I/O、总线与存储设备

CPU 与外设速度相差几个数量级，交互靠总线、内存映射 I/O、中断与 DMA四套机制。本章讲这些机制如何工作，以及 HDD 与 SSD 在随机/顺序访问上的巨大差异如何影响文件系统与数据库设计（→ 存储层次与缓存）。

CPU 与外设的对话

• 总线与内存映射 I/O（MMIO）：外设的寄存器被映射到物理地址空间，CPU 用普通 load/store 指令读写设备——"写设备寄存器"就是"写某个特殊地址"。端口 I/O（x86 的 in/out）是旧式替代。
• 轮询 vs 中断：轮询让 CPU 反复读状态位，简单但浪费；中断让设备在就绪时打断 CPU，控制器保存现场、跳到中断处理程序、再恢复。中断是"事件通知"的硬件形态，网络收包、磁盘完成都靠它（→ I/O 模型与事件驱动）。
• DMA（直接内存访问）：大数据搬运不让 CPU 逐字节复制，而是 CPU 告诉 DMA 控制器"把这段数据从设备搬到这个内存地址"，搬完发一个中断。DMA 让数据搬运不占用 CPU——磁盘 I/O 与网络包都是 DMA 进内存的，CPU 只处理就绪后的数据。

中断 vs 轮询的工程选择在高负载下反转：每包一个中断的 overhead 会压垮内核，NAPI 等机制在忙时切回轮询。

HDD：机械的随机访问

机械硬盘的延迟由**寻道（磁头移动）+ 旋转（等扇区转到磁头下）**主导，一次随机访问约 5–10 ms；顺序读则接近介质带宽。因此：

• 随机 I/O 与顺序 I/O 相差百倍以上——"顺序写比随机写快在任何介质上都成立"，在 HDD 上尤其极端；
• 文件系统尽量把相关块放在连续磁道，数据库把日志做成顺序追加。

SSD：没有磁头，但有写放大

SSD 以 NAND 闪存存储，读以页（几 KB）为单位，延迟约几十微秒——比 HDD 快百倍。但写入有三个结构性约束：

1. 先擦后写：页只能从 1 写成 0，整体清零必须以块（几百 KB～几 MB）为单位擦除；
2. 写放大（WAF）：更新一页要把整个块的存活数据搬走再擦再写，实际写入量大于逻辑写入量；
3. 磨损均衡与垃圾回收：闪存有擦写寿命，FTL（闪存转换层）要做磨损均衡；GC 与写放大是 SSD 写入变慢的原因——SSD 的写放大与垃圾回收使得持续随机写时性能骤降。

工程结论：

• 顺序写仍优于随机写（对齐擦除块、减少写放大），SSD 上差距小了但没有消失；
• 留白（over-provisioning）与 TRIM 让 FTL 有整理空间，长期满盘会显著变慢；
• 是否 fsync、以什么粒度写，对 SSD 仍然是性能决定因素（→ 文件系统）。

对上层设计的影响

存储介质的物理特性一路向上泄漏（→ 抽象泄漏）：

• 日志结构：HDD 想要顺序写，SSD 想要大块顺序写——日志（WAL、LSM 树、日志文件系统）成为共同答案（→ 日志与恢复、索引与 B+ 树）；
• 批量与预读：既然单次 I/O 贵，就合并小 I/O、提前读相邻块；
• 缓存无处不在：设备缓存、页缓存、数据库缓冲池，各自假设下一层更慢。

本章要点

• MMIO 用普通访存指令读写设备；中断把轮询变成事件通知；DMA 让搬运不占 CPU
• 高负载下中断开销反转优势：忙时切回轮询（NAPI）
• HDD 随机访问由寻道+旋转主导，随机/顺序相差百倍
• SSD 先擦后写，写放大与 GC 使持续随机写骤降；顺序写在任何介质上都更优
• 介质特性向上泄漏：日志结构、批量 I/O、多层缓存都是对它的回应