3、深入了解CPU：输入输出、性能、功耗及数据压缩设计

深入了解CPU：输入输出、性能、功耗及数据压缩设计

在计算机系统中，CPU的性能、输入输出机制、功耗管理等方面都对系统的整体运行有着至关重要的影响。同时，通过数据压缩的设计示例，我们可以更好地理解如何将理论应用于实际。

1. 输入输出机制

1.1 输入输出设备

输入输出设备通常包含模拟或非电子组件，如磁盘驱动器有旋转磁盘和模拟读写电子元件。CPU通过读写设备的寄存器与设备进行通信，这些寄存器主要包括：
- 数据寄存器 ：存储设备视为数据的值，如磁盘读写的数据。
- 状态寄存器 ：提供设备操作的信息，如当前事务是否完成。

以8251 UART为例，它是用于串行通信的经典设备。在传输或接收数据前，CPU需设置其模式寄存器以匹配数据线的特性，包括模式和波特率、每个字符的位数、奇偶校验、停止位长度等参数。其状态寄存器显示UART和传输的状态，如发送器就绪、接收器就绪、传输完成等。

1.2 输入输出原语

微处理器为输入输出提供两种编程支持方式：
- I/O指令 ：部分架构（如Intel x86）提供专门的输入输出指令，为I/O设备提供单独的地址空间。
- 内存映射I/O ：这是最常见的实现方式，为每个I/O设备的寄存器提供地址，程序使用CPU的正常读写指令与设备通信。

例如，在ARM上使用内存映射I/O时，可通过EQU伪操作定义I/O设备的内存位置符号名，然后使用标准代码进行读写操作：