内存映射 IO - IO 设备如何知道值已更改？

Posted 2023-02-22

【中文标题】内存映射 IO - IO 设备如何知道值已更改？

【英文标题】：Memory mapped IO - how does IO device know value has changed?

【发布时间】：2018-03-26 20:50:28

【问题描述】：

IO 设备如何知道与它相关的内存中的值在memory mapped IO 中发生了变化？

例如，假设内存地址 0 专门用于保存 VGA 设备的背景颜色。 VGA 设备如何知道我们何时更改 memory[0] 中的值？ VGA 设备是否不断轮询内存位置？或者 CPU 是否会在更改值时以某种方式通知设备（如果是，如何通知？）？

一个示例架构是 MIPS。鉴于MIPS instruction set 没有in 或out 指令，我不明白它如何与示例中的VGA 设备进行通信（更改时）。另一个例子是 ARM 架构。

【参考方案1】：

在内存映射 I/O 中，对设备的内存区域执行内存读/写将导致 CPU 与设备执行事务以获取/存储该值 - 直接通过 CPU 的内存总线，或者通过辅助总线（例如 ARM 系统上的 AHB/APB）。这个内存事务直接通知设备一个值正在改变；无需单独通知。

您假设内存映射 I/O 由普通 RAM 映射。 事实并非如此。事实上，这些设备的行为方式可能与真实内存完全不同！例如，典型的 UART 或 SPI 设备实现可能具有单个数据寄存器，可以写入该寄存器以传输数据，或读取该寄存器以检索接收到的数据。同样，中断寄存器具有“读取时清除”或“写入 1 以清除”语义的情况并不少见。

值得一提的是：在实践中，许多帧缓冲图形实现确实表现得与普通内存一样。不同之处在于内存存储在双端口 RAM（或时分复用总线）中，视频 RAMDAC 不断读取该内存以将其内容传输到连接的显示器。

【参考方案2】：

指定为内存映射 I/O (MMIO) 的物理地址空间区域未映射到主内存（系统内存）；它被映射到作为 I/O 设备物理一部分的 I/O 寄存器。

为了确定如何处理内存访问（读或写），处理器首先检查目标内存地址所属区域的类型。在任何 MIPS 处理器中，至少有两种类型：Uncached 和 Cached。 MMIO 区域始终未缓存。 Uncached 内存访问请求直接发送到主内存控制器，而不检查或影响任何缓存。但是，I/O Uncached 内存访问请求被发送到 I/O 控制器，最终该请求将到达目标 I/O 设备。

现在，CPU 和 I/O 设备如何相互通信完全由 I/O 设备本身指定。因此，I/O 设备将有一个规范，讨论有多少个 I/O 寄存器以及应该如何使用它们。 I/O 寄存器可用于保存状态标志、控制标志、要由 CPU 读取或写入的数据，或它们的某种组合。请注意，由于 I/O 寄存器在物理上是 I/O 设备的一部分，因此可以设计 I/O 设备，以便它可以检测到其任何寄存器何时被读取或写入，并在以下情况下采取相应的行动必填。

I/O 设备可以向 CPU 发送中断，以通知它某些数据可用，或者它可能出于任何原因需要注意。 CPU 还可以通过检查一些状态标志来频繁地轮询 I/O 设备，然后采取相应的措施。

【讨论】：

相关：superuser.com/questions/1226197/x86-address-space-controller 对现代 x86 系统如何在 DRAM 和 MMIO 之间分类加载/存储地址进行了一些高级描述，并且使用集成的北桥/内存控制器，该逻辑是正确的CPU，以及来自 TLB 条目的不可缓存/回写/直写/不可缓存与写入组合的内存属性。

@PeterCordes 显然，英特尔处理器中所谓的“系统代理”在 MIPS Technologies 处理器中称为“系统接口”。我在 MIPS 架构规范文档中读到，在使用 TLB 进行地址转换期间，CPU 可以确定内存访问的类型（未缓存或缓存）。我认为当它未缓存时，它会直接发送到系统接口，系统接口将检查它是 I/O 还是内存请求。当我写这个答案时，我不确定 MIPS 处理器中的“系统代理”是什么，我懒得去检查。

在每个 TLB 条目中使用一个位来记住该页面是否可缓存是有意义的；否则你必须稍后在其他地方查找它。我猜想如果 x86 MTRR 可以覆盖 PTE 中的页面属性，它们会被页面遍历器检查。并且可能更改 MTRR 会使 TLB 条目无效。因此，TLB 是可缓存与否的一站式商店。我想知道现代 x86 上的 page-walker 是否将 MMIO 与 DRAM 放入 TLB 条目中？可能不是，这可能更接近内存控制器，就像你对 MIPS 说的那样。

@PeterCordes MIPS 中没有 MTRR 寄存器，因此为此目的在每个 TLB 条目中使用一个位是有意义的。在 x86 处理器上，我认为有专用的 MTRR 寄存器，它们指定的类型不会缓存在 TLB 中。缓存它们会增加区域开销。所以我怀疑这一点，除非访问 TLB 比 MTRR 快。但是这两种设计选择都是可能的，因为它们都没有违反 x86 规范。 MTRR 和页表条目中指定的内存类型不会覆盖每个覆盖；它们以某种方式合并。为什么页表遍历器会检查它们？...

...这不是它的责任。对 MTRR 进行更改与任何高速缓存都不一致，它们也与其他处理器的 MTRR 不一致。这样做是操作系统的责任。此外，Bios 通常会设置 MTTR，因此它们很少更改。我也同意你的观点，MMIO 与 DRAM 的区别可能是在地址转换之后完成的。