CPU 介紹
(1). 指令集 (Instruction set): 依據 CPU 功能或目標制定 (EX: ADD or SUB)
(2). 暫存器 (Register set): 支援程式碼或指令的擷取與執行
(3). 算術邏輯運算單元 (ALU): CPU 的運算單元
(4). 控制單元 (CON): 控制單元接受到指令後，產生控制訊號，達成暫存器間的資料傳輸
(5). 記憶體定址與輸入輸出 (Memory addressing and I/O processing)
CPU doesn’t control I/O devices, it communicates with them.
About I/O need to think about
- Communication method ( MMIO & Isolated I/O )
重點: How CPU physically talks to devices?
X86 架構 (CISC: Complex Instruction Set Computer)，有 Memory-Mapped I/O & Isolated I/O
ARM 架構 (RISC: Reduced Instruction Set Computer)，只有 Memory-Mapped I/O
- Data transfer technique ( Polling & Interrupt Driven I/O )
重點: How and when the data moves?
1. 記憶體映射 I/O (Memory-Mapped I/O, MMIO)
- 概念：將 I/O 裝置的暫存器直接映射到 CPU 的記憶體位址空間中。
- 運作：CPU 像讀寫一般記憶體一樣（使用 LOAD / STORE 指令）來存取裝置。
- 優點：不需特殊指令，程式撰寫簡單。
- 缺點：會佔用部分記憶體位址範圍。
· 現況：現代處理器（如 ARM、Apple Silicon、RISC-V）幾乎只使用 MMIO。
· 原因：現在的 64 位元位址空間非常龐大，不需要擔心佔用記憶體空間的問題。使用 MMIO 可以直接利用一般記憶體指令（如 MOV）來控制硬體，速度更快且開發更容易。
· 例外：只有 x86 架構（Intel/AMD）為了相容幾十年前的舊硬體，還保留了「埠映射 I/O (PMIO)」，但即使在 x86 上，現代高效能裝置（如顯卡、NVMe SSD）也幾乎都轉向 MMIO 了。
2. 埠映射 I/O (Port-Mapped / Isolated I/O)
- 概念：I/O 裝置擁有獨立於記憶體的位址空間（稱為 I/O Port）。
- 運作：CPU 必須使用專門指令（如 x86 的 IN 和 OUT）來與裝置溝通。
- 優點：不佔用記憶體空間，位址解碼較簡單。
- 缺點：指令集變得複雜，硬體邏輯較多。
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3. 程序控制 I/O (Programmed I/O / Polling)
- 概念：這是一種軟體主導的資料傳輸方式。
- 運作：CPU 會不斷地詢問（Polling）裝置：「你準備好了嗎？」直到裝置回應已完成。
- 優點：實作最簡單，不需要額外硬體支援。
- 缺點：極度浪費 CPU 效能，因為 CPU 在等待 I/O 時無法執行其他任務
在特定場景下才比較強
· 極高速裝置：例如現代的超高速 NVMe SSD 或萬兆網卡。因為處理一個「中斷」需要儲存/回復 CPU 暫存器（Context Switch），這個開銷有時比直接 Polling 還慢。在高效能驅動程式（如 SPDK/DPDK）中，會刻意用 Polling 來追求極限低延遲。
· 簡單嵌入式系統：在沒有作業系統（Bare Metal）的小型微控制器上，為了省電或程式碼簡單，Polling 依然常見
4. 中斷驅動 I/O (Interrupt-Driven I/O)
- 概念：這是一種硬體通知的傳輸方式。
- 運作：CPU 下達指令後就去忙別的事。當裝置準備好資料時，會發出一個中斷訊號 (Interrupt) 通知 CPU 回頭處理。
- 優點：CPU 利用率高，不需在原地空等。
缺點：硬體設計較複雜，且如果中斷太頻繁，頻繁切換任務（Context Switch）也會產生開銷。
切記: I/O device isn’t memory, can behave like memory but not ideal
過去有南橋晶片 & 北橋晶片(示意圖如下)
但是 CPU 越來越快，南橋 & 北橋晶片整合進 CPU，只留下 ChIPSET
最後
Question: 既然都可以直接連到 CPU，為什麼設計時還是採用 Memory-Mapped I/O, MMIO 非 Port-Mapped / Isolated I/O ?
ANSWER: Each IO device was mapped to a specific memory region But each manufacturer decided on their own layout This mapping was hardwired into motherboard It couldn’t be reconfigured through software
