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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(guò) C、Java 等高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)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(fù)責(zé)的。

你一定猜到我要說(shuō)什么了，沒(méi)錯(cuò)，我會(huì)說(shuō)但是，任何事情沒(méi)有絕對(duì)性，環(huán)境的不同會(huì)造成結(jié)果的偏差。雖然程序員沒(méi)法直接控制硬件，并且 Windows 屏蔽了控制硬件的細(xì)節(jié)，但是 Windows 卻為你開(kāi)放了 系統(tǒng)調(diào)用功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)體被存放在 DLL 文件中。

下面我們來(lái)看一個(gè)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)間接控制硬件的實(shí)例

假如要在窗口中顯示字符串，就可以使用 Windows API 中的 TextOut 函數(shù)。TextOut 函數(shù)的語(yǔ)法（C 語(yǔ)言）如下

BOOL TextOut{
   HDC hdc,					// 設(shè)備描述表的句柄
  int nXStart,					// 顯示字符串的 x 坐標(biāo)
  int nYStart,				        // 顯示字符串的 y 坐標(biāo)
   LPCTSTR lpString,			// 指向字符串的指針
  int cbString					// 字符串的文字?jǐn)?shù)
}

那么，在處理 TextOut 函數(shù)的內(nèi)容時(shí)，Windows 做了些什么呢？從結(jié)果來(lái)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(jiàn)，Windows 應(yīng)該向 CPU 傳遞了某種指令，從而通過(guò)軟件控制了硬件。

Windows 提供的 TextOut 函數(shù) API 可以向窗口和打印機(jī)輸出字符。C 語(yǔ)言提供的 printf 函數(shù)，是用來(lái)在命令提示符中顯示字符串的函數(shù)。使用 printf 函數(shù)是無(wú)法向打印機(jī)輸出字符的。

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(gè)輸入輸出指令就是 IN 和 OUT指令。這些指令也是匯編語(yǔ)言的助記符。

可以通過(guò) IN 和 OUT 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀入和輸出，如下圖所示

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

那么這個(gè)端口號(hào) 和 端口是什么呢？你感覺(jué)它像不像港口一樣？通過(guò)標(biāo)注哪個(gè)港口然后進(jìn)行貨物的運(yùn)送和運(yùn)出？

下面我們來(lái)看一下官方是如何定義端口號(hào)和端口的

還記得計(jì)算機(jī)組成原理中計(jì)算機(jī)的五大組成部分嗎，再來(lái)回顧一下：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。我們今天不談前三個(gè)，就說(shuō)說(shuō)后面兩個(gè)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，這兩個(gè)與我們本節(jié)主題息息相關(guān)。

那么問(wèn)題來(lái)了，IO設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的呢？計(jì)算機(jī)主機(jī)中，附帶了用來(lái)連接顯示器以及鍵盤(pán)等外圍設(shè)備的連接器。而連接器的內(nèi)部，都連接有用來(lái)交換計(jì)算機(jī)主機(jī)同外圍設(shè)備之間電流特性的 IC。如果 IC 你不明白是什么的話，可以參考作者的文章程序員需要了解的硬核知識(shí)之內(nèi)存進(jìn)行了解。這些 IC 統(tǒng)稱為 IO 控制器。

IO 是 Input/Output 的縮寫(xiě)。顯示器、鍵盤(pán)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(shí)保存輸入輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)存。這個(gè)內(nèi)存就是 端口(port)。端口你就可以把它理解為我們上述說(shuō)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(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的，而IO中的寄存器是用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。

在 I/O 設(shè)備內(nèi)部的 IC 中，有多個(gè)端口。由于計(jì)算機(jī)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(huì)有多個(gè)端口，一個(gè) I/O 控制器可以控制多個(gè)設(shè)備，不僅僅只能控制一個(gè)。各端口之間通過(guò) 端口號(hào) 進(jìn)行區(qū)分。

端口號(hào)也被稱為 I/O地址 。IN 指令和 OUT 指令在端口號(hào)指定的端口和 CPU 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出。這跟通過(guò)內(nèi)存的地址來(lái)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀寫(xiě)是一樣的道理。

