Ввод-вывод с отображением памяти и ввод-вывод с отображением ввода-вывода: разница и сравнение

Основные выводы

1. Ввод-вывод с отображением памяти (MMIO) рассматривает устройства ввода-вывода как области памяти, сопоставляя их регистры с определенными адресами в адресном пространстве памяти системы. Это позволяет ЦП использовать инструкции загрузки/сохранения для доступа к устройствам ввода-вывода, упрощая программирование и обеспечивая эффективную передачу данных.
2. Ввод-вывод с отображением ввода-вывода (I/O-MMIO) использует отдельное адресное пространство для операций ввода-вывода, отличное от адресного пространства обычной памяти. Специальные инструкции ввода-вывода взаимодействуют с устройствами ввода-вывода, обеспечивая разделение и гибкость.
3. MMIO выигрывает от механизмов защиты памяти и эффективных скоростей передачи данных, но имеет ограничения на адресное пространство и потенциальные конфликты. I/O-MMIO позволяет избежать конфликтов памяти и обеспечивает большее адресное пространство, но может усложнить программирование и потенциально замедлить доступ. Выбор зависит от системных требований и проектных соображений.

Что такое ввод-вывод с отображением памяти?

Ввод-вывод с отображением памяти (ввод-вывод) — это метод, используемый в компьютерных системах для обеспечения доступа к периферийным устройствам, таким как аппаратные устройства или внешние компоненты, и управления ими с использованием операций с памятью. Он включает отображение адресного пространства периферийных устройств непосредственно в адресное пространство памяти компьютера.

В системе ввода-вывода с отображением памяти адреса памяти, зарезервированные для операций ввода-вывода, назначаются периферийным устройствам. Эти адреса рассматриваются как обычные ячейки памяти, и ЦП может считывать или записывать в них, используя инструкции загрузки и сохранения соответственно. Это означает, что операции ввода-вывода выполняются путем манипулирования ячейками памяти, а не с помощью конкретных инструкций ввода-вывода.

Что такое ввод-вывод с отображением ввода-вывода?

Ввод-вывод с отображением ввода-вывода (ввод-вывод) является альтернативой вводу-выводу с отображением памяти для взаимодействия с периферийными устройствами в компьютерной системе. В отличие от ввода-вывода с отображением в память, при котором периферийные устройства отображаются в адресное пространство памяти, ввод-вывод с отображением ввода-вывода назначает отдельное адресное пространство для операций ввода-вывода.

В системе ввода-вывода с отображением ввода-вывода ЦП использует определенные инструкции ввода и вывода для связи с периферийными устройствами. Эти инструкции отличаются от обычных инструкций загрузки и сохранения для доступа к памяти. Инструкции ввода-вывода предназначены для обработки операций ввода-вывода и предоставляются архитектурой набора команд ЦП.

Разница между вводом-выводом с отображением памяти и вводом-выводом с отображением ввода-вывода

1. При вводе-выводе с отображением памяти адреса памяти и ввода-вывода находятся в одном и том же адресном пространстве. Периферийные устройства сопоставляются с определенными адресами памяти, а инструкции ЦП для доступа к памяти используются для связи с устройствами. Напротив, ввод-вывод с отображением ввода-вывода назначает отдельное адресное пространство для операций ввода-вывода, отличное от адресного пространства памяти.
2. Ввод-вывод с отображением памяти используется для загрузки и хранения инструкций для чтения или записи в адреса периферийных устройств, отображаемые в памяти. С другой стороны, ввод-вывод с отображением ввода-вывода требует специальных инструкций ввода-вывода, специально разработанных для взаимодействия с адресами ввода-вывода.
3. При вводе-выводе с отображением в памяти доступное пространство памяти ограничивает диапазон адресов. Адреса памяти, используемые для операций ввода-вывода, могут быть разбросаны по всему адресному пространству. При вводе-выводе с отображением ввода-вывода диапазон адресов предназначен исключительно для операций ввода-вывода и не пересекается с адресами памяти.
4. Ввод-вывод с отображением памяти предлагает более простую модель программирования, поскольку устройства являются частью иерархии памяти. С другой стороны, ввод-вывод с отображением ввода-вывода вносит дополнительную сложность в разработку программного обеспечения, поскольку программистам необходимо управлять отдельными инструкциями ввода-вывода и адресными пространствами.
5. Ввод-вывод с отображением памяти может иметь ограниченную безопасность и защиту для операций ввода-вывода, поскольку устройства используют то же адресное пространство, что и память. Несанкционированный доступ к ячейкам памяти потенциально может повлиять на подключенные устройства. При вводе-выводе с отображением ввода-вывода отдельное адресное пространство ввода-вывода обеспечивает лучшую изоляцию и защиту, гарантируя, что несанкционированный доступ к памяти не приведет к автоматическому предоставлению доступа к устройствам ввода-вывода.

Сравнение ввода-вывода с отображением памяти и ввода-вывода с отображением ввода-вывода

Параметры сравнения	Ввод/вывод с отображением памяти	Отображенный ввод-вывод ввода-вывода
адресация	Адреса памяти используются как для операций с памятью, так и для операций ввода/вывода.	Отдельные адреса ввода-вывода используются исключительно для операций ввода-вывода.
Диапазон адресов	Ограничено доступным объемом памяти.	Выделенное адресное пространство исключительно для операций ввода-вывода, отличное от памяти.
инструкции	Ввод/вывод с отображением памяти	Специальные инструкции ввода-вывода, предназначенные для операций ввода-вывода.
аппаратный интерфейс	Устройства выглядят так, как если бы они были частью иерархии памяти.	Требуется отдельный интерфейс ввода-вывода и управляющие сигналы для связи с устройством.
Эффективности	Инструкции загрузки/сохранения используются для доступа как к памяти, так и к адресам ввода/вывода.	Инструкции ввода-вывода могут выполняться медленнее по сравнению с инструкциями доступа к памяти, что влияет на производительность.

Рекомендации

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