深入理解计算机系统 - 存储设备2

总线

总线是一组并行的导线，能携带地址，数据和控制信号，有的总线设计使数据和地址信号共享同一组总线；多个设备可以共享同一组总线

• 系统总线：连接CPU和I/O桥接器（其中包含内存控制器）
• 内存总线：连接I/O桥接器和主存
• I/O总线：通过I/O桥接器将I/O总线与系统总线和内存总线相连，众多I/O设备可以共享I/O总线
• 总线接口：CPU通过内部的总线接口电路在总线上发起读写事务

CPU访问主存

执行 movq A,%rax：地址A的内容被加载到rax寄存器：CPU发起读事务：如图

读步骤

• CPU将地址A放到系统总线上
• I/O桥将信号传递给内存总线
• 主存读取地址信号，从DRAM读取数据，写到内存总线
• 数据传到系统总线
• CPU从总线上读取数据，将其复制到rax寄存器
  

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执行 movq %rax,A：将rax寄存器值加载到地址A：CPU发起写事务

写步骤

• CPU将地址A放到系统总线上
• I/O桥将信号传递给内存总线
• 主存读取地址信号，并等待数据到达
• CPU将rax寄存器数据复制到总线
• 主存读取内存总线数据，并存储到DRAM中

CPU访问磁盘

I/O端口

• CPU使用内存映射的技术来向I/O设备发送指令；
• 地址空间中有一块地址是为与I/O设备通信而保留的；
• 每个这样的地址称为一个I/O端口；
• 当一个设备与I/O总线相连时，它将被映射到一个或多个端口，即根据I/O设备，地址空间会分配一个或多个地址给这个I/O设备

读步骤

假设磁盘控制器映射到端口0XA0

• CPU发送一个命令字，告诉磁盘发起一个读，同时还会发送中断信息等
• CPU发送要读的逻辑块
• CPU发送要存储到主存的地址
• 磁盘收到来自CPU的命令
• 磁盘将逻辑块信息翻译成扇区地址，读取扇区内容
• 磁盘将扇区内容直接传送到主存
• 传送完成后，磁盘给CPU发送一个中断信息，告诉CPU已完成命令

说明

• CPU发送完指令后就立即开始做其他事情，而不是等待磁盘读取完毕，一个1Ghz的CPU处理器时钟周期为1ns，而磁盘读取的时间需要ms级的时间，若一直等待，会造成资源的浪费，故指令发送完后，即开始做其他事情，知道中断信号的到来
• 磁盘设备可以自己执行总线事务而不需要CPU干涉，这个过程就是DMA，这种数据传送称为DMA传送（Direct Memory Access transfer）

关于CPU速度问题

计算机经过这么多年的发展，各方面的速度都有很大的提升，但存储设备的访问速度一直都赶不上CPU的速度，甚至差距越来越大，而如今，CPU的主频提升也遇到了障碍；

• 原因：处理器功耗的公式：P = fCV²（f：时钟频率，C：电容，V：电压）
  - 显然，频率增加，功率会增大
• 解决办法：多核处理器
  - 用多个小处理器核取代单个大处理器，每个小核能独立地与其他核并行地执行程序

所以计算机速度越来越快，并不是因为时钟频率一直在增加，而是处理器地核心数量增加的结果