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软件和硬件，既相互依存又需要某种程度上的相互独立。通过软件和硬件之间的接口把两者连接在一起。软硬件接口，有很多含义：比如指令集是CPU软件和硬件之间的接口；比如一些硬件模块（包括IO接口模块、GPU、各种加速引擎等）暴露出来的可读写寄存器，则为控制接口；再比如，CPU和GPU或其他硬件模块之间通过DMA进行数据交互的（软硬件间的）数据传输接口。软硬件接口，是个非常庞大的命题。本文是《软硬件融合》图书内容的节选，聚焦在软件和硬件之间的数据交互接口。
我们在计算机的基础课程里一般都学过IO交互的四种模式：寄存器模式、中断模式、DMA模式和通道模式。随着计算机技术的发展，除了IO设备，还有很多独立的硬件组件通过各种类型总线跟CPU连接在一起。接口已经不仅仅是用于IO数据传输场景，也用于软件（运行于CPU的程序）和其他硬件之间的数据交互场景。注：本文用“软硬件接口”特指软件和硬件之间数据交互的接口。
传统的非硬件缓存一致性总线，是需要软件驱动显式的控制设备来进行数据交互的。通过梳理软硬件接口的演进，逐步给出软硬件接口的定义。a. 软硬件接口演进
(a) CPU轮询 (b) CPU中断 © DMA方式
(d) 共享队列 (e) 用户态轮询 (f) 多队列图1 软硬件接口的演进软硬件接口是在IO接口基础上的扩展，如图1，我们结合IO交互的四种模式，重新梳理一下软硬件接口的演进：
说明：本小节所讲的内容，主要是基于传统的非缓存一致性总线的数据交互演进。随着跨芯片的缓存数据一致性总线开始流行，通过硬件完成数据交互，在提升性能的同时，也简化了软件设计。
b. 软硬件接口的组成部分粗略的说，软硬件接口是由驱动（Driver）和设备（Device）组成，驱动和设备的交互也即软件和硬件的交互。更确切一些的说，软硬件接口包括交互的驱动软件、硬件设备的接口部分逻辑，也包括内存中的共享队列，还包括传输控制和数据信息的总线。
图2软硬件接口硬件架构示意模型如图2，是软硬件接口硬件架构的示意模型。软硬件接口的组件详细介绍如下：
生产者消费者问题（Producer-Consumer Problem）是多进程同步问题的经典案例之一，描述了共享固定大小缓冲区的两个进程，即所谓的“生产者”和“消费者”，在实际运行时如何处理交互的问题。如图3所示，生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者不会在缓冲区中空时消耗数据。
图3 经典生产者消费者模型解决问题的基本办法是：让生产者在缓冲区满时休眠，等到消费者消耗缓冲区中的数据，从而缓冲区有了空闲区域的时候，生产者才能被唤醒，开始继续往缓冲区添加数据；同样，也需要让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者继续消耗数据。a. 进程间通信一个生产者进程，一个消费者进程，生产者进程通过共享缓冲传递数据给消费者进程。如果程序员不够小心，没有考虑多进程间相互影响的话，很可能写出下面这段会导致“死锁”的代码。
// 该算法使用了两个系统库函数：sleep 和 wakeup。// 调用 sleep的进程会被阻断，直到有另一个进程用wakeup唤醒之。// 代码中的itemCount用于记录缓冲区中的数据项数。int itemCount = 0;
procedure producer() { while (true) { item = produceItem(); if (itemCount == BUFFER_SIZE) { sleep(); } putItemIntoBuffer(item); itemCount = itemCount + 1; if (itemCount == 1) { wakeup(consumer); } }}
procedure consumer() { while (true) { if (itemCount == 0) { sleep(); } item = removeItemFromBuffer(); itemCount = itemCount - 1; if (itemCount == BUFFER_SIZE - 1) { wakeup(producer); } consumeItem(item); }}
上面代码中的问题在于它可能导致竞争条件，进而引发死锁。考虑下面的情形：
由于两个进程都进入了永远的休眠，死锁情况出现了。因此，该算法是不完善的。我们可以通过引入信号量（Semaphore）的方式来完善这个算法。信号量能够实现对某个特定资源的互斥访问。
// 该方法使用了两个信号灯，fillCount和emptyCount；// fillCount用于记录缓冲区中存在的数据项数量；// emptyCount用于记录缓冲区中空闲空间数量；
// 当有新数据项被放入缓冲区时，fillCount增加，emptyCount减少；// 当有新数据项被取出缓冲区时，fillCount减少，emptyCount增加；
