5、CPU输入输出机制与中断原理详解

CPU输入输出机制与中断原理详解

1. 引言

在计算机系统中，CPU的诸多方面并非直接与指令集相关。像中断和内存管理等机制，对于CPU与其他系统元素的交互至关重要。同时，除了功能方面，CPU的性能和功耗也是程序的重要属性，它们与程序所使用的指令仅存在间接关联。

2. 输入输出编程基础

2.1 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。但与CPU紧密相连的设备数字逻辑，和常见计算机系统中的逻辑非常相似。

CPU与设备内部（如磁盘驱动器的旋转磁盘和读写电子元件）通过一组寄存器进行交互。设备一般有以下几种寄存器：
- 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 ：提供设备操作信息，如当前事务是否完成。

部分寄存器可能是只读的，如指示设备完成状态的状态寄存器；其他寄存器则可读可写。

以8251 UART（通用异步接收器/发送器）为例，它是用于串行通信的经典设备，如今其功能通常被更大的芯片集成，但仍使用8251定义的基本编程接口。UART可对多种传输和接收参数进行编程，传输的基本格式为每个字符以起始位（0）开始，以停止位（1）结束。数据位以统一速率作为高低电压发送，该速率称为波特率，1位的周期是波特率的倒数。

在传输或接收数据前，CPU需设置UART的模式寄存器以匹配数据线特性，相关参数如下表所示：
| 参数 | 取值及含义 |
| — | — |
| mode[1:0] | 00