以系统观点理解总线、接口（端口）、适配器和控制器（REV#3）

以系统观点理解总线、接口（端口）、适配器和控制器(REV#3)

刘建文（ http://blog.youkuaiyun.com/keminlau ）

KEY:系统论 信息论 数据通信 总线是什么 接口是什么 控制器是什么

引子

相信研究底层的朋友都对总线、接口（端口）、适配器和控制器等概念不会陌生，而在掌握其它的基本定义往往已经可以作业。不过我喜欢抓住事物的本质，不满足对它们的常规定义，所以尝试把这些概念纳入[系统 ]及[系统做功 ]的大框架来理解。本文是初稿，有待完善……

系统做功

[系统 ]是客观事物相对的静态结构，是由各不相同但彼此影响的[组成元素 ]（元素本身也可以是系统）[有机 ]地集合起来实现某个[逻辑总目标 ]的一种组合。系统首先强调的是系统元素间的相互制约的结构，其次是系统与边界的交互。

大多数系统都拥有一些通用的性质，包括如下的：

• 系统都是有一定的结构，由组成部分和作用（processes）定义；
• 系统都是对实在（reality）的一般化（generalizations ）；
• 系统都有同样的表现作用的方式，作用过程包括物质和能量的输入与输出，由输入到输出，物质和能量会以某一种方式被改变或转换；
• 系统内部各部分都有功能依赖和结构制约关系；

因为系统不仅存以于静态的空间中，而且还存在于流动的时间中，被时间向前推动，不断地[做功 ]（无论是被动还是主动的）。[做功 ]是一种条件反射现象，过程有能量的单方向释放。有些观点认为，系统与系统边界有着物质、能量和信息的交换。我认为，第一，能量是始终存在于动态的时空中的，它是默认的，不必特指；第二，物质可泛化为信息的一种（通过定义[信息]为做功的[输入]）。所以系统与系统边界协作[做功]可以简化为只通过交换[信息]完成。也就是，[系统做功 ]指系统与外界交换信息的过程。

系统的[逻辑目标]就是系统的功能，系统功能放入时间中便是系统做功。

 

信息

物质、能量和信息是事物存在的三种最基本形式。在科学发展上，信息的存在形式是最晚被发现的。科学上对“信息”的一种定义是系统状态的定时抽样，也就是系统在一个特定时刻的状态或快照。信息本身是抽象的，我一般用消息具体化信息，但消息还不是物理的；所以还引入信号，信号则既是具体的，又是物理的。

信息、消息和信号

信息是人类社会和自然界中需要传送、交换、存储和提取的抽象内容。由于信息是抽象的内容，为了传送和交换它，首先必须用语言、文字、图像和数据将它表达出来。人们称表示信息的语言、文字、图像和数据等为消息。运载消息的光、声、电等物理量被称为信号，所以信号就是信息的一种物理体现。

• 物理上，信号是信息寄寓变化的形式；
• 数学上，信号是一个或多个变量的函数；
• 形态上，信号表现为一种波形；
• 自变量：时间，位移，周期，频率，幅值，相位等。

概括地讲，信息是抽象的；消息是具体的，但不是物理的；而信号则既是具体的，又是物理的。

系统与信息的一对一关系

我们知道总线携带三种信息，地址信息、控制信息和数据信息。总线设计的[逻辑目标]是为实现计算机主机与外界的数据交换，所以三种信息中的[数据信息]是初始的目标，但是为了实现自动化，主机内有很多子系统辅助完成这个任务。地址信息是地址译码器（系统）的输入，做功实现[数据信息]的目标选中，建立主机子系统与设备子系统信息交换通路；控制信息是控制器（系统）的输入，做功实现[数据信息]的交换方式选择和顺序流程序的执行等。可以以交通系统的例子来理解，交通系统的逻辑目标是实现[多路交通]，交通信号是控制信息，人或汽车[本身]是数据信息，人的大脑或汽车司机是控制器，“红灯停绿灯行”是控制信息。

系统、控制器与自动机

 

控制器是一种简单系统，也是一种有限状态自动机。自动机的状态转换规则就是系统的输入信息，比如汽车司机的“红灯停绿灯行”。

 

