Адресное пространство системы ввода/вывода, вымысел или реальность?

Question

[speckolya]

Простите за каламбур, но иначе вопрос звучал бы очень длинно :)
Если администрация расценит заголовок вопроса как несоответствующий, с удовольствием перепишу его.
Естественно, не вымысел. Просто почитав книгу о организации эвм, в которой содержалась следующая вырезка:

При совмещении адресного пространства для адресации модулей ввода/вывода отводится определенная область адресов (рис. 8.2). Обычно все операции с модулем ввода/вывода осуществляются с использованием входящих в него внутренних
регистров: управления, состояния, данных. Фактически процедура ввода/вывода
сводится к записи информации в одни регистры МВВ и считыванию ее из других
регистров. Это позволяет рассматривать регистры МВВ как ячейки основной па-
мяти и работать с ними с помощью обычных команд обращения к памяти, при этом
в системе команд ВМ вообще могут отсутствовать специальные команды ввода и
вывода. Так, модификацию регистров МВВ можно производить непосредственно
с помощью арифметических и логических команд. Адреса регистрам МВВ назна-
чаются в области адресного пространства памяти, отведенной под систему ввода/
вывода.

Рисунок 8.2
Вопрос заключается в следующем.. На рисунке изображено адресное пространство чего? Системы ввода/вывода или оперативной памяти? Или и того и того?
При совмещении адресного пространства куда записываются адреса Периферийных устройств, в оперативную память или регистры ввода вывода?
Напомню, что рассматривается именно совмещенное адресное пространство.

Answer 1

[Алексей Черемисин]

Все сильно зависит от арзитектуры :-)
Но сейчас принято например так. Представьте ваше адресное пространство как 0x00000000 - 0x40000000 - оперативная память, 0xf0000000 - 0xfc00000 регистры устройств. Запись/чтение по адресам 0xfXXXXXXX и будет обращением к регистрам устройств.
Это когда у нас нет мапинга памяти через специалное устройство типа MMU, которое перераспределяет память и защищает её, обычно программируется операционной системой для ограничения доступа из программы пользователя к разным типам памяти.

Comments

[speckolya]

Так.. То есть адреса регистров находятся в оперативной памяти? И обращение к устройствам происходит через ОП? Честно говоря, я, пожалуй, еще больше запутался :)
Могли бы вы прокомментировать то изображение? Что там называется адресным пространством? Что называется ячейкой? (имеется ввиду, ячейка памяти ОП или регистра Системы ввода/вывода)
Что такое регистры модуля ввода/вывода, вполне понятно, хотя не ясно, что там хранится. команды для обращения к периферийным устройствам?

[VySh]

speckolya: Если объяснять на пальцах, то когда мы делаем на ассемблере load [адрес], то внутри процессора некий маршрутизатор по адресу определяет куда нужно отправить запрос за данными - в ОЗУ или в регистры. С точки зрения программы load из ОЗУ и из регистров отличается только адресом. Т.е. физически ОЗУ и регистры IO это разные сущности, но логичски их адреса лежат в общем пространстве адресов.

[Алексей Черемисин]

Адреса регистров процессора находятся в процессоре, доступны ТОЛЬКО через соответствующие команды ассамблера. Адреса устройств ввода-вывода находятся не в оперативной памяти, а в общем адресном пространстве. В общем адресном пространстве у вас есть и память и адреса В/В.
Регистры модуля В/В сильно зависят от самого модуля. Если например это у нас ethernet-адаптер, то там будут регистры управления этим адаптером... Установка прерываний, буферы, скорость линка и .тд.
Изображение комментируется просто, представьте 32-х битную архитектуру, если вы пишете-читаете из младших адресов, попадаете в оперативную память, по старшим адресам - регистры устройств, которые у вас на материнке.

