端口映射I/O：计算机通信的快递柜原理

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文章摘要

端口映射I/O是计算机与外部设备（如键盘、打印机）通信的方式，通过为设备分配独立“端口号”（类似快递柜编号或电话分机号），CPU用专门指令（如IN/OUT）访问特定端口实现数据交换。与内存映射I/O不同，端口号独立于内存地址，避免混淆。其核心是“设备靠门牌号区分，CPU按号码通信”，流程简单高效。口诀总结：“设备通信靠门牌，端口编号来分开”。

一、什么是端口映射I/O？

端口映射I/O，也叫端口输入输出，是计算机和外部设备（比如键盘、鼠标、打印机等）之间通信的一种方式。
它的核心思想是：用“门牌号”来区分不同的设备，CPU通过“门牌号”来和设备打交道。

二、生活中的形象比喻

1. 小区快递柜的故事

想象你住在一个大小区，小区门口有一排快递柜，每个柜子都有一个编号（比如101、102、103……）。
快递员送快递时，会把不同的包裹放进不同编号的柜子里。你要取快递时，只需要输入柜子的编号，柜门就会打开，你就能拿到自己的包裹。

快递柜编号 = 端口号
快递员/你 = CPU
包裹 = 数据
快递柜 = 外部设备

你只需要知道柜子的编号（端口号），就能和不同的柜子（设备）打交道。

2. 电话分机号

公司有总机，下面有很多分机，每个分机有自己的号码。
你要找某个同事，只需要拨打他的分机号，电话就会接到他那里。

分机号 = 端口号
同事 = 外部设备
你 = CPU

你通过分机号（端口号）和不同的同事（设备）通信。

三、端口映射I/O的工作原理

每个设备有自己的端口号
比如，键盘是端口号0x60，打印机是0x378。
CPU通过端口号和设备通信
- 想读键盘数据，CPU就“访问”0x60端口。
- 想给打印机发数据，CPU就“写”到0x378端口。
端口和内存地址分开
- 端口号就像快递柜的编号，和你家门牌号（内存地址）不一样。
- 这样不会混淆，数据不会送错地方。
专门的指令
- CPU有专门的指令（比如x86的IN、OUT），用来读写端口。

四、和“内存映射I/O”的区别

端口映射I/O：
设备有独立的“门牌号”（端口号），和内存地址分开。
内存映射I/O：
设备直接用一段内存地址，CPU像访问内存一样访问设备。

比喻：

端口映射I/O：快递柜有独立编号，和你家门牌号不冲突。
内存映射I/O：快递直接送到你家门口（用你家的门牌号）。

五、口诀总结

设备通信靠门牌，
端口编号来分开；
CPU找谁看号码，
数据收发不混淆！

六、简要流程图

CPU想和设备通信
查设备的端口号
用IN/OUT指令访问端口
设备收到数据或返回数据

下面我用x86汇编为例，给你展示端口I/O的具体指令和操作，并配上形象解释。

一、x86汇编中的端口I/O指令

x86体系结构中，最常用的端口I/O指令是：

IN：从端口读数据到CPU
OUT：从CPU写数据到端口

指令格式

IN AL, DX：从端口号为DX的端口读取一个字节到AL寄存器
OUT DX, AL：把AL寄存器里的一个字节写到端口号为DX的端口

二、具体例子

例1：从键盘端口读取数据

假设键盘的端口号是0x60（十六进制），我们要读取一个字节的数据：

mov dx, 0x60    ; 把端口号0x60放到DX寄存器
in  al, dx      ; 从端口0x60读取一个字节到AL寄存器

形象解释：
就像你拿着钥匙（端口号0x60），打开快递柜（键盘），取出里面的包裹（数据），放到你的口袋（AL寄存器）里。

例2：向打印机端口发送数据

假设打印机的端口号是0x378，我们要发送一个字节的数据：

mov dx, 0x378   ; 把端口号0x378放到DX寄存器
mov al, 'A'     ; 把字符'A'放到AL寄存器
out dx, al      ; 把AL里的数据写到端口0x378

形象解释：
你把要打印的内容（‘A’）装进包裹（AL），走到快递柜0x378（打印机），把包裹放进去（写数据）。

例3：直接用端口号（常数）

有时候端口号很小，可以直接写在指令里：

in  al, 0x60    ; 直接从端口0x60读数据到AL
out 0x378, al   ; 直接把AL的数据写到端口0x378

三、常见端口号举例

设备	端口号（十六进制）
键盘数据端口	0x60
打印机端口	0x378
串口COM1	0x3F8
串口COM2	0x2F8

四、注意事项

端口I/O只能用专门的指令（IN/OUT），不能用普通的内存读写指令。
端口号范围通常是0~65535（16位），但大多数设备只用低的几千个端口号。
只有特权级高的程序（比如操作系统内核、驱动）才能直接操作端口。

五、口诀总结

端口通信用IN/OUT，
DX寄存器记门号；
AL寄存器装数据，
设备收发全靠它！