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I/O 中涉及的硬件组件

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I/O 中涉及的硬件组件

从 CPU 或其附带的芯片组（例如 Intel PCH）开始，将读/写转换为磁盘涉及哪些硬件组件，它们的作用是什么？

具体来说，我对以下角色感到困惑：

  1. 主控制器
  2. 设备控制器
  3. 主机总线适配器

据我所知：

  1. 主机控制器：主板上的电路。包括驱动程序与之交互的寄存器级接口。负责将来自其寄存器的请求转换为操作：直接读取/写入连接的设备。例如，USB。也可能包含 DMA 功能。

  2. 设备控制器：与主机控制器相同，但存在于外部设备上，例如 HDD 上的磁盘控制器。

  3. 主机总线适配器：将外部总线协议转换为内部协议。对软件透明。例如，想要读取/写入通过 SATA 或 Infiniband 连接的外部 HDD 磁盘控制器 HDD 上的寄存器的驱动程序。

那么，通过 USB 连接的外部键盘等设备将如何工作？在软件级别，驱动程序似乎仍在与特定寄存器通信；但是，有 2 个控制器在起作用。

答案1

主控制器，主机总线适配器甚至主机适配器只是同一事物的不同名称（参见维基百科）：连接主机（您的 PC）和设备（您的外部硬盘）之间的总线和主机的内部总线（PCIe）的硬件。

因此，对于通过 SATA 的硬盘：

<--------- PC --------->         <------ Harddisk ------>

PC south-      SATA host          SATA device       Device
bridge    ---- controller ....... controller   ---- SoC
           ^^               ^^                  ^^
        PCIe-Bus          SATA-Bus        Some kind of bus

主机控制器可以存在于主板上，也可以作为单独的卡。PC 可以读取/写入主机控制器的寄存器，或执行 DMA，主机控制器将这些转换为 SATA 总线上的操作（或将 SATA 总线上的操作转换为相应的寄存器值或 DMA 操作）。

从这个意义上讲，像“主机总线适配器”这样对软件透明的东西并不存在，尽管当然可以设计一些模拟另一个设备的设备（例如，USB 棒模拟硬盘，使用与硬盘相同的协议）。

对于通过 USB 连接的键盘，图片相同：

<--------- PC --------->         <------ Keyboard ------>

PC south-      USB host           USB device       Device
bridge    ---- controller ....... controller   ---- SoC
           ^^               ^^                  ^^
        PCIe-Bus          USB-Bus          Internal bus

虽然这里 USB 设备控制器将与键盘嵌入式控制器集成在单个芯片上，并且总线是内部的，打开键盘时不会看到它。

通常，软件堆栈比您描述的更复杂；在总线协议本身之上还有其他协议甚至协议栈，例如，在基本 USB 协议之上提到的“USB 存储”协议（类似于 SCSI），或在基本 USB 协议之上用于键盘的“USB HID”协议。

答案2

仅限此问题：

那么，通过 USB 连接的外部键盘等设备如何工作？

当设备插入时，Windows 会发出“请确认您的身份”命令，并且要求所有 USB 设备对其做出响应。

Windows 查询其内部数据库以查找驱动程序并配置设备。然后驱动程序接管责任。

即使是一个简单的 USB 键盘也会转储大量信息。注意：它有一个总线号，以及该总线上的设备号，用于识别它连接的位置。

然后它有一个唯一的 ID 号。前 4 位表示哪个制造商生产了该设备，后面是该制造商的唯一设备编号。

Bus 008 Device 003: ID 03f0:0024 Hewlett-Packard KU-0316 Keyboard
Device Descriptor:
  bLength                18
  bDescriptorType         1
  bcdUSB               1.10
  bDeviceClass            0
  bDeviceSubClass         0
  bDeviceProtocol         0
  bMaxPacketSize0         8
  idVendor           0x03f0 Hewlett-Packard
  idProduct          0x0024 KU-0316 Keyboard
  bcdDevice            3.00
  iManufacturer           1 CHICONY
  iProduct                2 HP Basic USB Keyboard
  iSerial                 0
  bNumConfigurations      1
  Configuration Descriptor:
    bLength                 9
    bDescriptorType         2
    wTotalLength           34
    bNumInterfaces          1
    bConfigurationValue     1
    iConfiguration          0
    bmAttributes         0xa0
      (Bus Powered)
      Remote Wakeup
    MaxPower              100mA
    Interface Descriptor:
      bLength                 9
      bDescriptorType         4
      bInterfaceNumber        0
      bAlternateSetting       0
      bNumEndpoints           1
      bInterfaceClass         3 Human Interface Device
      bInterfaceSubClass      1 Boot Interface Subclass
      bInterfaceProtocol      1 Keyboard
      iInterface              0
        HID Device Descriptor:
          bLength                 9
          bDescriptorType        33
          bcdHID               1.10
          bCountryCode            0 Not supported
          bNumDescriptors         1
          bDescriptorType        34 Report
          wDescriptorLength      65
         Report Descriptors:
           ** UNAVAILABLE **
      Endpoint Descriptor:
        bLength                 7
        bDescriptorType         5
        bEndpointAddress     0x81  EP 1 IN
        bmAttributes            3
          Transfer Type            Interrupt
          Synch Type               None
          Usage Type               Data
        wMaxPacketSize     0x0008  1x 8 bytes
        bInterval              10
Device Status:     0x0000
  (Bus Powered)

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