为什么我们需要内存映射IO？
Why do we need memory mapped IO?
为什么我们需要内存映射IO？根据我在 CS class 中学到的知识，MMIO 抽象出控制设备的具体指令。但是，如果设备的控制寄存器（以及地址 space 部分中的每个存储单元）取决于设备的品牌和型号，那么在抽象方面获得了什么？
从根本上说，要使 CPU 能够执行 IO，它需要一种向设备读取和写入数据的方法。有很多方法可以做到这一点，例如像 x86 上的 IN/OUT 这样的专用 CPU 指令。 MMIO 是另一种已证明在简化硬件设计方面很受欢迎的解决方案。
在典型的 CPU 上，所有内核都将连接到公共总线，该总线允许内核 read/write 连接到主内存和共享缓存。然而，总线对于数据的来源、目的地和内容是不可知的。因此，总线上的传输可以到达不同的内存控制器、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，并且最终可以通过与 RAM 相同的机制访问这些设备。这具有一些优势：
- IO 硬件现在可以直接从 RAM 或其他 IO 设备中检索数据，而无需内核参与掌握周期
- CPU 缓存硬件可以侦听 IO 生成的事务以保持缓存一致
- 当数据在总线上移动时，CPU 可以执行有用的工作，而不是内核等待每个 load/store 完成。
- IO
的CPU不需要支持特殊指令
这些优势中的大部分在软件中都被掩盖了，因此我认为 MMIO 有利于硬件设计者。
每个设备都有某种内部寄存器，软件（设备驱动程序）使用这些寄存器来控制设备的状态、要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 - 通过将这些寄存器映射到 CPU 的物理地址 space（与映射内存的方式相同进入 CPU 的物理地址 space);并通过提供专用机制（例如 80x86 上的 IO 端口）。
了解advantages/disadvantages；最好考虑 CPU/s 和内存之间通信的性质。这种沟通需要非常快，因为一切都取决于它；并且（对于电子设备）"fast" 往往意味着简单，总线长度较短（由于电容和电阻等原因）并且负载最少（因为每个负载都会增加驱动总线所需的电流，这意味着更大的晶体管处理更高的电流，这意味着晶体管切换需要更多的时间）。当然，还有一些技巧可以使它更快，从缓存（可能还有缓存一致性）开始，预取和推测执行可以让 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），一切看起来都不错；因为你会在高速内存总线和所有（慢得多的）东西之间分离。
如果我们在性能最关键的数据路径（CPU 和 RAM 之间）的中间弄得一团糟，这样软件（设备驱动程序）就可以使用内存访问设备的内部寄存器会怎样？映射 IO 代替？哦男孩...
一开始，您将研究缓存的一些主要复杂性（至少，某种方式可以说 "these area/s should be cached, and those area/s shouldn't be cached" 具有确定哪些访问 are/aren 未缓存的所有逻辑，及其增加的延迟）；加上 CPU 本身的更多主要并发症（can/should 它尝试预取？Can/should 它推测性地执行了一个 read/write？加上更慢（负载更多时更长）and/or 处理更昂贵的总线 "who knows what device/s might get plugged in"，可能会有一些额外的痛苦（等待状态等）来处理比内存慢得多的设备。这听起来像是一个非常糟糕的主意。
然而，事实证明很多设备都可以从直接访问内存总线中受益（使用总线 mastering/DMA 直接在设备和 RAM 之间传输数据；而不是内存映射 IO (
如果您查看历史记录（至少对于 80x86）；您会发现从 "simple, primarily using IO ports" 逐渐转变为 "extremely complex, primarily using memory mapped IO"。
Why do we need memory mapped IO?
不，这不是绝对必要的（但如果您愿意接受 performance/complexity 后果，那就更好了）。
为什么我们需要内存映射IO？根据我在 CS class 中学到的知识，MMIO 抽象出控制设备的具体指令。但是，如果设备的控制寄存器（以及地址 space 部分中的每个存储单元）取决于设备的品牌和型号，那么在抽象方面获得了什么？
从根本上说，要使 CPU 能够执行 IO，它需要一种向设备读取和写入数据的方法。有很多方法可以做到这一点，例如像 x86 上的 IN/OUT 这样的专用 CPU 指令。 MMIO 是另一种已证明在简化硬件设计方面很受欢迎的解决方案。
在典型的 CPU 上，所有内核都将连接到公共总线，该总线允许内核 read/write 连接到主内存和共享缓存。然而，总线对于数据的来源、目的地和内容是不可知的。因此，总线上的传输可以到达不同的内存控制器、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，并且最终可以通过与 RAM 相同的机制访问这些设备。这具有一些优势：
- IO 硬件现在可以直接从 RAM 或其他 IO 设备中检索数据，而无需内核参与掌握周期
- CPU 缓存硬件可以侦听 IO 生成的事务以保持缓存一致
- 当数据在总线上移动时，CPU 可以执行有用的工作，而不是内核等待每个 load/store 完成。
- IO 的CPU不需要支持特殊指令
这些优势中的大部分在软件中都被掩盖了，因此我认为 MMIO 有利于硬件设计者。
每个设备都有某种内部寄存器，软件（设备驱动程序）使用这些寄存器来控制设备的状态、要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 - 通过将这些寄存器映射到 CPU 的物理地址 space（与映射内存的方式相同进入 CPU 的物理地址 space);并通过提供专用机制（例如 80x86 上的 IO 端口）。
了解advantages/disadvantages；最好考虑 CPU/s 和内存之间通信的性质。这种沟通需要非常快，因为一切都取决于它；并且（对于电子设备）"fast" 往往意味着简单，总线长度较短（由于电容和电阻等原因）并且负载最少（因为每个负载都会增加驱动总线所需的电流，这意味着更大的晶体管处理更高的电流，这意味着晶体管切换需要更多的时间）。当然，还有一些技巧可以使它更快，从缓存（可能还有缓存一致性）开始，预取和推测执行可以让 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），一切看起来都不错；因为你会在高速内存总线和所有（慢得多的）东西之间分离。
如果我们在性能最关键的数据路径（CPU 和 RAM 之间）的中间弄得一团糟，这样软件（设备驱动程序）就可以使用内存访问设备的内部寄存器会怎样？映射 IO 代替？哦男孩...
一开始，您将研究缓存的一些主要复杂性（至少，某种方式可以说 "these area/s should be cached, and those area/s shouldn't be cached" 具有确定哪些访问 are/aren 未缓存的所有逻辑，及其增加的延迟）；加上 CPU 本身的更多主要并发症（can/should 它尝试预取？Can/should 它推测性地执行了一个 read/write？加上更慢（负载更多时更长）and/or 处理更昂贵的总线 "who knows what device/s might get plugged in"，可能会有一些额外的痛苦（等待状态等）来处理比内存慢得多的设备。这听起来像是一个非常糟糕的主意。
然而，事实证明很多设备都可以从直接访问内存总线中受益（使用总线 mastering/DMA 直接在设备和 RAM 之间传输数据；而不是内存映射 IO (
如果您查看历史记录（至少对于 80x86）；您会发现从 "simple, primarily using IO ports" 逐渐转变为 "extremely complex, primarily using memory mapped IO"。
Why do we need memory mapped IO?
不，这不是绝对必要的（但如果您愿意接受 performance/complexity 后果，那就更好了）。