此前的文章中，我们通过向地址 B8000h 写入数据来实现在显示器上输出彩色的文本，我们介绍说这是“彩色字符模式”，并且介绍了它的用法：

进军保护模式

可是，你是否好奇这一切是为什么，CPU 是如何与这些硬件连接并进行处理的呢？

本文我们就来探究这其中的奥秘。

如果你接触过单片机电路的设计，你会将作为 CPU 的单片机的各个管脚直接与外围设备进行连接，最早的计算机架构正是这样的。

将每个设备连接到固定的管脚，然后通过 IO 指令直接操作对应管脚上的设备，这是最简单的计算机架构组织方式了。但这样发展下去，很快就会发现 CPU 的管脚完全不够用了。此时，使用一套抽象的外围设备管理和操作方式就显得至关重要了。

现代操作系统中，所有外围设备都被一个抽象的设备 -- 总线作为桥梁与 CPU 的核心线路连接在一起。

所有设备都被编排到一个地址空间中，设备与设备之间的区别仅在于他们所处的地址不同，当 CPU 需要操作某个设备时，只需要根据先前约定的设备所在的地址，通过 IO 指令操作地址引脚，借由一块 74LS373 锁存芯片将地址信号发往总线，同时，CPU 再操作数据引脚，借由一块 74LS245 芯片与总线进行数据通信。

总线收到请求后，就会根据地址编码找到对应的设备，将从数据引脚收到的数据发送到对应的设备，从而实现对相应设备的操作。

如图所示，整个线路由核心的一块 8284A 时钟芯片发出周期性的时钟信号，CPU 通过 8288、74LS373、74LS245 三块芯片实现与总线的通信，分别实现控制总线、地址总线、数据总线的功能。

除此以外，图中级联在 CPU 上的两片中断控制器 8259A 我们已经有过详细的介绍了。

保护模式下的中断和异常（上） -- 硬件原理篇

保护模式下的中断和异常（下） -- 软件实战篇

通过这套架构，我们就可以直接向先前约定好的 B8000h 写入指定格式的数据，就像操作普通的内存一样，就可以实现显示器设备的操作了，其他的诸如硬盘、声卡等设备也都被简化为这样的操作逻辑。

可以看出这样的抽象架构下，计算机核心的软硬件系统实现了极大地通用性和便捷性，外围设备经过抽象，也可以实现相当灵活的可扩展性。

但上图中还有一块 8237A 芯片，这又是什么呢？接下来我们就来详细介绍一下。

内存与硬盘作为两个存储设备，承载了与 CPU 最为频繁的通信。

经过前面的文章介绍，我们已经非常清楚，保护模式下，通过内存数据中特权级的保护，实现了不同内存读写、执行等权限的管理，从而避免了操作系统特权级的反复切换。

利用调用门实现特权级间跳转（上） -- 原理篇

但硬盘则不然，由于硬盘数据具有持久性，所以不可能做到针对单条数据授予操作系统不同特权级的访问权限，这意味着，操作系统的每次对硬盘进行读写操作，都必须切换到内核态才可以进行，而由于硬盘读写速度的限制，当 CPU 向总线发起读写请求，需要阻塞一段时间后才能够真正收到标志着完成时间的中断信号，这时，CPU 又要需要保存执行上下文，陷入到中断响应函数中，进行大量的拷贝工作，从而完成从硬盘到内存的数据接收。

显然，这一过程会极大地拖慢系统的响应能力，这是操作系统无法容忍的。

4.1 DMA 技术

DMA 是 Direct Memory Access 的缩写，它通过引入一块与 CPU 级联的 8237A 芯片代理 CPU 的中断响应以及大量数据拷贝工作，这块芯片也就是 DMA 控制芯片，他的存在让 CPU 与磁盘的交互从：

变成：

这样，CPU 便从持久的阻塞状态与繁重的拷贝工作中解放了出来：

1. 当用户进程发起硬盘读写操作后，操作系统进行第一次特权级切换，从用户态进入内核态；
2. CPU 执行第一次数据拷贝，将用户传入的请求参数数据拷贝到 DMA 芯片，发起 IO 请求；
3. CPU 进行第二次特权级切换，从内核态切换回用户态，继续处理其他工作；
4. DMA 芯片通过总线与磁盘控制器进行通信，并将参数写入磁盘缓冲区，发起 IO 请求，这是 DMA 芯片的首次拷贝；
5. 当磁盘完成数据读写，并将结果写入到磁盘缓冲区后，磁盘触发 DMA 中断通知 DMA 芯片；
6. DMA 芯片执行第二次拷贝操作，将数据从磁盘缓冲区写入到操作系统内核缓冲区中，并触发 CPU 中断，通知 CPU 操作完成；
7. CPU 进行第三次特权级切换，从用户态进入内核态；
8. CPU 执行第二次数据拷贝，将数据从内核数据缓冲区拷贝到用户地址空间中；
9. CPU 进行第四次特权级切换，回到用户态并返回。

上述通过 DMA 芯片进行的硬盘读写过程需要进行四次特权级切换和四次拷贝操作。

如果能够减少这些特权级切换和拷贝操作，系统性能必然会大幅提升。

从这一思路出发，“零拷贝”技术就这样诞生了，那么，大名鼎鼎的“零拷贝”技术到底是出于什么样的思路设计，又有哪些实现呢？敬请期待下一篇文章，为您详细解读。

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实现一个操作系统