MMIO

概述： Memory-Mapped I/O 是一种用于与硬件设备交互的技术。MMIO将设备的地址空间映射到系统的内存地址空间，操作系统通过读写内存来与这些设备进行通信。

传统的IO： 通过专门的IO指令（如in和out）访问设备。这些指令与CPU的内存访问指令不同，需要通过IO端口与硬件进行交互

工作流程：

1. 硬件地址映射：设备的寄存器和缓冲区在系统启动时会被映射到特定的内存地址区域。这个过程通常由硬件初始化程序或操作系统内核的启动代码完成
2. 设备寄存器访问：操作系统可以直接通过读写相应的内存地址来操作硬件。

MMU： 内存管理单元，复杂将设备寄存器的物理地址映射到主内存的虚拟地址，操作系统通常会提供该机制，从而实现对设备的读写操作

类型：

• 普通MMIO：这些设备的寄存器空间通常较小，可能只涉及一些特定的控制寄存器。它们在内存空间中的映射通常时直接的、线性的
• 扩展MMIO：这些设备的寄存器空间较大，可能涉及多种控制寄存器、数据缓冲区或其他内存区域。这些地址通常会位于更高的物理地址空间，以避免与普通内存发生冲突

优点：

• 高效性：MMIO通过内存总线与设备进行交互，避免了传统IO操作中频繁的IO端口访问，提高了数据交换的效率
• 简化访问：可以像访问内存一样访问设备，无需复杂的IO操作，降低了硬件操作的复杂性
• 灵活性：可以直接操作设备的控制寄存器

缺点：

• 地址冲突：设备寄存器通常会映射到特定的内存区域，避免与系统内存区域重叠
• 性能瓶颈：过度的MMIO访问可能会导致总线带宽瓶颈，尤其是在大量设备同时访问的情况下
• 硬件依赖性：不同硬件的MMIO地址范围和实现方式不同，操作系统需要提供特定的驱动程序来支持不同设备的访问

OS中MMIO的实现：

• 设备驱动程序：负责在OS中映射MMIO地址，并提供接口与硬件进行交互
• 地址映射：OS需要使用MMU来将设备寄存器地址映射到虚拟内存地址，通过内存映射文件或直接通过mmap系统调用实现
• 同步与缓存管理：由于MMIO涉及到硬件的直接空间，需要确保访问的同步性，避免CPU缓存与硬件之间的数据不一致