Como a CPU/DMA acessa o disco rígido?

Os dados no disco rígido não fazem parte do espaço de endereço físico. ¹ Os dados não são mapeados na memória.

O controlador SATA (por exemplo) possui registradores de E/S que a CPU precisa gravar, para programá-la para fazer uma transferência DMA de nsetores de um determinado deslocamento de disco para um determinado endereço de memória física.

Alguns ou todos esses registradores de E/S podem ser acessados ​​via MMIO (cargas normais e armazenamentos em endereços especiais) em vez de in/ outporta IO. Mas ainda é só enviar os comandos desejados para o controlador SATA. (Para obter detalhes sobre isso, consulte https://wiki.osdev.org/AHCI .) AHCI é o tipo mais amplamente usado de kernel <-> interface de driver de hardware, mas existem outros (por exemplo, controladores RAID sofisticados que precisam de seus próprios drivers ).

por exemplo, o controlador AHCI SATA no meu mobo, de acordo com 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

Essas duas pequenas regiões de "memória" (2k e 8k) são quase certamente portas MMIO, mas também possuem algumas portas de E/S no espaço de endereço de E/S. O "non-prefetchable" é uma dica lá; se as leituras tiverem um efeito colateral, a pré-busca deve ser desativada.

Observe o flags: bus master. Isso significa que ele pode DMA de/para a memória principal.

Mas meu SSD NVMe tem apenas espaço MMIO, sem portas de E/S herdadas.

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

Controladores de discos rígidos modernos não fazem a CPU copiar os dados 4 ou 8 bytes por vez com "E/S programada". Essa era uma opção com controladores IDE / ATA clássicos, mas apenas como um recurso caso algo ruim acontecesse (como travamentos ou corrupção de dados) em sua placa-mãe ou controlador PCI HD ao usar hdparmpara configurar os drivers Linux para usar transferências DMA em pré-SATA sistemas.

Tecnicamente, o PIO ainda é uma opção para os controladores AHCI SATA, aparentemente. Mas nunca é o padrão; ao contrário dos velhos tempos, quando o hardware quebrado era uma possibilidade real, os sistemas operacionais modernos podem esperar com segurança que o DMA funcione corretamente.

Nota de rodapé 1 : a menos que seu "disco rígido" seja na verdade um DIMM não volátil em um slot de memória, como Intel Optane DC PM ou uma DRAM com bateria). Obter dados armazenados recentemente enviados de caches de CPU de write-back para armazenamento mapeado em memória não volátil é um caso de uso para instruções como clflushoptou clwb.