Memory-Mapped IO vs. IO-Mapped IO: Unterschied und Vergleich

Key Take Away

1. Memory-Mapping I/O (MMIO) behandelt I/O-Geräte als Speicherorte und ordnet ihre Register bestimmten Adressen im Speicheradressraum des Systems zu. Dadurch kann die CPU Lade-/Speicheranweisungen verwenden, um auf E/A-Geräte zuzugreifen, was die Programmierung vereinfacht und eine effiziente Datenübertragung ermöglicht.
2. I/O-zugeordnetes I/O (I/O-MMIO) verwendet einen separaten Adressraum für I/O-Vorgänge, der sich vom regulären Speicheradressraum unterscheidet. Spezielle I/O-Anweisungen kommunizieren mit I/O-Geräten und sorgen so für Trennung und Flexibilität.
3. MMIO profitiert von Speicherschutzmechanismen und effizienten Datenübertragungsraten, weist jedoch Einschränkungen bei der Adressierung von Speicherplatz und potenziellen Konflikten auf. I/O-MMIO vermeidet Speicherkonflikte und bietet einen größeren Adressraum, kann jedoch zu komplexerer Programmierung und möglicherweise langsamerem Zugriff führen. Die Wahl hängt von den Systemanforderungen und Designüberlegungen ab.

Was ist speicherzugeordnete E/A?

Speicherabgebildete E/A (Eingabe/Ausgabe) ist eine Technik, die in Computersystemen verwendet wird, um den Zugriff auf Peripheriegeräte wie Hardwaregeräte oder externe Komponenten und deren Steuerung mithilfe von Speicheroperationen zu ermöglichen. Dabei wird der Adressraum der Peripheriegeräte direkt in den Speicheradressraum des Computers abgebildet.

In einem speicherabgebildeten E/A-System werden die für E/A-Vorgänge reservierten Speicheradressen den Peripheriegeräten zugewiesen. Diese Adressen werden als normale Speicherorte behandelt und die CPU kann mithilfe von Lade- bzw. Speicheranweisungen von ihnen lesen oder darauf schreiben. Dies bedeutet, dass E/A-Vorgänge durch die Manipulation von Speicherorten und nicht durch die Verwendung spezifischer E/A-Anweisungen ausgeführt werden.

Was ist I/O-zugeordneter I/O?

E/A-zugeordnete E/A (Eingabe/Ausgabe) ist eine Alternative zu speicherzugeordneten E/A für die Verbindung mit Peripheriegeräten in einem Computersystem. Im Gegensatz zur speicherzugeordneten E/A, die Peripheriegeräte dem Speicheradressraum zuordnet, weist die I/O-zugeordnete E/A einen separaten Adressraum für E/A-Vorgänge zu.

In einem E/A-zugeordneten E/A-System verwendet die CPU bestimmte Eingabe- und Ausgabeanweisungen, um mit Peripheriegeräten zu kommunizieren. Diese Anweisungen unterscheiden sich von den regulären Lade- und Speicheranweisungen für den Speicherzugriff. Die E/A-Befehle dienen der Abwicklung von E/A-Vorgängen und werden von der Befehlssatzarchitektur der CPU bereitgestellt.

Unterschied zwischen speicherzugeordneten E/A und E/A-zugeordneten E/A

1. Bei speicherzugeordneter E/A werden die Speicher- und E/A-Adressen im selben Adressraum gemeinsam genutzt. Peripheriegeräte werden bestimmten Speicheradressen zugeordnet und CPU-Anweisungen für den Speicherzugriff werden für die Kommunikation mit den Geräten verwendet. Im Gegensatz dazu weist E/A-zugeordnetes E/A einen separaten Adressraum für E/A-Vorgänge zu, der sich vom Speicheradressraum unterscheidet.
2. Speicherabgebildete E/A werden zum Laden und Speichern von Anweisungen zum Lesen oder Schreiben in die speicherabgebildeten Adressen von Peripheriegeräten verwendet. Andererseits erfordert E/A-zugeordnetes E/A dedizierte Eingabe- und Ausgabeanweisungen, die speziell für die Interaktion mit den E/A-Adressen entwickelt wurden.
3. Bei speicherabgebildeten E/A begrenzt der verfügbare Speicherplatz den Adressbereich. Die für E/A-Vorgänge verwendeten Speicheradressen können über den gesamten Adressraum verteilt sein. Bei E/A-zugeordneten E/A ist der Adressbereich ausschließlich für E/A-Vorgänge reserviert und überschneidet sich nicht mit Speicheradressen.
4. Speicherabgebildete E/A bietet ein einfacheres Programmiermodell, da die Geräte als Teil der Speicherhierarchie erscheinen. Andererseits führt I/O-abgebildetes I/O zu zusätzlicher Komplexität in der Softwareentwicklung, da Programmierer separate I/O-Anweisungen und Adressräume verwalten müssen.
5. Speicherabgebildete E/A bieten möglicherweise nur begrenzte Sicherheit und Schutz für E/A-Vorgänge, da die Geräte denselben Adressraum wie den Speicher nutzen. Ein unbefugter Zugriff auf Speicherorte könnte möglicherweise Auswirkungen auf die angeschlossenen Geräte haben. Bei E/A-zugeordneten E/A bietet der separate E/A-Adressraum eine bessere Isolierung und einen besseren Schutz und stellt sicher, dass unbefugter Zugriff auf den Speicher nicht automatisch Zugriff auf die E/A-Geräte gewährt.

Vergleich zwischen speicherzugeordneten E/A und E/A-zugeordneten E/A

Vergleichsparameter	Speicherabgebildete E/A	E/A-zugeordnete E/A
Adressierung	Speicheradressen werden sowohl für Speicher- als auch für E/A-Vorgänge verwendet.	Separate I/O-Adressen werden ausschließlich für I/O-Operationen verwendet.
Adressbereich	Begrenzt durch den verfügbaren Speicherplatz.	Dedizierter Adressraum ausschließlich für E/A-Vorgänge, getrennt vom Speicher.
Anweisungen	Speicherzugeordnete E/A	Spezifische Eingabe-/Ausgabeanweisungen für E/A-Operationen.
Hardware-Schnittstelle	Geräte erscheinen so, als wären sie Teil der Speicherhierarchie.	Erfordert separate E/A-Schnittstelle und Steuersignale für die Gerätekommunikation.
Leistung	Lade-/Speicherbefehle werden für den Zugriff auf Speicher- und E/A-Adressen verwendet.	E/A-Anweisungen können im Vergleich zu Speicherzugriffsanweisungen langsamer ausgeführt werden, was sich auf die Leistung auswirkt.

Bibliographie

1. https://arxiv.org/abs/2301.06689
2. https://www.researchgate.net/profile/John-Mccalpin/publication/266375644_Low_Level_Microbenchmarks_of_Processor_to_FPGA_Memory-Mapped_IO/links/542dcd460cf27e39fa94b415/Low-Level-Microbenchmarks-of-Processor-to-FPGA-Memory-Mapped-IO.pdf

Letzte Aktualisierung: 11. August 2023