測(cè)試輸入和輸出程序

首先讓我們利用 IN 指令和 OUT 指令，來(lái)進(jìn)行一個(gè)直接控制硬件的實(shí)驗(yàn)。假如試驗(yàn)的目的是讓一個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)置的喇叭（蜂鳴器）發(fā)出聲音。蜂鳴器封裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，但它也是外圍設(shè)備的一種。

用匯編語(yǔ)言比較繁瑣，這次我們用 C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。在大部分 C 語(yǔ)言的處理（編譯器的種類）中，只要使用 _asm{ 和 }括起來(lái)，就可以在其中記述助記符。也就是說(shuō)，采用這種方式就能夠使用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合的源代碼。

在 AT 兼容機(jī)中，蜂鳴器的默認(rèn)端口號(hào)是 61H ，末尾的 H 表示的是十六進(jìn)制數(shù)的意思。用 IN 指令通過(guò)該端口號(hào)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(guò)該端口號(hào)用 OUT 指令輸出數(shù)據(jù)，這時(shí)蜂鳴器就會(huì)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。

位設(shè)定為 ON 指的是將該位設(shè)定為1，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(jìn)行 OR 運(yùn)算即可。由于這里需要把低2位置為1，因此就是和 03H 進(jìn)行 OR 運(yùn)算。03H 用8為二進(jìn)制來(lái)表示的話是 00000011。由于即便高6位存在著具體意義。和0進(jìn)行OR運(yùn)算后也不會(huì)發(fā)生變化，因而就和 03H 進(jìn)行 OR 運(yùn)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(jìn)行 AND 運(yùn)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(jìn)行 AND 運(yùn)算。在源代碼中，F(xiàn)CH 是用 0FCH 來(lái)記述的。在前面加 0 是匯編語(yǔ)言的規(guī)定，表示的是以 A - F 這些字符開(kāi)頭的十六進(jìn)制數(shù)是數(shù)值的意思。0FCH 用8位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示的話是 11111100。由于即便高6位存在著具體意義，和1進(jìn)行 AND 運(yùn)算后也不會(huì)產(chǎn)生變化，因而就是同 0FCH 進(jìn)行 OR 運(yùn)算。

void main(){
  
  // 計(jì)數(shù)器
  int i;
  
  // 蜂鳴器發(fā)聲
  _asm{
    IN  EAX, 61H
    OR	EAX, 03H
    OUT	61H, EAX
  }
  
  // 等待一段時(shí)間
  for(i = 0;i < 1000000;i++);
  
  // 蜂鳴器停止發(fā)生
  _asm{
    IN  EAX, 61H
    AND EAX, 0FCH
    OUT 61H, EAX
  }
}

我們對(duì)上面的代碼進(jìn)行說(shuō)明，main 是 C 語(yǔ)言程序起始位置的函數(shù)。在該函數(shù)中，有兩個(gè)用 _asm{} 圍起來(lái)的部分，它們中間有一個(gè)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(guò) IN EAX，61H(助記符不區(qū)分大小寫(xiě))指令，把端口 61H 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 CPU 的 EAX 寄存器中。接下來(lái)，通過(guò) OR EAX，03H 指令，把 EAX 寄存器的低2位設(shè)定成 ON。最后，通過(guò) OUT 61H，EAX 指令，把 EAX 寄存器的內(nèi)容輸出到61端口。使蜂鳴器開(kāi)始發(fā)音。雖然 EAX 寄存器的長(zhǎng)度是 32 位，不過(guò)由于蜂鳴器端口是8位，所以只需對(duì)下8位進(jìn)行OR運(yùn)算和AND運(yùn)算就可以正常工作了。

其次是一個(gè)重復(fù)100次的空循環(huán)，主要是為了在蜂鳴器開(kāi)始發(fā)音和停止發(fā)音之間稍微加上一些時(shí)間間隔。因?yàn)楝F(xiàn)在計(jì)算機(jī)器的運(yùn)行速度非?？欤呐率?100 萬(wàn)次循環(huán)，也幾乎是瞬時(shí)間完成的。

然后是用來(lái)控制器蜂鳴器停止發(fā)聲的部分。首先，通過(guò) IN ?EAX，61H 指令，把端口 61H 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 CPU 的 EAX 寄存器中。接下來(lái)，通過(guò) AND ?EAX，0FCH 指令，把 EAX 寄存器的低2位設(shè)定為 OFF。最后，通過(guò) OUT ?61H，EAX 指令，把寄存器的 EAX 內(nèi)容輸出到61號(hào)端口，使蜂鳴器停止發(fā)音。

