Memory 为什么我们需要内存映射IO？

为什么我们需要内存映射IO？根据我在CS课上学到的内容，MMIO抽象出控制设备的特定指令。但是，如果设备的控制寄存器（以及地址空间中的每个存储单元）取决于设备的品牌和型号，那么从抽象的角度来说，可以得到什么？

基本上，CPU要能够执行IO，就需要一种向设备读写数据的方法。有很多方法可以做到这一点，例如x86上的专用CPU指令，如IN/OUT。MMIO是另一个在简化硬件设计方面广受欢迎的解决方案

在一个典型的CPU上，内核将全部连接到一个公共总线，该总线允许内核读/写主内存，可能还有共享缓存。然而，总线对于数据的来源、目的地和内容是不可知的。因此，总线上的传输可以传输到不同的内存控制器、不同的内核、缓存等。因此，硬件设计人员可以简单地将IO设备连接到该总线，并通过与RAM相同的机制访问这些设备。这有一些好处：

• IO硬件现在可以直接从RAM或其他IO设备检索数据，而无需涉及内核
• CPU缓存硬件可以窥探IO生成的事务，以保持缓存的一致性
• 当数据在总线上移动时，CPU可以执行有用的工作，而不是核心等待每个加载/存储完成
• CPU不需要支持IO的特殊指令

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这些优点中的大多数都被软件所掩盖，因此我认为MMIO对硬件设计者有利

每个设备都有一些内部寄存器，软件（设备驱动程序）使用这些寄存器来控制设备的状态、请求设备执行操作以及确定状态

软件（设备驱动程序）可以通过两种主要方式访问设备的内部寄存器——将这些寄存器映射到CPU物理地址空间（与内存映射到CPU物理地址空间的方式相同）；并通过提供专用机制（例如80x86上的IO端口）

了解优点/缺点；最好考虑一下CPU/s和内存之间通信的性质。这种交流需要非常快，因为一切都取决于它；（对于电子产品而言）“快”往往意味着简单，总线长度短（由于电容和电阻等原因），负载最少（因为每个负载都增加了驱动总线所需的电流，这意味着更大的晶体管处理更大的电流，这意味着晶体管切换所需的时间更长）。当然，还有一些技巧可以让它更快，从缓存（可能还有缓存一致性）开始，预取和推测性执行，以使CPU在等待数据时保持忙碌

通过提供专用机制（例如80x86上的IO端口），一切看起来都很好；因为在高速内存总线和所有（慢得多的）东西之间会有分离

如果我们在最关键的数据路径中间（CPU和RAM之间）敲击一个很大的混乱，那么软件（设备驱动）可以使用内存映射IO来访问设备的内部寄存器？哦，孩子

首先，您将看到缓存的一些主要复杂性（至少，可以说“应该缓存这些区域，而不应该缓存这些区域”，并使用所有逻辑来确定哪些访问是缓存的，哪些访问不是缓存的，以及增加的延迟）；加上CPU本身更大的复杂性（是否可以/是否应该尝试预取？是否可以/是否应该推测地执行读/写操作？）；再加上处理“谁知道哪些设备可能会被插入”的速度较慢（负载越长）和/或成本更高的总线，可能会带来一些额外的痛苦（等待状态等），以处理比内存慢得多的设备。这听起来是个非常糟糕的主意

然而，事实证明，许多设备可以从直接访问内存总线（使用总线主控/DMA在设备和RAM之间直接传输数据；而不是内存映射IO）中获益，因此您最终还是希望使用较慢的总线，你最终也会想要处理所有其他的复杂问题

如果您查看历史记录（至少对于80x86）；您会发现，从“简单，主要使用IO端口”逐渐转变为“极其复杂，主要使用内存映射IO”

为什么我们需要内存映射IO

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不，这不是一个严格的必要条件（但如果你愿意接受性能/复杂性的后果，那就更好了）。

你有什么建议作为替代方案？当前CPU还可以如何访问I/O设备？好的，有些架构有一个单独的I/O映射，具有不同的时间和指令，但是映射是通过索引（即“地址”）访问的。