標籤: 電動車

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值得一提的是，皮卡車的改裝潛力絲毫不亞於傳統轎車，只要你喜歡，从里到外都能細細地更改一番，包括外包圍、懸挂底盤、發動機等等車身部分。3皮卡車在國內舉步維艱眾所周知，皮卡車向來不是市場還是廠商的主流產品，起初也是有不少廠家願意把資源傾向到皮卡車，例如長城。

SUV之所以會如此火爆，國人無非是看上它的高底盤與大空間。但是，要論綜合實力的話，皮卡車似乎還真找不到什麼對手，身懷十八般武藝樣樣精通。然而，即便是空有一身本領的皮卡車，輾轉進入國內，卻一直是叫好不叫座，一度成為低層專用的代名詞，或者被說成是土豪手中的大玩具，處在一個極為兩難的地位。

相信很多人對皮卡的印象還停留在好萊塢電影，影片中總會出現一款令你震撼驚艷的大皮卡車。與中國人熱衷SUV不同，皮卡車在美國簡直就是天堂，大街小巷隨處可見。皮卡車渾身上下都散發出一股濃郁的霸道硬漢氣質，與美國人奔放自由的性格取向不謀而合。反而在國內，大眾對於皮卡車的審美評價分歧得厲害，有人認為是男人就得擁有一台，但也有些人不以為然。當然，關於外形就沒什麼好計較的，總之是見仁見智。但有一點讓不得不承認，皮卡車真的非常耐操。

由於皮卡車的車架設計與貨車有很高的相似度，均是採用非承載車身的結構，因此，皮卡車完全具有更高強度的剛性與硬性，不僅能承受高負荷的承載量，同時又不失良好的通過性。除此之外，一顆強勁耐用的“大心臟”也是其制勝法寶，基本上皮卡車都搭載着大排量的自吸發動機，或者低扭強、成熟可靠的柴油發動機，獨特的駕駛體驗是SUV還是轎車遠遠所不及的。

不僅車身三大件穩定可靠，而且平日里的維護費用也非常低廉。儘管使用了大排量的發動機，但對於皮卡車這類粗養粗放的車型來說，

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實際的油耗會比SUV更具優勢，最可貴的是它們還不怎麼“挑食”。

得益於大塊頭、大動力等先天條件，賦予了皮卡車全方位多功能用途。目前來說，皮卡車大部分都是雙排座式，車內雖談不上多麼寬敞，但依然能夠滿足5個成年人的容量，舒適性則與車型的定位、價格有關。

寬大結實的后廂，無論塞滿多少沉甸甸的貨物都不在話下。值得一提的是，皮卡車的改裝潛力絲毫不亞於傳統轎車，只要你喜歡，从里到外都能細細地更改一番，包括外包圍、懸挂底盤、發動機等等車身部分。

眾所周知，皮卡車向來不是市場還是廠商的主流產品，起初也是有不少廠家願意把資源傾向到皮卡車，例如長城。但隨着國人消費觀念轉變和SUV、微面的興起，皮卡車便逐漸遭受冷遇，不斷有人意識到皮卡車只不過是高價的小“貨車”。 老百姓買低端皮卡車不放心，買高端的又不划算。在各方權衡利弊之下，同樣是多用途，但更便宜的微面贏得廣大三、四線城市和農村地區的青睞，皮卡車的市場佔有率自此呈現斷崖式下降。

皮卡車在農村地區失利，換成在一線城市也好不到哪去，處處碰壁，嚴重打擊了皮卡車在大城市的存活率。其中最大的問題就是出在嚴厲的政策把控，大城市幾乎都把皮卡車歸屬到貨車一列，皮卡車無法獲得與轎車、SUV同樣平等的路權，禁行、限行的手段層出不窮。不僅如此，貼反光條標識、年檢、報廢制度等強制規定，讓一部分潛在用戶徹底對皮卡車心灰意冷。