外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求

IRQ(Interrupt Request) 代表的就是中斷請(qǐng)求。IRQ 用來(lái)暫停當(dāng)前正在運(yùn)行的程序，并跳轉(zhuǎn)到其他程序運(yùn)行的必要機(jī)制。該機(jī)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?yàn)槿绻麤](méi)有中斷處理，就有可能無(wú)法順暢進(jìn)行處理的情況。

從中斷處理開(kāi)始到請(qǐng)求中斷的程序(中斷處理程序)運(yùn)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(guò)程中有電話打進(jìn)來(lái)，電話就相當(dāng)于是中斷處理。假如沒(méi)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(tīng)電話。由此可見(jiàn)，中斷處理有著巨大的價(jià)值，就像是接聽(tīng)完電話后會(huì)返回原來(lái)的文檔作業(yè)一樣，中斷程序處理完成后，也會(huì)返回到主程序中繼續(xù)。

實(shí)施中斷請(qǐng)求的是連接外圍設(shè)備的 I/O 控制器，負(fù)責(zé)實(shí)施中斷處理的是 CPU，外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求會(huì)使用不同于 I/O 端口的其他編號(hào)，該編號(hào)稱為中斷編號(hào)。在控制面板中查看軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的屬性時(shí)，IRQ處現(xiàn)實(shí)的數(shù)值是 06，表示的就是用06號(hào)來(lái)識(shí)別軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的請(qǐng)求。還有就是操作系統(tǒng)以及 BIOS 則會(huì)提供響應(yīng)中斷編號(hào)的中斷處理程序。

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

假如有多個(gè)外圍設(shè)備進(jìn)行中斷請(qǐng)求的話， CPU 需要做出選擇進(jìn)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(lái)進(jìn)行緩沖。中斷控制器會(huì)把從多個(gè)外圍設(shè)備發(fā)出的中斷請(qǐng)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(qǐng)求后，會(huì)把當(dāng)前正在運(yùn)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(jìn)行對(duì)主程序的處理。

假如 CPU 寄存器數(shù)值還沒(méi)有還原的話，就會(huì)影響到主程序的運(yùn)行，甚至還有可能會(huì)使程序意外停止或發(fā)生運(yùn)行時(shí)異常。這是因?yàn)橹鞒绦蛟谶\(yùn)行過(guò)程中，會(huì)用到 CPU 寄存器進(jìn)行處理，這時(shí)候如果突然插入其他程序的運(yùn)行結(jié)果，此時(shí) CPU 必然會(huì)受到影響。所以，在處理完中斷請(qǐng)求后，各個(gè)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(méi)有發(fā)生過(guò)任何事情一樣繼續(xù)處理。

用中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理

中斷是指計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)某些意外情況需主機(jī)干預(yù)時(shí)，機(jī)器能自動(dòng)停止正在運(yùn)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(yùn)行。

在程序的運(yùn)行過(guò)程中，幾乎無(wú)時(shí)無(wú)刻都會(huì)發(fā)生中斷，其原因就是為了實(shí)時(shí)處理外部輸入的數(shù)據(jù)，雖然程序也可以在不會(huì)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(huì)頻繁的檢查外圍設(shè)備是否會(huì)有數(shù)據(jù)輸入。由于外圍設(shè)備會(huì)有很多個(gè)，因此有必要按照順序來(lái)調(diào)查。按照順序檢查多個(gè)外圍設(shè)備的狀態(tài)稱為 輪詢。對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，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(shí)候發(fā)生了鍵盤(pán)輸入該如何處理呢？結(jié)果必定會(huì)導(dǎo)致文字的實(shí)時(shí)處理效率。所以即時(shí)的中斷能夠提高程序的運(yùn)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(lái)的正面影響