由此可见，第一，存在有不同粒度的系统及其做功所要相应信息种类，主机与数据信息、地址译码器与地址信息、控制器与控制信息。因此可得，系统与信息存在一对一的关系；

第二，信息可单方向进出系统，比如译码器及控制器；

第三，如果两系统距离较“远”可在进行信息交换前动态建立交换通路。

如果把计算机看成大的系统，那么总线、接口、端口、适配器和控制器都是这个大系统的组成部分，辅助计算机完成系统内外的做功。不过它们在[构建系统 ]的角色不完全一样。

• 从系统的角度看，由一组电子线路组成的[总线 ]不算是子系统，它只负责承载两端的子系统的信息交换，是信号的载体；
• 接口或者端口 也不是子系统，它们是两子系统边界[信息交换]的规格或约定方式，用通俗的理解就是，信息是什么样的；
• 适配器和控制器 有点特别，它们更多的时候是作为两异构系统的[信息翻译员]；它们是不是子系统要根据进出它的信息和做功情况。比如进出适配器的信息没有变化，或者只是量变，适配器是起信号延续的作用，那这样的适配器有如总线，不是子系统；如果进出适配器的信息发生[质变 ]，那么这种适配器是子系统，实现信息转换做功。由此进一步得出，系统与信息是一对多的关系，[信息与系统接口才是一对一的关系 ]。
• 控制器则可划归为适配器的一种，它把输入微观的电信号转换为宏观的物理信号。

一些常规定义

interface

(名) 界面, 分界面, 同做两体边界的表面; 使两个不同系统或程序互通的设备或程序 (计算机, 电子学用语)

interface

n. surface which is a common boundary between two bodies; equipment or programs which enable two different systems or programs to communicate (Computers, Electronics)

1. (chemistry) a surface forming a common boundary between two things (two objects or liquids or chemical phases)

4. (computer science) computer circuit consisting of the hardware and associated circuitry that links one device with another (especially a computer and a hard disk drive or other peripherals)

(synonym) port

<jargon> A boundary across which two systems communicate. An interface might be a hardware connector used to link to other devices, or it might be a convention used to allow communication between two software systems. Often there is some intermediate component between the two systems which connects their interfaces together. For example, two EIA-232 interfaces connected via a serial cable.

adapter

(名) 改编者; 接合器; 适配器; 接头; 扩充板, 接在主机板上使计算机可以用某个硬件或软件工作的电路板 (计算机用语)

Adapter

An adapter or adaptor is a device used to match the or electrical characteristics of two different things so that a connection may be made between them.

An adapter may be very simple, connecting one kind of plug to another kind of socket, but not changing what passes through. One example would be a garden hose, which normally has threads that screw on, but can be attached to an adapter which allows it to snap easily on and off of faucets, other hoses, or attachments. Likewise, a serial port may require an adapter to connect between the old DB-25 type and the later DE-9 type, which have 25 and 9 pins (respectively) but only 9 wires each.

2. device that enables something to be used in a way different from that for which it was intended or makes different pieces of apparatus compatible

port

(名) 港, 机场, 航空站, 货物和乘客的入口; 是港口的城市, 港市; 船或飞机的左边; 端口, 把外部装置连接到计算机的界面 (计算机用语); 从一个站台到另一个站台的程序传送 (计算机用语)

5. (computer science) computer circuit consisting of the hardware and associated circuitry that links one device with another (especially a computer and a hard disk drive or other peripherals)

port

1. <networking> A logical channel or channel endpoint in a communications system. The Transmission Control Protocol and User Datagram Protocol transport layer protocols used on Ethernet use port numbers to distinguish between (demultiplex) different logical channels on the same network interface on the same computer.

Each application program has a unique port number associated with it, defined in /etc/services or the Network Information Service "services" database. Some protocols, e.g. telnet and HTTP (which is actually a special form of telnet) have default ports specified as above but can use other ports as well.

Some port numbers are defined in RFC 1700, divided into well-known ports and registered ports.

 

controller

(名) 控制器, 主计员, 管理者; 管理某具体装置的硬件装置 (计算机用语)

controller

<hardware> Part of a computer, typically a separate circuit board, which allows the computer to use certain kinds of peripheral devices. A disk controller is used to connect hard disks and floppy disks, a network controller is used for Ethernet. Other controllers are: keyboard controller, interrupt controller and graphics controller

在控制论中，控制器（controller）是一依据传感器(sensor)信号，来调整发送至致动器(actuator)的输出信号，用以改变受控体(plant)状况的装置。举例来说，屋内的空调系统可用温度控制器，依据温度计测量的气温，以调整冷气机强度，以达到一个舒适的环境温度

参考

• http://pee.wzu.edu.cn/kc/xinhao/learn/netclass1.asp