背景：最近遇到了io等待導(dǎo)致我整個系統(tǒng)掛掉的問題，當(dāng)然是因為其它原因。一只對io從硬件到軟件、阻塞和非阻塞這些概念一知半解，故記錄一下了解到過程

1.、總線：

IO是通過共享一條總線的方式來實現(xiàn)的，總線也就是一條或者多條物理上的導(dǎo)線，每個部件都接到這些導(dǎo)線上，導(dǎo)線上的電位每個時刻都是相等的（這個地方需要注意下，之前沒有考慮這個問題），這樣總線上的所有部件都會受到相同的信號。也就是說，這條總線是共享的，同一個時刻只能有一個部件在接收或者發(fā)送，是全單工的工作模式。（數(shù)據(jù)只在一個方向上傳輸，不能實現(xiàn)雙方通信單工、半雙工和全雙工的區(qū)別_布袋和尚-CSDN博客）

*PCI是Peripheral Component Interconnect(外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))的縮寫

*南北橋結(jié)構(gòu)的主板上都有兩個面積比較大的芯片，靠近CPU的為北橋芯片，主要負(fù)責(zé)控制AGP顯卡、內(nèi)存與CPU之間的數(shù)據(jù)交換；靠近PCI槽的為南橋芯片，主要負(fù)責(zé)軟驅(qū)、硬盤、鍵盤以及附加卡的數(shù)據(jù)交換。

2、北橋芯片：

一塊電腦主板，以CPU插座為北的方法拿著，靠近CPU插槽的一個起連接作用的芯片稱為“北橋芯片”，英文名：North Bridge Chipset。北橋芯片（NorthBridge）是主板芯片組中起主導(dǎo)作用的組成部分，也稱為主橋（HostBridge）。北橋是個人電腦主板芯片組兩枚大規(guī)模芯片中的一枚。北橋被用來處理高速信號，通常處理CPU（處理器），RAM（內(nèi)存），AGP端口或PCI Express,和南橋芯片之間的通信。一般來說，芯片組的名稱就是以北橋芯片的名稱來命名的，例如英特爾 845E芯片組的北橋芯片是82845E，875P芯片組的北橋芯片是82875P等等。北橋芯片負(fù)責(zé)與CPU的聯(lián)系并控制內(nèi)存、AGP數(shù)據(jù)在北橋內(nèi)部傳輸，提供對CPU的類型和主頻、系統(tǒng)的前端總線頻率、內(nèi)存的類型（SDRAM，DDR SDRAM以及RDRAM等等）和最大容量、AGP插槽、ECC糾錯等支持，整合型芯片組的北橋芯片還集成了顯示核心。北橋芯片就是主板上離CPU最近的芯片，這主要是考慮到北橋芯片與處理器之間的通信最密切，為了提高通信性能而縮短傳輸距離。因為北橋芯片的數(shù)據(jù)處理量非常大，發(fā)熱量也越來越大，所以現(xiàn)在的北橋芯片都覆蓋著散熱片用來加強北橋芯片的散熱，有些主板的北橋芯片還會配合風(fēng)扇進行散熱。因為北橋芯片的主要功能是控制內(nèi)存，而內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)與處理器一樣變化比較頻繁，所以不同芯片組中北橋芯片是肯定不同的，當(dāng)然這并不是說所采用的內(nèi)存技術(shù)就完全不一樣，而是不同的芯片組北橋芯片間肯定在一些地方有差別。

3、南橋芯片：

南橋芯片（SouthBridge）是主板芯片組的重要組成部分，一般位于主板上離CPU插槽較遠(yuǎn)的下方，PCI插槽的附近，這種布局是考慮到它所連接的I/O總線較多，離處理器遠(yuǎn)一點有利于布線。相對于北橋芯片來說，其數(shù)據(jù)處理量并不算大，所以南橋芯片一般都沒有覆蓋散熱片。南橋芯片不與處理器直接相連，而是通過一定的方式（不同廠商各種芯片組有所不同，例如英特爾的英特爾Hub Architecture以及SIS的Multi-Threaded“妙渠”）與北橋芯片相連。

南橋芯片負(fù)責(zé)I/O總線之間的通信，如PCI總線、USB、LAN、ATA、SATA、音頻控制器、鍵盤控制器、實時時鐘控制器、高級電源管理等，這些技術(shù)一般相對來說比較穩(wěn)定，所以不同芯片組中可能南橋芯片是一樣的，不同的只是北橋芯片。所以現(xiàn)在主板芯片組中北橋芯片的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于南橋芯片。例如早期英特爾不同架構(gòu)的芯片組Socket 7的430TX和Slot1的440LX其南橋芯片都采用82317AB，而近兩年的芯片組845E/845G/845GE/845PE等配置都采用ICH4南橋芯片，但也能搭配ICH2南橋芯片。更有甚者，有些主板廠家生產(chǎn)的少數(shù)產(chǎn)品采用的南北橋是不同芯片組公司的產(chǎn)品，例如以前升技的KG7－RAID主板，北橋采用了AMD760，南橋則是VIA 686B。南橋芯片的發(fā)展方向主要是集成更多的功能，例如網(wǎng)卡、RAID、IEEE 1394、甚至WI-FI無線網(wǎng)絡(luò)等等