從今年年初放寬皮卡車的信號來看，多少能察覺到國家已經開始正視皮卡車的存在，未來想必也有希望迎來皮卡車大幅度解禁，這無論對刺激車市還是消費者，都算得上一個利好消息。但是，如今擺在消費者的一個難題是，車企受制於長期的政策壓力，國內可選擇的皮卡車數量十分匱乏，不是產品太低端，就是價格太作死。那麼，即然說到這，無一例外地推薦幾款耐操實幹的皮卡車吧！

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五十鈴 瑞邁

指導價：8.48-11.88萬

豐田坦途

指導價：49.00-51.80萬

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指導價：F-150 50-57萬

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去年底小米推出全球首款搭載高通最新 Snapdragon 888 處理器的旗艦 5G 手機「小米11」，這次小米11 除了機身比起上一代更輕薄，而如何收納 Snapdragon 888 處理器、4600mAh 大電量電池、 Harman Kardon 調音的立體聲雙揚聲器也是許多人所關心的問題。另外，小米這次除了搭載 VC 液冷散熱系統，更添加奈米隔熱材料以優化手機的熱傳導路徑。

小米11 官方拆解影片釋出，輕薄機身如何收納 S888 處理器、Harman Kardon 調音立體雙揚聲器？透過影片快速揭秘

為了讓眾人快速理解小米11 的設計，官方在近日也上傳了一段官方版的拆機影片，讓大家能以最簡單的方式快速理解小米11 的機身內部的設計重點。

拆開機身背板首先看到的是無線充電線圈，小米11 支持最高 50W 無線快充：

接著是主相機模組，小米11 搭載 1 億像素三鏡頭主相機，依序為 1.08 億像素主鏡頭採用 1/1.33″ 超大感光元件、支持四合一 1.6μm 大像素輸出、7P鏡片以及 f/1.85 大光圈， 1300 萬像素 f/2.4 光圈的 123° 超廣角鏡頭以及 500 萬像素長焦微距鏡頭的組合。

小米11 搭載 Qualcomm Snapdragon 888 處理器搭配 LPDDR5 3000MHz RAM 和 UFS 3.1 ROM ：

揚聲器也是這次小米11 的一大特色，採用與知名音響大廠 Harman Kardon 專業調音的立體聲雙揚聲器：

電量方面，小米11 內建 4600mAh 大容量電池，小米11 支持的 55W 有線快充可在 45 分鐘充電至 100% ：

震動回饋這次在小米11 內建大尺寸 X 軸線性馬達：

關於小米11 的散熱細節，小米官方解釋小米11 採用了目前最頂級的手機散熱材料，不僅擁有大面積的液冷 VC 均熱板，螢幕、音腔、主板等主要發熱區域還覆蓋了大量石墨、銅箔、導熱凝膠等組成立體散熱系統。
另外，小米11 更在散熱路徑的優化用全新的隔熱材料—「奈米氣凝膠」。通過「一疏一堵」的組合，讓散熱過程中的熱傳遞更合理，高效散熱的同時手感溫和不燙手。

小米官方表示，消費者普遍認為手機散熱只需簡單的導熱足夠好即可。然而，其實手機的發熱量是相對恆定、相對不可調整的，但熱傳遞的路徑是可通過熱設計進行優化。在手機內部 Z 軸的空間最短、X 軸空間較長，而 Y 軸空間則最充裕，在輕薄的手機上 Z 軸的空間更加侷促（可參考下方小米製作的示意圖）。
倘若只是盲目追求加速熱傳遞，局部熱量將沿著 Z 軸方向快速傳遞到手機表面，這反而會讓手機摸起來更燙手，造成手機發熱嚴重的錯覺、削減甚至隔斷 Z 軸空間的熱傳導能力。讓局部元器件發熱更多向 X 軸和 Y 軸的方向傳導，則能做到迅速散熱的同時，還兼顧觸摸手感。

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因此，小米也在小米11 嘗試採用全新的隔熱材料奈米氣凝膠，藉此隔斷手機發熱沿 Z 軸的傳導通道、阻斷了內部熱源與手機表面之間的傳遞路徑。阻隔的這部分熱量，通過小米11 內部的立體散熱系統在 X 軸和 Y 軸傳導，這樣既解決局部發熱的問題保證晶片的正常工作，又避免了局部的單點發熱還沒來得及均熱，就過早被手掌感知。

