内存映射IO（MMIO）

端口I/O

介绍：

一种I/O编址方式是端口映射I/O(port-mapped I/O), CPU使用专门的I/O指令对设备进行访问, 并把设备的地址称作端口号. 在执行其中的一条指令时，CPU使用地址总线选择所请求的I/O端口，使用数据总线在CPU寄存器和端口之间传送数据。

目的：

系统设计者的主要目的是提供对I/O编程的统一方法，但又不牺牲性能。为了达到这个目的，每个设备的I/O 端口都被组织成一组专用寄存器。CPU把要发给设备的命令写入控制寄存器（control register），并从状态寄存器（status register）中读出表示设备内部状态的值。CPU还可以通过读取输入寄存器（input register）的内容从设备取得数据，也可以通过向输出寄存器（output register）中写入字节而把数据输出到设备。

举例：

以x86为例，x86提供了in和out指令用于访问设备，其中in指令用于将设备寄存器中的数据传输到CPU寄存器中, out指令用于将CPU寄存器中的数据传送到设备寄存器中. 一个例子是使用out指令给串口发送命令字:

movl $0x41, %al

movl $0x3f8, %edx

outb %al, (%dx)

上述代码把数据0x41传送到0x3f8号端口所对应的设备寄存器中. CPU执行上述代码后, 会将0x41这个数据传送到串口的一个寄存器中, 串口接收之后, 发现是要输出一个字符A; 但对CPU来说, 它并不关心设备会怎么处理0x41这个数据, 只会老老实实地把0x41传送到0x3f8号端口. 事实上, 设备的API及其行为都会在相应的文档里面有清晰的定义, 在PA中我们无需了解这些细节, 只需要知道, 驱动开发者可以通过RTFM, 来编写相应程序来访问设备即可.

内存映射I/O

介绍：

MMIO(Memory mapping I/O)即内存映射I/O，它是PCI规范的一部分，I/O设备被放置在内存空间而不是I/O空间。从处理器的角度看，内存映射I/O后系统设备访问起来和内存一样。这样访问AGP/PCI-E显卡上的帧缓存，BIOS，PCI设备就可以使用读写内存一样的汇编指令完成，简化了程序设计的难度和接口的复杂性。I/O作为CPU和外设交流的一个渠道，主要分为两种，一种是Port I/O，一种是MMIO(Memory mapping I/O)。（来自百度百科）

目的：

早期的PC中，所有的IO设备（除了存储设备之外的设备）的内部存储或者寄存器都只能通过IO地址空间进行访问（Intel干的好事）。但是这种方式局限性很大，而且效率低，于是乎，软件开发者和硬件厂商都不能忍了……然后一种新的东西就出来了——MMIO。MMIO，即Memory Mapped IO，也就是说把这些IO设备中的内部存储和寄存器都映射到统一的存储地址空间（Memory Address Space）中。但是，为了兼容一些之前开发的软件，PCIe仍然支持IO地址空间，只是建议在新开发的软件中采用MMIO。

内存映射I/O这种编址方式非常巧妙, 它是通过不同的物理内存地址给设备编址的. 这种编址方式将一部分物理内存的访问"重定向"到I/O地址空间中, CPU尝试访问这部分物理内存的时候, 实际上最终是访问了相应的I/O设备, CPU却浑然不知.

这样以后, CPU就可以通过普通的访存指令来访问设备. 这也是内存映射I/O得天独厚的好处: 物理内存的地址空间和CPU的位宽都会不断增长, 内存映射I/O从来不需要担心I/O地址空间耗尽的问题.

从原理上来说, 内存映射I/O唯一的缺点就是, CPU无法通过正常渠道直接访问那些被映射到I/O地址空间的物理内存了. 但随着计算机的发展, 内存映射I/O的唯一缺点已经越来越不明显了: 现代计算机都已经是64位计算机, 物理地址线都有48根, 这意味着物理地址空间有256TB这么大, 从里面划出3MB的地址空间给显存, 根本就是不痛不痒.

对x86来说, 内存映射I/O的一个例子是NEMU中的物理地址区间[0xa1000000, 0xa1800000). 这段物理地址区间被映射到VGA内部的显存, 读写这段物理地址区间就相当于对读写VGA显存的数据. 例如：

memset((void *)0xa1000000, 0, SCR_SIZE);

会将显存中一个屏幕大小的数据清零, 即往整个屏幕写入黑色像素, 作用相当于清屏. 可以看到, 内存映射I/O的编程模型和普通的编程完全一样: 程序员可以直接把I/O设备当做内存来访问. 这一特性也是深受驱动开发者的喜爱.

参考文献：

输入输出 | 官方文档 (oscc.cc)

内存映射IO (MMIO) 简介 - 知乎 (zhihu.com)

PCIe扫盲——Memory & IO 地址空间 - 简书 (jianshu.com)