程序如何控制硬件？

Question

为了由cpu执行，程序必须加载到RAM中。程序只是一个处理器能够理解的一系列机器指令(如x86指令集)(因为它通过逻辑门物理地实现了它们的语义)。

我可以或多或少地理解本地指令(在cpu芯片组内执行的指令)是如何工作的，比如'ADD R1，R2，R3‘。甚至cpu是如何使用数据总线和地址总线通过northbridge芯片组与ram接口的，我也很清楚。

我所奋斗的是大局。

例如，如何将文件保存到硬盘中？假设主板使用SATA接口与HDD通信。这是否意味着这个SATA接口有一个指令集，cpu可以通过准备以正确格式编写的SATA指令来使用它？

这同样适用于PCI接口、AGP接口等等吗？

是否所有硬件通信基本上都是通过确定某个任务的标准接口并(由创建硬件芯片组的公司)与任何其他硬件组件都可以查询的指令集来实现的？

我对硬件和软件交互的理解正确吗？

Answer 1

差不多吧。它实际上比指令更一般。

这些细节中有很多是特定于体系结构的，所以我将继续对如何做到这一点进行高层次的总体概述。

CPU可以读写RAM而没有问题，对吗？您可以发出读取和写入任何内存地址的指令。因此，硬件制造商没有尝试扩展CPU来理解所有可能的硬件接口，而是简单地将地址空间(通常是RAM所在的部分)映射到硬件上。

例如，假设您想要将文件保存到硬盘驱动器。这是可能发生的一系列命令：

1. 硬盘驱动器控制器的命令寄存器是地址0xF00，该地址位于RAM之外，但CPU可以访问。
2. 将指令写入命令寄存器，指示我们要写入硬盘驱动器。
3. 可以想象，0xF 01上有一个地址寄存器，它告诉硬盘控制器在哪里保存数据。
4. 告诉硬盘控制器，我想写的数据在RAM中的某个地址，并启动写入顺序。

还有很多其他的方法可以想象，但重要的是，它只是使用CPU已经拥有的使用RAM的指令。

所有这些都可以由CPU完成，而无需在CPU端执行任何特殊指令，只需将其读写到地址即可。您可以想象这是扩展的，USB控制器的地址空间中有一个特殊的位置，其中包含一个USB设备列表，还有一个用于PCI设备列表的特殊位置，每个PCI设备都有几个寄存器，可以读写这些寄存器来指示他们进行操作。

从本质上说，设备驱动程序的作用是知道如何读取和写入这些特殊寄存器，设备可以接受什么样的命令等等。通常，就像许多显卡一样，这些寄存器所做的事情没有被公众记录下来，因此我们依赖于它们的驱动程序来正确地运行这些卡。