1 软件是如何访问硬件的

• 操作系统作为硬件层的上层，是对硬件的管理和抽象。对于操作系统上面的运行库和应用程序来说，他们希望看到的是一个统一的硬件访问模式。作为应用程序开发者，不希望在开发应用程序的时候直接读写硬件端口、处理硬件中断等这些繁琐的事情。这些繁琐的硬件细节全都交给了操作系统，具体的讲是操作系统中的硬件驱动

• 驱动程序可以看做是操作系统的一部分，往往跟操作系统内核一起运行在特权级，但又有独立性，使得驱动程序很灵活。

• 硬件是各种各样的，操作系统不可能随时更新各种硬件的驱动方法，总不能刚出来某个硬件，OS开发者就写驱动。所以就需要各种硬件适配设备，也就是IO接口。接口就是标准，只要硬件生产商按照接口来工作，就能实现通用。

硬件在输入输出上可以分为串行和并行，对应的接口就是串行接口和并行接口。串行硬件通过串行接口与CPU通信，CPU也可以通过串行接口与串行设备进行通信。并行设备类似。

访问外部硬件有两种方式

• 将某个外设的内存映射到一定范围的地址空间中，CPU通过地址总线访问该内存区域时会落到外设的内存中，这种映射让CPU访问外设的内存就如同访问主板上的物理内存一样。

  • 比如显卡；显卡就是显示器的适配器，CPU不直接和显示器交互，它只和显卡通信，显卡上有片内存叫显存，往这片内存上写字节便是往屏幕上打印内容。

• 外设通过IO接口与CPU通信，CPU访问外设，就是访问IO接口，由IO接口将信息传递给另一端的外设。也就是说CPU从来不知道有这些设备的存在，它只知道自己操作的IO接口。

  • 如何访问到IO接口？IO接口上有一些寄存器，访问IO接口本质上就是访问这些寄存器，这些寄存器就是人们常说的端口，这些端口是IO接口给提供的接口，（接口提供接口）接口电路有自己的系统，看到寄存器中写了什么就做出相应的反应。

  • 在x86平台上，共有65536个硬件端口寄存器，不同的硬件被分配到了不同的IO端口地址，CPU提供了两条专门的指令in 和out 来实现对硬件端口的读和写。

  • 举个例子：对IDE（电子集成驱动器）接口来说，有两个通道，分别为IDE0和IDE1，每个通道上可以连接两个设备，分别为Master和Slave，一个PC中最多可以有4个IDE设备。假设我们文件位于IDE0的Master硬盘上，在PC中，IDE0通道的IO端口地址是0x1F0~0x1F7 及0x376~0x377 ，通过读写这些端口就能与IDE硬盘进行通信。以读取1000号逻辑扇区开始的8个扇区为例：

    • 0x1F3~0x1F6 4个字节（32位寻址空间）的端口地址是用来写入LBA（逻辑区块，磁盘的逻辑地址，用于和实际的物理地址映射，转换成盘面、磁道等位置）地址的，那么1000号逻辑扇区的LBA地址为0x0000003E8 ，所以我们需要往0x1F3、0x1F4 写入0x00 ，往0x1F5 写入0x03 往0x1F6 写入0xE8

    • 0x1F2 这个地址用来写入命令所需要读写的扇区数，比如读取8个扇区即写入8

      • 0x1F7 这个地址用来写入要执行的操作的命令码，对于读取操作来说，命令字为0x20 所以指令为

        out 0x1F3, 0x00
        out 0x1F4, 0x00
        out 0x1F5, 0x03
        out 0x1F6, 0xE8
        out 0x1F2, 0x08
        out 0x1F7, 0x20