输入输出

尽管我们已经实现了若干条指令并运行了 cputest 中的各个测试用例, 可它们只在背后默默计算, 用户什么都看不见. 回想在任何程序设计课上所做的第一件事, 往往都是让计算机输出一句 hello world. 而实际上, 输入输出是计算机与外界交互的基本手段, 也是计算机必备的基本功能.

如果你还记得计算机刚启动时执行的 BIOS 程序的全称是 Basic Input/Output System, 你就会理解输入输出对计算机来说是多么重要了.

在真实的计算机中, 输入输出都是由 I/O 设备完成的，其工作原理很容易理解. 回忆一下数字电路实验中操作过的芯片, 其实 I/O 设备也一样是个数字电路. 当我们向设备发送一些特定含义的数字信号时，设备就能通过引脚连通的组合得知该如何工作. 等一下, 通过一些信号来指导设备工作不就类似于通过程序指令指导CPU工作吗？

的确, 设备与 CPU 类似, 同样拥有自己的状态寄存器 (类比 CPU 寄存器) 和功能部件 (类比运算器) , 当然不同的设备其功能部件各有不同. 例如键盘有一个把按键的模拟信号转换成扫描码的部件, 而 VGA 则有一个把像素颜色信息转换成显示器模拟信号的部件.

我们希望通过操作计算机来控制设备工作, 显然, 这一艰巨的任务又是由 CPU 来完成. 上面说到, 要控制设备必须发送控制的命令字, 那么, CPU 怎么知道向哪个设备发送, 又怎么发送命令字呢？

I/O 编址

根据你的经验，第一个"哪一个"的问题估计跟地址相关. 事实上就是如此. 我们已经知道内存有地址的概念, 那么我们也可以给 I/O 设备中允许 CPU 访问的寄存器逐一编址, 从而让 CPU 区分不同的设备. I/O 编址方式有两种, 区别在于 I/O 端口占不占用存储空间的地址.

端口映射 I/O（独立编址）

一种编址方式叫端口映射 I/O(port-mapped I/O), 即在系统中存在了另一种与存储地址无关的 I/O 地址, 同时CPU访问设备要使用专门的 I/O 指令, 设备的地址称为端口号, 在 I/O 指令中给出端口号, 就能找到访问的设备的寄存器了.

市场上的计算机绝大多数都是IBM PC兼容机, IBM PC兼容机对常见设备端口号的分配有专门的规定. 设备中可能会有一些私有寄存器, 它们是由设备自己维护的, 它们没有端口号, CPU不能直接访问它们.

X86 提供IN和OUT指令用于访问设备. 以 CPU 为主视角, 很容易理解 IN 指令是将设备寄存器中的数据传输到CPU 寄存器中, 而 OUT 指令则是将 CPU 寄存器中的数据传送到设备寄存器中.

movl $0x0, %al
movl $0x3f9, %edx
outb %al, (%dx)

事实上, 设备的行为都会在相应的文档里面有清晰的定义, 驱动开发者需要阅读设备的相关文档, 编写相应的命令字序列来对设备进行期望的操作. 在 PA 中我们无需了解这些细节, 只需要知道, 我们可以通过阅读相关文档, 编写相应的程序在 CPU 上运行来操作设备即可.

内存映射 I/O（统一编址）

端口映射 I/O 把端口号作为 I/O 指令的一部分, 这种方法很简单, 但最大的缺点是指令集为了兼容已经开发的程序, 只能进行添加而不能修改的. 这意味着, 端口映射 I/O 所能访问的 I/O 地址空间的大小, 在设计 I/O 指令的那一刻就已经决定下来了. 所谓 I/O 地址空间, 其实就是所有能访问的设备的地址的集合.

随着设备越来越多, 功能也越来越复杂, I/O 地址空间有限的端口映射 I/O 已经逐渐不能满足需求了. 有的设备需要让 CPU 访问一段较大的连续存储空间, 如 VGA 的显存, 24色加上 Alpha 通道的 1024x768 分辨率的显存就需要 3MB 的编址范围. 于是内存映射 I/O(memory-mapped I/O) 应运而生.

内存映射 I/O 将一部分物理内存"重定向"到 I/O 地址空间中, CPU 尝试访问这部分物理内存的时候, 实际上最终是访问了相应的 I/O 设备. 于是, CPU 就可以通过普通的访存指令来访问设备. 这意味着物理内存的地址空间和 CPU 的位宽都会不断增长, 内存映射 I/O 从来不需要担心 I/O 地址空间耗尽的问题.