奈米氣凝膠類似於羽絨衣的隔熱原理，內部由二氧化矽為主的有機分子骨架，可將空氣包裹在骨架的空間，空氣含量高達 97% 以上，就像一個微型的羽絨服。空氣層導熱率極低，能夠提供很好的隔熱能力。而且輕薄的結構特性，也讓奈米氣凝膠擁有極佳的隔熱性能的同時，也滿足了手機輕薄的需求 。

這次小米11 另一項有感升級則是將機身變得更輕薄，其中原因之一也包括採用超薄螢幕下指紋辨識，這次指紋感應器更支持心律檢測功能：

圖片/消息來源：小米手機（微博）

完整影片

 

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前言

上一節我們整體概括通過MMU將虛擬地址翻譯為物理地址的轉換，這個過程都是按序就班的進行，一切都是基於已提前創建、分配虛擬頁、物理頁以及命中的前提，只是給和我一樣沒怎麼系統學習操作系統的童鞋首先在腦海里有個大概的印象，本節我們從源頭開始分析為程序創建進程到映射到主存上整個詳細過程，本文將通過大量圖解來分析原理，以便讓各位能夠完全理解地址翻譯原理。若有敘述不當之處，還請批評指正。 

虛擬內存原理分析

如果沒有系統學習現代操作系統，理論上我們會認為用戶程序會將內存視為單個連續的內存空間，實際上可以將用戶程序在內存中分佈可以分散在頁面的整個物理內存中。分頁是一種內存管理方案，它允許進程的物理地址空間不連續。

物理內存劃分：將物理內存劃分為稱為幀的固定大小的塊（大小為2的冪，介於512字節和16 MB之間，必須跟蹤所有空閑幀）

虛擬（邏輯）內存劃分：將邏輯內存分成大小相同的塊（稱為頁，每一塊也是分為相同大小的頁面）

若要運行大小為N頁的程序，需要找到N個空閑幀並加載程序

地址翻譯方案

通過常駐內存中的頁表將虛擬地址翻譯為物理地址， CPU生成的虛擬地址被劃分為虛擬頁號（用作頁表索引，該頁表包含物理內存中每個頁的基地址）和虛擬頁偏移量（與基址結合找到存儲單元的物理存儲地址）。對於給定的邏輯地址空間2^m和頁面大小2ⁿ，如下：

分頁內存管理方案本質就是通過MMU將CPU產生的虛擬地址通過中間媒介（頁表）進行地址翻譯，如下為簡單翻譯版本，一目瞭然。

上述我們學習了將邏輯地址（虛擬地址）劃分為頁號（注意：頁號並不屬於頁表的一部分，頁號不儲存在主存）和頁偏移量，到底是怎樣藉助頁號和頁偏移量進行翻譯的呢？我們舉個例子：假設如下一個32字節的物理內存，邏輯地址空間為16字節，說明邏輯地址有4位，而頁幀偏移量為4個字節，因頁幀偏移量和虛擬頁偏移量相等，所以虛擬頁偏移量也為4個字節即2位，所以頁號為（4-2）= 2位即邏輯地址共有4頁，如此假設和實際理論計算對等。地址翻譯如下：

若CPU要找出邏輯地址為4的物理地址，通過上述我們知道邏輯地址為4在第1頁且偏移量為0，然後去查找頁表索引等於1的頁幀號為6，因為物理地址 = （frame * pageSize）+ offset，所以邏輯地址4的物理地址=（6 * 4 bytes）+ 0 byte offset = 24。同理，比如如上邏輯地址為7在第1頁，偏移量為3對應頁表上的幀6，所以其物理地址為：（6 * 4 bytes）+ 3 byte offset = 27，這裏需要注意的是物理地址的偏移量是相對這頁的起始位置偏移。通過上述圖解，我們反推根據邏輯地址和每頁字節大小計算出其所在頁和偏移量（下面根據虛擬地址計算虛擬頁號和偏移量會用到），比如邏輯地址為7，因每頁大小為4個字節，則所在頁為（7 / 4） = 1，偏移量（7 mod / 4） = 3。