提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)效率。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中處理機(jī)的工作速度遠(yuǎn)高于外圍設(shè)備的工作速度。通過(guò)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(jī)交換信息時(shí)，由外圍設(shè)備向處理機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，處理機(jī)及時(shí)響應(yīng)并作相應(yīng)處理。不交換信息時(shí)，處理機(jī)和外圍設(shè)備處于各自獨(dú)立的并行工作狀態(tài)。
維持系統(tǒng)可靠正常工作。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，程序員不能直接干預(yù)和操縱機(jī)器，必須通過(guò)中斷系統(tǒng)向操作系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，由操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)人為干預(yù)。主存儲(chǔ)器中往往有多道程序和各自的存儲(chǔ)空間。在程序運(yùn)行過(guò)程中，如出現(xiàn)越界訪問(wèn)，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(chǔ)管理部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生越界訪問(wèn)，向處理機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，處理機(jī)立即采取保護(hù)措施。
滿足實(shí)時(shí)處理要求。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，各種監(jiān)測(cè)和控制裝置隨機(jī)地向處理機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，處理機(jī)隨時(shí)響應(yīng)并進(jìn)行處理。
提供故障現(xiàn)場(chǎng)處理手段。處理機(jī)中設(shè)有各種故障檢測(cè)和錯(cuò)誤診斷的部件，一旦發(fā)現(xiàn)故障或錯(cuò)誤，立即發(fā)出中斷請(qǐng)求，進(jìn)行故障現(xiàn)場(chǎng)記錄和隔離，為進(jìn)一步處理提供必要的依據(jù)。

利用 DMA 實(shí)現(xiàn)短時(shí)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(lái)介紹一下另外一個(gè)機(jī)制，這個(gè)機(jī)制就是 DMA(Direct Memory Access)。DMA 是指在不通過(guò) CPU 的情況下，外圍設(shè)備直接和主存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。磁盤(pán)等硬件設(shè)備都用到了 DMA 機(jī)制，通過(guò) DMA，大量數(shù)據(jù)可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸，之所以這么快，是因?yàn)?CPU 作為中介的時(shí)間被節(jié)省了，下面是 DMA 的傳輸過(guò)程

I/O 端口號(hào)、IRQ、DMA 通道可以說(shuō)是識(shí)別外圍設(shè)備的3點(diǎn)組合。不過(guò)，IRQ、DMA 通道并不是所有外圍設(shè)備都具備的。計(jì)算機(jī)主機(jī)通過(guò)軟件控制硬件時(shí)所需要的信息的最低限，是外圍設(shè)備的 I/O 端口號(hào)。IRQ 只對(duì)需要中斷處理的外圍設(shè)備來(lái)說(shuō)是必須的，DMA 通道則只對(duì)需要 DMA 機(jī)制的外圍設(shè)備來(lái)說(shuō)是必須的。假如多個(gè)外圍設(shè)備都設(shè)定成相同的端口號(hào)、IRQ 和 DMA 通道的話，計(jì)算機(jī)就無(wú)法正常工作，會(huì)提示 設(shè)備沖突。

文字和圖片的顯示機(jī)制

你知道文字和圖片是如何顯示出來(lái)的嗎？事實(shí)上，如果用一句話來(lái)簡(jiǎn)單的概括一下該機(jī)制，那就是顯示器中顯示的信息一直存儲(chǔ)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(xiě)入數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就會(huì)在顯示器中顯示出來(lái)。實(shí)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(lái)進(jìn)行處理。

在 MS-DOS 時(shí)代，對(duì)于大部分計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，VRAM 都是主內(nèi)存的一部分。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，顯卡等專用硬件中一般都配置有與主內(nèi)存相獨(dú)立的 VRAM 和 GPU（Graphics Processing Unit），也叫做圖形處理器或者圖形芯片。這是因?yàn)?，?duì)經(jīng)常描繪圖形的 windows 來(lái)說(shuō)，數(shù)百兆的 VRAM 都是必需的。

用軟件來(lái)控制硬件聽(tīng)起來(lái)好像很難，但實(shí)際上只是利用輸入輸出指令同外圍設(shè)備進(jìn)行輸入輸出而已。中斷處理是根據(jù)需要來(lái)使用的功能選項(xiàng)。DMA 則直接交給對(duì)應(yīng)的外圍設(shè)備即可。

雖然計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)在不斷涌現(xiàn)，但是計(jì)算機(jī)所能處理的事情，始終只是對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并把結(jié)果輸出，這一點(diǎn)是永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生變化的。

文章參考：

《程序是怎樣跑起來(lái)的》

https://baike.baidu.com/item/中斷控制器/15732992?fr=aladdin

https://baike.baidu.com/item/中斷/3933007#viewPageContent

程序員需要了解的硬核知識(shí)之控制硬件