处理器如何与串行设备通信？

Question

外部电路是否将来自串行设备的信息放入ram中的已知位置以供处理器读取？如果是这样的话，是怎么做的？涉及哪些电路和芯片？

来自串行设备的数据会触发处理器中断吗？如果是这样的话，是怎么做的？再说一次，涉及到哪些电路和芯片？

例如，我看过ICL3221CAZ-T这样的芯片，它似乎给了我两个针脚来连接我的串行设备，还有两个针脚用于内部通信。这些似乎被称为"TTL/CMOS兼容发送器输入“。使用一个简单的Intel8086处理器，我如何让这些东西说话呢？

这一切是如何与标准c库输入流联系起来的呢？

Answer 1

使用简单的Intel8086处理器的

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首先介绍一些背景信息：

原则上，简单的8位CPU (如6502或6800)通过将“数据总线”的8条线设置为代表数字0x12的组合，并将“地址总线”的16条线设置为代表数字0x3456的组合，将值0x12写入地址0x3456。然后CPU在“写”线上输出一个电压脉冲。当RAM接收到此脉冲时，它将值0x12写入地址0x3456。

从RAM读取的工作原理类似: CPU只设置“地址总线”的导线，并在“读取”导线上产生一个脉冲。然后RAM将“数据总线”的8条线设置为代表存储在地址0x3456中的值的组合。

当然，您也可以将不同的IC连接到CPU，因此，地址0到0x3FFF可能是RAM，地址0x4000到0x40FF可能是串行设备。

ARM CPU(就像你在许多手机或Raspberry Pi上发现的那样)仍然以这种方式工作。

请注意，8086并不像你想象的那么简单:它比6800或6502要复杂得多！

x86 CPU有一个特殊的地址范围，称为"I/O端口“。从软件的角度来看，访问此地址范围的方式与访问RAM中的地址的方式不同。然而，从硬件的角度来看，这只是一个不同的地址范围，访问此地址的工作方式就像访问RAM中的地址一样。

涉及哪些电路和芯片？

首先，你有一个“芯片选择”逻辑。该逻辑由简单的门(如AND或NOR门)和更复杂的逻辑IC(如74LS138)组成。此逻辑的工作是生成基于地址“选择”某个芯片的信号。

示例:如果地址在0到0x3FFF范围内，则逻辑将控制RAM的导线设置为“低”；否则将此导线设置为“高”。如果导线是“高”的，RAM就知道数据传输是为另一个芯片准备的。

对于串行数据传输，使用UART IC (如8250)。这样的IC通常覆盖具有多个地址的地址范围。通过将值写入某些地址，您可以控制IC (例如波特率)。通过将值写入某个地址，您可以发送数据。

这些芯片已经生成并接收串行信号。

不幸的是，这些IC使用0V作为"0“，使用5V作为"1”，而RS-232标准使用-9V作为"1“，+9V作为"0”。

使用“收发器”(如ICL3221CAZ-T)将0V/5V串行信号转换为+9V/-9V串行信号。

在现代计算机中，有更大的芯片(例如“南桥”)，它包含了早期计算机中许多芯片的功能。

来自串行设备的数据会触发处理器中断吗？如果是这样的话，是怎么做的？

这取决于UART芯片的类型以及它连接到CPU的方式。

在8086PC中，UART芯片会将“中断”输出设置为一定的电压。这是由“可编程中断控制器”(如8259)识别的。然后，该芯片将向8086CPU发送一些信号；这些信号包含哪个中断(串行IC之一)已被触发的信息。

这一切是如何与标准的c库输入流联系起来的？

这取决于您的计算机是如何构建的。如果您有一些不使用"I/O端口“地址范围的计算机，您可以通过直接写入某个地址来访问UART芯片。示例：

*(unsigned short *)0x4003 = 0x13;

这就是当今许多微控制器的情况。它也是老式、非x86兼容计算机的标准配置。

如果您有一台PC，则使用需要特殊指令的"I/O端口“地址范围来访问UART。许多MS-DOS编译器的C库以及Linux内核的库都有这样的指令。它们不是“标准C”函数，但它们是特定于操作系统的。

Windows编译器没有这些说明，因为Windows使用的保护机制不允许程序访问"I/O端口“地址范围。

如果你想写一个操作系统并且你想访问UART，你可能不得不使用汇编程序。