内存映射 I/O 唯一的缺点, 也就是 CPU 无法通过正常渠道直接访问那些被映射到 I/O 地址空间的物理内存了. 但随着计算机的发展, 内存映射 I/O 的唯一缺点已经越来越不明显了: 现代计算机都已经是 64 位计算机, 物理地址线都有 48 根, 这意味着物理地址空间有 256TB 这么大, 划给显存的 3MB 地址空间就显得微不足道.

因此, 内存映射 I/O 成为了现代计算机主流的 I/O 编址方式: RISC 架构只提供内存映射 I/O 的编址方式, 而 PCI-e, 网卡, x86 的 APIC 等主流设备, 都支持通过内存映射 I/O 来访问.

memset((void *)0x40000, 0, SCR_SIZE);

void fun() {
    volatile unsigned char *p = (void *)0x8048000;
    *p = 0;
    while(*p != 0xff);
    *p = 0x33;
    *p = 0x34;
    *p = 0x36;
}

加入 IOE

NEMU 框架代码已经提供了设备的一些代码, 位于 nemu/src/device. 代码模拟了以下模块:

• 两种 I/O 编址方式: 端口映射 I/O 和内存映射 I/O；
• 四种设备: 串口, 时钟, 键盘, VGA；

所有设备只实现了在 NEMU 中用到的功能, 下面我们对代码稍作解释:

• nemu/src/device/io/port-io.c 是对端口 I/O 的模拟. 其中 PIO_t 结构用于记录一个端口 I/O 映射的关系, 设备会初始化时会调用 add_pio_map() 函数来注册一个端口 I/O 映射关系, 返回该映射关系的 I/O 空间首地址. pio_read() 和 pio_write() 是面向 CPU 的端口 I/O 读写接口. 由于 NEMU 是单线程程序, 因此只能串行模拟整个计算机系统的工作, 每次进行 I/O 读写的时候, 才会调用设备提供的回调函数(callback), 更新设备的状态. 内存映射 I/O 的模拟和端口 I/O 的模拟比较相似, 只是内存映射 I/O 的读写并不是面向 CPU 的, 这一点会在下文进行说明.
• nemu/src/device/device.c 含有和 SDL 库相关的代码, NEMU 使用 SDL 库来模拟计算机的标准输入输出. init_device() 函数首先对以上四个设备进行初始化, 其中在初始化 VGA 时还会进行一些和 SDL 相关的初始化工作, 包括创建窗口, 设置显示模式等. 最后还会注册一个 100Hz 的定时器, 每隔 0.01 秒就会调用一次 device_update() 函数. device_update() 函数主要进行一些设备的模拟操作, 包括以 50Hz 的频率刷新屏幕, 以及检测是否有按键按下/释放. 需要说明的是, 代码中注册的定时器是虚拟定时器, 它只会在 NEMU 处于用户态的时候进行计时: 如果 NEMU 在 ui_mainloop() 中等待用户输入, 定时器将不会计时; 如果 NEMU 进行大量的输出, 定时器的计时将会变得缓慢. 因此除非你在进行调试, 否则尽量避免大量输出的情况, 从而影响定时器的工作.

另一方面, 我们需要在 AM 中实现相应的 API 为程序提供 IOE 的抽象 (在 nexus-am/am/arch/x86-nemu/src/ioe.c 中定义):

• _Screen _screen 结构体用于指示屏幕的大小.
• void _ioe_init() 进行IOE相关的初始化工作, 调用后程序才能正确使用以下 IOE 相关的 API.

以下函数将是你会在本节中需要实现的：

• unsigned long _uptime() 返回系统启动后经过的毫秒数.
• void _draw_rect(const uint32_t *pixels, int x, int y, int w, int h) 将 pixels 指定的矩形像素绘制到屏幕中, 范围为 (x, y) 和 (x+w, y+h) 两点连线作为对角线的矩形区域.
• void _draw_sync() 将之前的绘制内容同步到屏幕上 (在 NEMU 中绘制内容总是会同步到屏幕上, 因而无需实现此 API).
• int _read_key() 若有按键状态, 返回按键的键盘码; 若无按键状态, 则返回 _KEY_NONE.

串口

串口, 是采用串行通信方式的扩展接口, 这是一种最简单的输出设备. NEMU 框架代码模拟了串口的功能, 位于 nemu/src/device/serial.c. 代码简化了串口的大部分功能, 保留了数据寄存器和状态寄存器. 串口初始化时会注册 0x3F8 处长度为 8 个字节的端口作为其寄存器, 但代码中只模拟了其中的两个寄存器的功能. 由于 NEMU 串行模拟计算机系统的工作, 串口的状态寄存器可以一直处于空闲状态; 每当 CPU 往数据寄存器中写入数据时, 串口会将数据传送到主机的标准输出.

