CPU/DMA 是如何访问硬盘的？

硬盘上的数据不是物理地址空间的一部分。¹数据不是内存映射的 。

SATA 控制器（例如）具有 CPU 需要写入的 I/O 寄存器，以对其进行编程以n从某个磁盘偏移量到某个物理内存地址进行 DMA 扇区传输。

这些 I/O 寄存器中的部分或全部可能可以通过 MMIO（正常加载和存储到特殊地址）而不是in/out端口 IO 访问。但这仍然只是向 SATA 控制器发送所需命令的问题。（有关详细信息，请参阅https://wiki.osdev.org/AHCI。）AHCI是使用最广泛的内核 <-> 硬件驱动程序接口，但也存在其他接口（例如，需要自己的驱动程序的奇特 RAID 控制器).

例如，我的主板上的 AHCI SATA 控制器，根据lspci -v：

00:17.0 SATA controller: Intel Corporation Q170/Q150/B150/H170/H110/Z170/CM236 Chipset SATA Controller [AHCI Mode] (rev 31) (prog-if 01 [AHCI 1.0])
        Subsystem: ASUSTeK Computer Inc. Q170/Q150/B150/H170/H110/Z170/CM236 Chipset SATA Controller [AHCI Mode]
        Flags: bus master, 66MHz, medium devsel, latency 0, IRQ 135
        Memory at f7248000 (32-bit, non-prefetchable) [size=8K]
        Memory at f724c000 (32-bit, non-prefetchable) [size=256]
        I/O ports at f090 [size=8]
        I/O ports at f080 [size=4]
        I/O ports at f060 [size=32]
        Memory at f724b000 (32-bit, non-prefetchable) [size=2K]
        Capabilities: <access denied>
        Kernel driver in use: ahci
        Kernel modules: ahci

那些小的两个“内存”区域（2k 和 8k）几乎可以肯定是 MMIO 端口，但它在 I/O 地址空间中也有一些 I/O 端口。“不可预取”是那里的一个暗示；如果读取有副作用，则必须禁用预取。

注意flags: bus master. 这意味着它可以 DMA 到/从主内存。

但是我的 NVMe SSD只有MMIO 空间，没有传统的 I/O 端口。

03:00.0 Non-Volatile memory controller: Intel Corporation SSD 600P Series (rev 03) (prog-if 02 [NVM Express])
        Subsystem: Intel Corporation SSD 600P Series
        Flags: bus master, fast devsel, latency 0, IRQ 16, NUMA node 0
        Memory at f7000000 (64-bit, non-prefetchable) [size=16K]
        Capabilities: <access denied>
        Kernel driver in use: nvme

现代硬盘驱动器控制器不会让 CPU 使用“编程 I/O”一次复制 4 或 8 个字节的数据。这是经典 IDE / ATA 控制器的一个选项，但仅作为后备，以防万一在您的主板或 PCI HD 控制器上发生不良事件（如锁定或数据损坏），当hdparm用于将 Linux 驱动程序设置为在 pre-SATA 上使用 DMA 传输时系统。

显然，从技术上讲，PIO 仍然是 AHCI SATA 控制器的一个选项。但它从来都不是默认的；与过去很可能损坏硬件的糟糕日子不同，现代操作系统可以安全地期望 DMA 能够正常工作。

脚注 1：除非您的“硬盘驱动器”实际上是内存插槽中的非易失性 DIMM，例如Intel Optane DC PM，或电池供电的 DRAM）。将最近存储的数据从回写式 CPU 缓存推送到非易失性内存映射存储是clflushopt或之类指令的一个用例clwb。