擴展頁表條目（PTE）信息

現代計算機頁表上的條目除了包含將虛擬地址翻譯為虛擬地址的主要信息（有效位、頁號）外，其中還包含如下其他信息（下面講解頁面置換算法會用到）：

保護位（Protection）：控制對指定虛擬頁的訪問是否可讀、可寫、可執行

引用位（Refrence）：為了近似實現LRU算法，幫助操作系統估算最近最少使用的頁，當一頁被訪問時該位將被置位，操作系統定期將引用位清零，然後重新記錄，這樣就可以判定在這段特定時間內哪些頁被訪問過，通過檢查引用位是否關閉，操作系統就可以從那些最近最少訪問的頁中選擇一頁

臟位（Modify）：當某一頁被替換時，操作系統需要知道該頁是否需要被複制寫回，為了追蹤讀入主存中的頁是否被寫過，增加一個臟位，當頁中任何字被寫時就將這一位置位。如果操作系統選擇替換某一頁，臟位指明了把該頁所佔用的主存讓給另一頁之前，是否需要將該頁寫回磁盤，因此，一個被修改的頁通常被稱為臟頁。

TLB緩存頁表

上一節我們講過CPU產生邏輯地址后通過MMU轉換為物理地址時，每次都要訪問頁表，訪問緩存和主存的時間相差上百個時鐘周期，所以為了提高查找性能則使用TLB，我們可認為TLB是實現頁表最好的方式，本質上是緩存頁表。在沒有TLB作為緩存時，我們使用頁號（VPN）作為索引去頁表上查找物理頁號，引入TLB后，將頁號劃分為TLBT（TLB標記）和TLBI（TLB索引）只是做了一下轉換而已，TLBI佔2位，剩餘的位就是TLBT。下面會通過一個實際例子來講解如何結合TLBT和TLBI在TLB上查找。

 

TLB作為頁表的緩存，用於存放映射到頁幀中的那些項，TLB包含了頁表中虛擬頁到頁幀映射的一個子集，因為將其作為緩存，所以額外還存在如上一個標記區域（TLBT），換句話說頁表不同於TLB並不是作為緩存，所以並不需要標記區域，再加上如上額外的PTE擴展信息，所以TLB的存儲結構如下：

TLB缺失

接下來我們開始進入TLB缺失環節，我們假設虛擬地址有14位，物理地址有16位，每頁大小有64個字節，那麼虛擬地址空間和物理地址空間如下圖所示

因為每頁大小為64字節即（2⁶），同時虛擬頁偏移量和頁幀偏移量相等，所以虛擬頁偏移量和頁幀偏移量都為6位，那麼將虛擬地址空間和物理地址空間劃分為對應的頁號和頁偏移量則如下圖所示：

接下來則是將虛擬頁號劃分為TLBT和TLBI，因為TLB包含16個條目且4路關聯，那麼說明有S =（16 / 4）= 4組，那麼TLBI佔位 =  log_{2^{S = 2}}，剩餘的則是TLBT = （8 – 2） = 6位，如下圖所示

現在我們對虛擬地址和物理地址都有了完整的劃分，現在假設TLB和頁表狀態存儲結構分別如下圖

 

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假設現在CPU產生一個虛擬地址（0x0334），首先我們需要將其轉換為虛擬頁號（VPN），因每個頁面大小為64字節，所以計算方式如下代碼

var xvpn = Convert.ToInt32("0x334", 16);
var vpn = xvpn / 64; //vpn = 12
var vpo = xvpn % 64; //vpo = 52

上述計算出VPN等於12，然後將其對應虛擬地址上的VPN和VPO用二進製表示，分別如下圖所示

而存儲在TLB和頁表上的狀態都是16進制，所以上述VPN = 12₁₀ = 0x0C₁₆和VPO = 52₁₀ = 0x34₁₆，到此已經劃分完VPN和VPO，接下來則是將VPN劃分為TLBT和TLBI，由上述我們已經知道TLBT和TLBI在VPN中所佔位數，所以如下圖所示

