浅谈内存映射I/O(MMIO)与端口映射I/O(PMIO)的区别

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最近在看NVMeDirect和SPDK的源码,觉得有必要梳理一下MMIO和PMIO的区别。关于MMIO和PMIO,维基百科上是这么讲滴,

Memory-mapped I/O (MMIO) and port-mapped I/O (PMIO) (which is also called
isolated I/O) are two complementary methods of performing input/output (I/O)
between the central processing unit (CPU) and peripheral devices in a computer.
An alternative approach is using dedicated I/O processors, commonly known as
channels on mainframe computers, which execute their own instructions.

在计算机中,内存映射I/O(MMIO)和端口映射I/O(PMIO)是两种互为补充的I/O方法,在CPU和外部设备之间。另一种方法是使用专用的I/O处理器,通常为大型机上的通道,它们执行自己特有的指令。

1. MMIO

Memory-mapped I/O (MMIO), 内存映射IO。 先上图,图片来源戳这里

从上图中我们可以看到,在MMIO中,内存和I/O设备共享同一个地址空间。 MMIO是应用得最为广泛的一种IO方法,它使用相同的地址总线来处理内存和I/O设备,I/O设备的内存和寄存器被映射到与之相关联的地址。当CPU访问某个内存地址时,它可能是物理内存,也可以是某个I/O设备的内存。因此,用于访问内存的CPU指令也可来访问I/O设备。每个I/O设备监视CPU的地址总线,一旦CPU访问分配给它的地址,它就做出响应,将数据总线连接到需要访问的设备硬件寄存器。为了容纳I/O设备,CPU必须预留给I/O一个地址区域,该地址区域不能给物理内存使用。

2. PMIO

Port-mapped I/O (PMIO),端口映射IO,又叫做被隔离的I/O(isolated I/O)。还是先上图,图片来源戳这里

从上图中我们可以看到,在PMIO中,内存和I/O设备有各自的地址空间。 端口映射I/O通常使用一种特殊的CPU指令,专门执行I/O操作。在Intel的微处理器中,使用的指令是IN和OUT。这些指令可以读/写1,2,4个字节(例如:outb, outw, outl)从/到IO设备上。I/O设备有一个与内存不同的地址空间,为了实现地址空间的隔离,要么在CPU物理接口上增加一个I/O引脚,要么增加一条专用的I/O总线。由于I/O地址空间与内存地址空间是隔离的,所以有时将PMIO称为被隔离的IO(Isolated I/O)。

3. MMIO v.s. PMIO

MMIO PMIO
1 Same address bus to address memory and I/O devices Different address spaces for memory and I/O devices
2 Access to the I/O devices using regular instructions Uses a special class of CPU instructions to access I/O devices, Intel x86 microprocessors – IN and OUT instructions
  • 在MMIO中,IO设备和内存共享同一个地址总线,因此它们的地址空间是相同的; 而在PMIO中,IO设备和内存的地址空间是隔离的。
  • 在MMIO中,无论是访问内存还是访问IO设备,都使用相同的指令; 而在PMIO中,CPU使用特殊的指令访问IO设备,在Intel微处理器中,使用的指令是IN和OUT。

注意: 内存映射(MMIO和PMIO)作为一种CPU对I/O设备(CPU-to-device)的通信方法,并不影响DMA(直接内存访问), 因为DMA是一种绕过CPU的内存对设备(memory-to-device)的通信方法。

4. 如何实现MMIO?

在Linux中, 内核使用ioremap()将IO设备的物理内存地址映射到内核空间的虚拟地址上; 用户空间程序使用mmap(2)系统调用将IO设备的物理内存地址映射到用户空间的虚拟内存地址上,一旦映射完成,用户空间的一段内存就与IO设备的内存关联起来,当用户访问用户空间的这段内存地址范围时,实际上会转化为对IO设备的访问。

参考资料

  • Memory-mapped I/O
  • Programmed I/O: isolated vs. memory-mapped
  • Memory-mapped I/O
  • What is the difference between an I/O mapped I/O, and a memory mapped I/O in the interfacing of the microprocessor?
  • Difference between port mapped and memory mapped access?
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