(1) 我们不想造一台 “设备定死” 的计算机

接入更多 (甚至未知) 的 I/O 设备

• 想卖大价钱的 “大型机”：IBM, DEC, ...
• 车库里造出来的 “微型机”：名垂青史的梦想家
  • IBM PC/AT: ISA (Industry Standard Architecture) 总线
  • Apple II: 50-pin slot connector (Apple II Bus)

总线：一个特殊的 I/O 设备

提供设备的 “虚拟化”：注册和转发

• 把收到的地址 (总线地址) 和数据转发到相应的设备上
• 例子: port I/O 的端口就是总线上的地址
  • IBM PC 的 CPU 其实只看到这一个 I/O 设备

这样 CPU 只需要直连一个总线就行了！

• 今天 PCI 总线肩负了这个任务
  • 总线可以桥接其他总线 (例如 PCI → USB)
• lspci -tv 和 lsusb -tv: 查看系统中总线上的设备
  • 概念简单，实际非常复杂……
    • 电气特性、burst 传输、中断、Plug and Play

总线：名场面

(2) CPU：只有一根中断线

我们需要一个 “仲裁器”

收集各个设备中断，并选择一个发送给 CPU

• 并且完成对设备的应答

例子

• Intel 8259 PIC
  • programmable interrupt controller
  • 可以设置中断屏蔽、中断触发等……
• APIC (Advanced PIC)
  • local APIC: 中断向量表, IPI, 时钟, ……
  • I/O APIC: 其他 I/O 设备

(3) 解放 CPU 算力

操作系统：写入 1 GB 的数据到磁盘

• 即便磁盘已经准备好，依然需要非常浪费时间的循环
• out 指令写入的是设备缓冲区，需要去总线上绕一圈
  • cache disable; store 其实很慢的

for (int i = 0; i < 1 GB / 4; i++) {
    outl(PORT, ((u32 *)buf)[i]);
}

如果是多处理器系统？

• 那就把 write_disk 线程扔到另一个 CPU 吧

Direct Memory Access (DMA)

加一个通用处理器太浪费，不如加一个简单的

• DMA: 只能执行 memcpy(ATA0, buf, length); 的处理器
• 支持的几种类型的 memcpy
  • memory → memory
  • memory → device (register)
  • device (register) → memory
    • 实际实现：直接把 DMA 控制器连接在总线和内存上
    • Intel 8237A

今天：PCI 总线支持 DMA

• sudo cat /proc/iomem