由上我們可得出TLBT = 3₁₀ = 0x03₁₆，而TLBI = 0，有了TLBT（0x03）和TLBI（0）再去查找TLB狀態表，如下紅色標記

由上圖我們發現此時標誌無效而且物理頁號也沒有，此時發生TLB缺失，於是通過MMU將虛擬地址得到的VPN去頁表中查找

此時我們看到在頁表中也缺失，所以這裏將發生缺頁異常。TLB缺失分為如下兩種情況

頁在主存（頁表）中，只需要創建缺失的TLB表項

頁不在主存（頁表）中，需要將控制權交給操作系統來解決缺頁 

TLB缺失既可以通過軟件處理也可以通過硬件處理，比如MIPS、Alpha通過軟件處理TLB缺失，x86、ARM通過硬件處理TLB缺失，兩種處理方式在性能差別上很小，無論哪一種方式需要執行的基本操作都是一樣的。理論上來講，在進程分配頁幀時會將對應頁幀更新到頁表上，但是上述情況並未在主存頁表中說明在頁幀列表中沒有空閑的頁幀，所以這是TLB缺失中真正的缺頁情況，此時將觸發缺頁異常，控制權交給操作系統內核中的缺頁異常處理程序，操作系統知道了引起缺頁的虛擬地址，操作系統必須完成以下3個步驟：【1】使用虛擬地址查找頁表項，並在磁盤上找到被訪問的頁的位置【2】選擇替換一個物理頁，如果該選中的頁被修改過，需要在把新的虛擬頁裝入之前將這個物理頁寫回磁盤，這一過程稱為頁面置換【3】啟動讀操作，將被訪問的頁從磁盤上取回到所選擇的物理頁的位置上【4】重新執行引發缺頁的那條指令。因為第3個步驟需要耗費數百萬個時鐘周期，如果第2個步驟中被替換的物理頁已被重寫過，那麼同樣也會花費這麼長時間，因此操作系統會選擇另外一個進程在處理器上執行直到磁盤訪問結束，所以前3個步驟執行所耗費的時間比較長，最後重新執行缺頁指令。若在頁表中找到了頁幀號（即頁在主存中），那說明TLB缺失只是一次轉換缺失，在這種情況下，CPU只需要將頁表項裝載到TLB並且重新訪問來進行缺失處理。

頁面置換算法

為了解決缺頁情況，所以必須實現頁面置換作為請求調頁的基礎，這裏我們介紹常見的幾種置換算法，分別是Optional or MIN algorithm、FIFO(First-In-First-Out)、Clock、LRU(Least Recently Used)，針對各個算法，現假設有（1、2、3、4、1、2、5、1、2、3、4、5）12個引用串，4個空閑頁幀。

FIFO（先進先出）

該算法記錄了每個頁面記錄調到內存的時間，當必須置換頁面時，將選擇最舊的頁面，請注意，並不需要記錄調入頁面的確切時間，可以通過創建一個隊列實現此目的。具體過程太過簡單，這裏就不再細講，此時將發生10次缺頁錯誤，我們可計算出缺頁率為（10/12）= 83%。如下：

 

OPT or MIN(最優)

最優置換算法找出最長時間沒有使用的頁，具有最低缺頁率，可以用作離線分析方法，但是難以實現。此時將發生6次缺頁錯誤，我們可計算出缺頁率為（6/12）= 50%。如下：

 

LRU（最近最少使用）

FIFO算法使用的是頁面調入內存的時間，OPT算法使用的是頁面將來使用的時間，而LRU算法採用置換最長時間沒有的頁，該算法將每個頁面與它上次使用的時間關聯起來，當需要置換頁面時，LRU選擇最長時間沒有使用的頁面，該算法很難實現。此時將發生8次缺頁錯誤，我們可計算出缺頁率為（8/12）= 67%。如下：