你会注意到之前提过的 _putc() 函数, 它就是通过串口输出的. 然而我们并未往 AM 中加入 IOE 却使用了它, 事实上, AM 把 _putc() 放在 TRM, 而不是 IOE 中. 你可能会觉得有些奇怪.

AM = TRM + IOE + ASYE + PTE + MPE

尽管计算理论中提出的最原始的 TRM 不具有输出的能力, 但输出对于一个现实的计算机系统来说, 是一个最基本的功能. 因此在 AM 中, _putc() 的加入让 TRM 具有输出字符的能力. 被扩充后的 TRM 更靠近一个实用的机器, 而不再是只会计算的数学模型.

nexus-am/am/arch/x86-nemu/src/trm.c 中已经提供了串口的功能. 为了让程序使用串口进行输出, 你还需要实现端口映射 I/O.

make run

时钟

有了时钟, 程序才可以提供时间相关的体验, 例如游戏的帧率, 程序运行的快慢等. nemu/src/device/timer.c模拟了i8253计时器的功能. 计时器的大部分功能都被简化, 只保留了"发起时钟中断"的功能(目前我们不会用到). 同时添加了一个自定义的RTC(Real Time Clock), 初始化时将会注册0x48处的端口作为RTC寄存器, CPU可以通过I/O指令访问这一寄存器, 获得当前时间(单位是ms).

make INPUT=TEST

键盘

键盘是最基本的输入设备. 一般键盘的工作方式如下: 当按下一个键的时候, 键盘将会发送该键的通码(make code); 当释放一个键的时候, 键盘将会发送该键的断码(break code). nemu/src/device/keyboard.c 模拟了 i8042 通用设备接口芯片的功能. 其大部分功能也被简化, 只保留了键盘接口. i8042 初始化时会注册 0x60 处的端口作为数据寄存器, 注册 0x64 处的端口作为状态寄存器. 每当用户敲下/释放按键时, 将会把相应的键盘码放入数据寄存器, 同时把状态寄存器的标志设置为 1, 表示有按键事件发生. CPU 可以通过端口 I/O 访问这些寄存器, 获得键盘码. 在 AM 中, 我们约定通码的值为 断码 + 0x8000.

VGA

VGA 可以用于显示颜色像素, 是最常用的输出设备. nemu/src/device/vga.c 模拟了 VGA 的功能. VGA 初始化时注册了从 0x40000 开始的一段用于映射到 video memory 的物理内存. 在 NEMU 中, video memory 是唯一使用内存映射 I/O 方式访问的 I/O 空间. 代码只模拟了 400x300x32 的图形模式, 一个像素占 32 个 bit 的存储空间, R(red), G(green), B(blue), A(alpha)各占 8 bit, 其中 VGA 不使用 alpha 的信息. 如果你对 VGA 编程感兴趣, 这里有一个名为 FreeVGA 的项目, 里面提供了很多 VGA 的相关资料.

mmio_id <- is_mmio(???);
if (mmio_id != -1) {
  调用 mmio_read/write(???);
  返回读到的映射内存数据(写映射内存则返回空即可);
}

冯诺依曼计算机系统

在 NEMU 和 AM 中都完整实现 IOE 后, 我们这台计算机系统终于像模像样, 可以进行一些有趣的操作了.

有兴趣的同学可以尝试在 NEMU 中运行 litenes (在 nexus-am/apps/litenes 目录下). 没错, 我们在 PA1 的开头给大家介绍的红白机模拟器, 现在也已经可以在 NEMU 中运行起来了!

事实上, 我们在不知不觉中已经实现了一个冯诺依曼计算机系统! 你已经在导论课上学习到, 冯诺依曼计算机系统由 5 个部件组成: 运算器, 控制器, 存储器, 输入设备和输出设备, 而你已经在 NEMU 中把它们都实现了. 再回过头来审视这一既简单又复杂的计算机系统: 说它简单, 它只不过在 TRM 的基础上添加了 IOE, 本质上还是"取指->译码->执行"的工作方式, 甚至只要具备一些数字电路的知识就可以理解构建计算机的可能性; 说它复杂, 它却已经足够强大来支撑这么多精彩纷呈的程序. 那些看似简单但又可以折射出无限可能的事物, 其中承载的美妙规律容易使人们为之陶醉, 为之折服. 计算机, 就是其中之一.

以上是 PA2.3 的所有内容，PA2 的所有内容也到此为止。第 2 阶段中你需要实现 PA2.2 和 PA2.3 的所有内容。