// 如果在生产者尝试减少emptyCount的时候发现其值为零，那么生产者就进入休眠。// 等到有数据项被消耗，emptyCount增加的时候，生产者才被唤醒。// 消费者的行为类似。
semaphore fillCount = 0; // 生产的项目semaphore emptyCount = BUFFER_SIZE; // 剩余空间procedure producer() { while (true) { item = produceItem(); down(emptyCount); putItemIntoBuffer(item); up(fillCount); }}
procedure consumer() { while (true) { down(fillCount); item = removeItemFromBuffer(); up(emptyCount); consumeItem(item); }}
b.分布式消息队列服务
消息队列中间件是分布式系统中重要的组件，主要解决应用耦合、异步消息、流量削峰等问题。消息（Message）是指在应用之间传送的数据，消息可以非常简单，比如只包含文本字符串，也可以更复杂，可能包含嵌入对象。消息队列（Message Queue）是一种应用间的通信方式，消息发送后可以立即返回，有消息系统来确保信息的可靠传递，消息发布者只管把消息发布到MQ中而不管谁来取，消息使用者只管从MQ中取消息而不管谁发布的，这样发布者和使用者都不用知道对方的存在。如图4，消息队列一般由三部分组成：
图4 消息队列模型消息队列具有如下特性：
互联网场景使用较多的消息队列有ActiveMQ、RabbitMQ、ZeroMQ、Kafka、MetaMQ、RocketMQ等。c. 驱动和设备通信NIC（Network Interface Adapter，网络接口卡）是典型的IO设备，网络数据包的传输有发送Tx和接收Rx两个方向。通过贡献的Tx Queue和Rx Queue来交互数据传输。我们以网络Tx的传输为例，介绍基于生产者消费者模型的驱动和设备数据交互。如图5，给出了网络包处理Tx发送的基本原理示意图（Rx接收跟Tx发送类似，控制流程一致，数据方向相反）。可以看到，在Tx的时候，驱动是生产者，设备是消费者，他们通过内存中共享的环形队列传输数据。一般在环形队列中的是用于描述数据的描述符，通过指针指向实际的数据块。当上层应用通过驱动把数据写到环形队列以后，驱动会把环形队列相关的状态信息告知设备端。设备端接收到信息后DMA开始工作，首先读取环形队列中的相应描述符，然后通过描述符信息搬运实际的数据块到硬件内部。搬运完成后硬件通过中断告知驱动，然后驱动会释放此块缓冲。
图5 网络驱动和设备通信示意图
DPDK和SPDK是当前主流的开源高速接口框架，核心的技术是用户态的轮询驱动。DPDK/SPDK支持两个核心的设备类型：DPDK聚焦高性能网络处理，SPDK聚焦高性能存储处理。a. DPDK介绍
DPDK（Data Plane Development Kit，数据平面开发套件）是在用户态中运行的一组软件库和驱动程序，可加速在CPU架构上运行的数据包处理工作负载。DPDK由英特尔大约在2010年创建，现在作为Linux基金会下的一个开源项目提供，在拓展通用CPU的应用方面发挥了重要作用。
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| (a) 基于Linux内核的包处理 | (b) 基于DPDK的包处理 |
图6 基于DPDK的包处理如图6(a)，传统Linux网络驱动存在如下一些问题：
如图6(b)，DPDK最核心的功能是提供了用户态的轮询模式驱动，为了加速网络IO，DPDK允许传入的网络数据包直通到用户空间而没有内存复制的开销，不需要用户空间和内核空间切换时的上下文处理。DPDK可在高吞吐量和低延迟敏感的场景加速特定的网络功能，如无线核心、无线访问、有线基础设施、路由器、负载均衡器、防火墙、视频流、VoIP等。DPDK所使用的优化技术主要有：
b. SPDK介绍在数据中心中，固态存储介质正在逐渐替换机械HDD，NVMe在性能、功耗和机架密度方面具有明显的优势。因为固态存储吞吐量提升，存储软件需要花费更多的CPU资源；因为固态存储延迟性能的大幅提升，存储软件的处理延迟则开始凸显。总结来说，随着存储介质性能的进一步提升，存储软件栈的性能和效率越来越成为存储系统的瓶颈。如图7，SPDK（Storage Performance Development Kit，存储性能开发套件）利用了很多DPDK的组件，在DPDK的基础上，加入了存储的相关组件。SPDK的核心技术依然是用户态的PMD。SPDK已经证明，使用一些处理器内核和一些NVMe驱动器进行存储，而无需额外的卸载硬件，可以轻松实现每秒数百万个IO。
图7 SPDK基于DPDK和一些新的组件SPDK由许多组件组成，这些组件相互连接并共享用户态和轮询模式操作的通用功能。每个组件都是为了克服特定场景的性能瓶颈而开发的，并且，每个组件也可以集成到非SPDK架构中，从而使客户可以利用SPDK的技术来加速自己的软件应用。从底层到上层，SPDK的组件包括：