啟動和切換進程

上述我們只是從已經將程序加載到內存中所創建的進程角度來分析如何將虛擬地址翻譯為物理地址，由於操作系統負責管理內存，因此必須了解物理內存的分配詳細信息，分配了哪些頁幀、每個頁幀分配個哪個進程的哪個頁面，哪些頁幀可用，總共有多少幀，對此我們還一無所知。將用戶程序加載到虛擬內存中的進程後為其劃分對應的虛擬頁，假設如下劃分了4個虛擬頁，操作系統在跟蹤的頁幀列表找出空閑（操作系統分配幀算法，這裏暫不討論）的頁幀分配給虛擬頁，然後操作系統再啟動進程。如下圖：

 

如上節所述頁表保存在主存中，當調度進程時通過頁表基址寄存器（PTBR）指向激活的指定進程頁表， 當然也會加載另外一個寄存器（程序計數器，PC），所以每個數據或指令訪問需要進行兩次主存訪問，一次是頁表，另一次則是用於數據或指令。

 

當進程希望以受限的方式共享信息時，操作系統必須對其進行協助，這是因為訪問另外一個進程的信息需要改變訪問進程的頁表，寫訪問位可以用來把共享限製為只讀，並且和頁表中其他位一樣，該位只能被操作系統所修改。為了允許另一進程，設為P1，去讀屬於進程P2的一頁，P2就要請求操作系統在P1地址空間中為一個虛擬頁生成頁表項，指向P2想要共享的物理頁。如果P2要求操作系統可以使用寫保護位以防止P1對數據進行改寫，由於只有TLB缺失才會訪問頁表，任何決定頁對的訪問權限不僅要包含在頁表中，還要包含在TLB中。當操作系統決定從進程P1切換到P2時，我們稱之為上下文切換，它必須保證P2不能P1的頁表，否則不利於數據保護，若沒有TLB，只需要把頁表基址寄存器指向P2的頁表而不是P1就夠了，如果有TLB，我們必須在其中清除屬於P1的表項，不僅僅是為了保護P1的數據，而且是為了迫使TLB裝入P2的表項。如果進程切換的頻率很高，那麼這一舉措效率將會很低。例如，在操作系統切回P1之前，P2可能只裝入了很少的TLB表項，但是，P1隨後發現它所有的表項都不見了，因此不得不通過TLB缺失來重新加載這些表項，產生這個問題的原因在於進程P1和P2使用同一虛擬地址空間，並且我們必須清除TLB以防止地址混淆。另一種常見的方法則是增加進程標識符和任務標識符來擴展虛擬地址空間，比如FastMATH就有8位地址空間標識域（ASID），這個標識域標識了當前正在運行的進程，當進程切換時，它保存在由操作系統裝入的寄存器中，進程標識符與TLB的標記部分相連接，因此只有在頁號和進程標識符相匹配時，TLB才會發生命中，如此一來，除非特殊情況，我們就不需要清除TLB。 說了怎麼多除了保護機制外，當我們切換進程時主要需要做哪些工作呢（即從一個進程控制塊（Process Control Block，PCB）切換到另一個進程塊，後續會深入講解操作系統線程和進程）？

切換頁表到當前PCB

頁表基址寄存器指向當前頁表

清除TLB，並將當前頁表項裝載到TLB（按需加載，進程訪問哪些頁才將對應頁表項加載到TLB）

留個作業

若TLB中的PTE條目達到上限即滿時，不難想象理論上會替換現有條目，那麼採取替換的策略或機制是怎樣的呢？

總結

基於上一節內容我們詳細講解了將虛擬地址翻譯為物理地址的具體過程、進程頁幀分配、頁面置換算法，在講解TLB缺失時並未涉及高速緩存，TLB和高速緩存將在下一節作為詳解。關於虛擬內存內容通過一兩篇文章根本講解不清楚，比如還有減少頁表容量方式、TLB和高速緩存關係、Intel和Linux虛擬內存系統等等。我盡量通過圖解方式來帶給大家較好的理解體驗，能夠更好的消化和吸收虛擬內存。