[speckolya]

Алексей Черемисин: Все же сложно. Думаю все из за того, что книжку приходится читать не с самого начала, а с середины. Но по крайней мере верное направление вы мне задали, и какое-то представление об организации СВВ уже есть, спасибо :)

[Алексей Черемисин]

speckolya: Для большего понимания. У вас есть процессор (CPU), у него есть куча ассемблерных команд + регистры в которых можно хранить данные. Сам CPU может работать только со своими регистрами и выполнять свои команды ассемблера. Среди этих команд есть команды чтения/записи по адресной шине (32-бита или 64-бита).
Далее, к CPU через адресную шину подключена периферия и оперативная память.

Адресная шина - хитрая штука, у нее две ипостаси. 1) адрес и 2) данные.
По одним проводам передается адрес, по другим - передаются данные (это в простом случае, его и будем рассматривать).
Так вом, CPU установил на адресной шине некий адрес. и пытается читать/писать данные.
С другой стороны, все кто подключен к этой шине смотрят, совпадает ли адрес на шине с самим устройством, и если совпадает, то устройство принимает/отдает данные.

PS. В жизни конечно же немного сложнее, и шины бывают разные, как и способы передачи адреса и данных. Но принцип у всех один - выставил на шину адрес, читаем-пишем. А уж это блок оперативной памяти или блок памяти ethernet, не важно. Кто откликнулся на выставленный адрес, того и тапки.

[speckolya]

Алексей Черемисин: Вот оно что.... Теперь я понял. Нужно будет найти время прочитать книгу с самого начала. Спасибо, что терпеливо мне все объяснили :)

[speckolya]

Алексей Черемисин: Вообще.. Есть еще кое что. Если вам надоело отвечать на мои вопросы, просто проигнорируйте, я все пойму :)

Фактически процедура ввода/вывода
сводится к записи информации в одни регистры МВВ и считыванию ее из других
регистров.

Что понимается под этой фразой? Почему так происходит?

[Алексей Черемисин]

speckolya: О! Вы входите в зону боли :-) Иногда попадаются архитектуры и устройства, где некоторые регистры недоступны например по чтению или записи! Но, очень надеюсь, что вы с этим никогда, никогда не столкнетесь! Это делалось на "заре компьютерной техники", так экономили на памяти/регистрах, разводке чипов, платах.
Другими словами, по какому-то адресу мы можем записать, а вот читать по этому же адресу будем совсем другое. Но, слава бгу, это обычно описывается в документации, да и экономить таким образом перестали.

[speckolya]

Алексей Черемисин: Хмм.. Просто книга 2011 года. А там это упоминается в таком ключе, будто, это стандартная архитектура.
В общем понял. Не буду вдаваться в подробности)

[Алексей Черемисин]

speckolya: Ну как типичный пример - UART 16550 (COM port). Смотрите на колонки Base Address и I/O Access. Адрес один, а регистры разные.

[speckolya]

Алексей Черемисин: По таблице становится все сразу ясно. Хотя неясны преимущества такой организации.
Вообще, чтобы избежать дальнейших поползновений на форумы, хочется узнать подробно об устройстве компьютера, архитектуре, организации памяти и цп, практически до уровня микросхем. Чтобы иметь четкое представление о том как ВМ функционирует. В области CS такие знания были бы очень полезны. Могли бы вы посоветовать хорошую литературу? Так как вы в этой области разбираетесь, наверняка знаете, какую книгу стоит прочитать, а какую стоило бы избегать.
P.S. в данный момент читаю С.А. Орлов "Организация ЭВМ и систем"

[Алексей Черемисин]

Как ни странно, посоветую всего две книжки - Дональд Кнут "Исскуство программирования", и www.tldp.org/LDP/tlk/tlk-toc.html - не думайте, что оно под линукс!

[speckolya]

Алексей Черемисин: О, Кнут есть в бумажном варианте, тоже с недавнего времени изучаю. Всегда думал, что книга только об алгоритмах.
А вот со вторым источником, придется подучить английский :)
Спасибо, вы мне очень помогли :)