新的i3、i5、i7處理器也都將將存儲控制器整新的i3合到CPU中，并且為處理器提供了更快的管道和系統(tǒng)部件的通信能力。同時新的移動處理器還“革命”性的將圖形處理核心(GPU)整合到了處理器中。這種將兩種制程工藝制造的處理器整合到一起的產(chǎn)品堪稱業(yè)界首創(chuàng)，32nm的處理器核心+45nm圖形處理核心、內(nèi)存控制器共同構(gòu)成了代號為Arrandale的新款移動處理器，而與以往的分離式設(shè)計相比，這種將圖形處理核心集成在處理器內(nèi)部的做法直接提高了系統(tǒng)整體的兼容性和穩(wěn)定性。被Intel稱為“高清顯卡”的圖形處理器支持2通道的高清全硬件解碼，令高清電影的播放更為流暢，畫面更清晰逼真，令用戶的視覺體驗加倍升級。?全新的酷睿i3/i5/i7是把北橋芯片組也集成到CPU上，其內(nèi)部仍是采用QPI總線來通訊，而外部與主板芯片組通訊，其實就是以往主板上南橋與北橋通訊，采用的正是DMI總線。酷睿i3/i5/i7并沒有精簡QPI總線，只是集成度更高而已。QPI總線可以用于CPU內(nèi)部通訊，也可以用于CPU與主板北橋芯片組通訊，而Bloomfield Core i7正是利用QPI作為CPU內(nèi)部通信以及CPU與北橋通信的通道。QPI總線的傳輸速率是FSB 1600MHz的4倍多，雖然前者數(shù)據(jù)位寬較窄，但傳輸帶寬仍然是后者的2倍。通過QPI總線，可以有效地降低了處理器和各個硬件之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，能有效地提高系統(tǒng)性能。

關(guān)于總線的描述可以參考這部分代碼：總線概述及常見總線_fivedoumi的專欄-CSDN博客_dmi總線

4、IO案例分析：

下面我們按照“連找發(fā)” 三元素理論，去分析一個CPU向磁盤要數(shù)據(jù)的例子：

連——總線

找——首先要有分區(qū)，才能有所謂“找”，這個分區(qū)體現(xiàn)在主機總線中就是設(shè)備地址映射。每個IO設(shè)備在啟動時都要向內(nèi)存中映射一個或者多個地址，這個地址有8位長，又被稱作IO端口。針對這個地址的數(shù)據(jù)，統(tǒng)統(tǒng)被北橋芯片重定向到總線上實際的設(shè)備上。假如，IDE磁盤控制器地址被映射到了地址0xA0，也就是十六進制A0，CPU根據(jù)程序機器代碼，向這個地址發(fā)出多條指令來完成一個讀操作，這就是找。

發(fā)——首先CPU將這個IO地址放到系統(tǒng)總線上，北橋接收到之后，會等待CPU發(fā)送第一個針對這個外設(shè)的指令。然后CPU發(fā)送如下3條指令。?

第一條：指令中包含了表示當(dāng)前指令時讀還是寫的位，而且還包含了其他選項，比如操作完成時是否用中斷來通知CPU處理，是否啟用磁盤緩存等。

第二條：指明應(yīng)該讀取的硬盤邏輯塊號（LBA）。這個邏輯塊在我們講磁盤結(jié)構(gòu)時會講到，總之邏輯塊就是對磁盤上存儲區(qū)域的一種抽象。

第三條：給出讀取出來的內(nèi)容應(yīng)該放到內(nèi)存中哪個地址中。

這3條指令被北橋依次發(fā)送給IO?總線上的磁盤控制器來執(zhí)行。磁盤控制器收到第一條指令之后，知道這是讀指令，而且知道這個操作的一些選項，比如完成是否發(fā)中斷，是否啟用磁盤緩存等，然后磁盤控制器會繼續(xù)等待下一條指令，即邏輯塊地址。磁盤空間器收到指令后，會進行磁盤實際扇區(qū)和邏輯塊的對應(yīng)查找，可能一個邏輯塊會對應(yīng)多個扇區(qū)，查找完成之后，控制器驅(qū)動磁頭尋道，等盤體旋轉(zhuǎn)到那個扇區(qū)后，磁頭開始讀出數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)的同時，磁盤控制器會接收都第三條指令，也就是CPU給出的數(shù)據(jù)應(yīng)該存放在內(nèi)存中的地址。有了這個地址，數(shù)據(jù)獨處之后直接通過DMA（DMA是Direct Memory Access的縮寫。其意思是“存儲器直接訪問”。它是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作，允許在外部設(shè)備和存儲器之間直接讀寫數(shù)據(jù)，即不通過CPU，也不需要CPU干預(yù)。整個數(shù)據(jù)傳輸操作在一個稱為“DMA控制器”的控制下進行的。CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時作一點處理外，在傳輸過程中CPU可以進行其它的工作。這樣，在大部分時間里，CPU和輸入輸出都處在并行操作。因此，使整個計算機系統(tǒng)的效率大大提高）技術(shù)，也就是磁盤控制器可以直接對內(nèi)存尋址并執(zhí)行寫操作，而不必先轉(zhuǎn)到CPU，然后再從CPU存到內(nèi)存中。

磁盤可以說是計算機系統(tǒng)最慢的硬件之一，讀寫速度相差內(nèi)存 10 倍以上，所以針對優(yōu)化磁盤的技術(shù)非常的多，比如零拷貝、直接 I/O、異步 I/O 等等，這些優(yōu)化的目的就是為了提高系統(tǒng)的吞吐量，另外操作系統(tǒng)內(nèi)核中的磁盤高速緩存區(qū)，可以有效的減少磁盤的訪問次數(shù)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机IO系列「零」计算机IO【硬件部分】的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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