
• 接口电路中的控制电路，再解码收到的指令，实际去操作对应的硬件设备。

CPU方向

• 对于CPU来说，看到的不是特定的设备，而是一个个内存地址或者端口地址。
• CPU只是向这些地址传输数据或者读取数据
• 需要的指令和操作内存地址的指令本质上没有什么差别。
• 通过软件层面对于传输的命令数据的定义，而不是提供特殊的新的指令，来实际操作对应的IO硬件。