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雷軍說，小米的模式是「互聯網+製造」。

這顯然指的是現在的小米，一個不同於2010年成立之初，為了一塊手機屏幕、一家代工廠商忙得焦頭爛額的小米。

在過往十年裡，小米恰如其時地趕上了智能手機的全生命周期，從開局到全盛、再到如今的幾近飽和，智能手機成就了移動互聯網，也成就了小米。

小米卻不僅僅是一家手機廠商，至少在這位當時已將金山軟件送上港交所、在投行浸潤多年的知名投資人眼裡，小米應該有更大的格局。

“其實很多人不懂小米，”在接受《中國企業家》採訪時，雷軍如是說。

過往幾年，雷軍多次強調“小米從來都不是一家只做硬件的公司”。實際上，小米在成立之初甚至差點兒成了下一個騰訊。

即使在最終選定智能手機賽道后，小米也一再出圈，做生態鏈、做家電、做物聯網、做“地產”……

「互聯網+製造」，也只不過是小米又一次打破常規的瘋狂生長。

差點兒成了下一個騰訊

小米之所以是小米，是因為智能手機。

其實，在小米成立之初，也曾抓到過另一個機遇，IM（即時通訊）。

2010年10月19日，加拿大滑鐵盧大學一個學生團隊研發出了一款軟件，名為Kik Message。

這是一款基於本地通訊錄與聯繫人直接建立聯繫，並在此基礎上實現免費短信聊天的即時通訊工具，發布兩周內，註冊用戶數就超過了100萬。

當時，本來打算做智能手機、對移動互聯網行業高度關注的小米團隊，最先關注到了這款軟件，僅在一個月後（2010年12月10日），第一代米聊誕生。

米聊誕生時，小米還沒有手機，不過這不要緊，因為當時的米聊是直接上線到安卓、iOS兩大應用市場中的，對於當時擁有多位來自谷歌的大神的小米初創團隊來說，干這樣一款手機軟件自然是輕車熟路。

不過，當時小米團隊中鮮有人能夠預見，這將是一門體量不亞於小米規劃中的主業——智能手機的生意。

自米聊發布后，用戶數幾乎每周翻一倍，短短几個月的時間里，用戶數就達到了100萬，這讓雷軍看到了米聊成為下一代即時通訊工具的希望。

不過，雷軍當時有一個擔心，騰訊會不會跟進。

雷軍當年有三種設想，小米官方授權傳記《一往無前》中對此有詳細描述：

如果騰訊用QQ這個產品來迎戰米聊的話，小米尚有一絲機會，因為QQ在手機上的體驗過重，不符合移動互聯網短平快的用戶體驗；

如果騰訊沒有犯任何戰略錯誤，選擇用完全相同的產品形態來迎戰米聊的話，只有在它能給米聊一年搶跑時間的前提下，小米才有50%的勝算；

如果騰訊在一年之內拿出一模一樣的產品，那麼，騰訊的綜合資源是小米的一萬倍，小米將處於完全的弱勢，屆時，騰訊會把全部的工程資源和推廣資源撲上來，小米獲勝的概率將是零。

結果是，騰訊在這一步上沒有犯錯，而且跟進得相當及時，甚至在關鍵時刻集結重兵壓線。

為什麼當時這家已經成立13年的上市公司會這麼在乎這款“小產品”呢？

原因在於，即時通訊是騰訊的“基本盤”，騰訊丟不起。

就在小米開始籌備米聊過程中，偏安一隅的張小龍帶着一個不到10人的小團隊開始在內部研發同樣的產品。經過兩個月的內部研發后，2011年1月21日，微信正式上線。

接下來就是一場用戶搶奪的近身肉搏戰。

在隨後一段時間里，用戶增長為服務器帶來的壓力讓兩家公司壓力山大，紛紛調來核心團隊開始大軍團作戰，最後的戰局如當下所見——QQ、微信成為騰訊生態體系的兩大“基本盤”，用米聊贏得不少關注度的小米最終轉向做智能手機這一“正業”上。

試想一下，如果當時騰訊晚些時日入場、或者小米有足夠的彈藥，小米或將不再是現在的小米，很可能已經成了下一個騰訊。

這是小米離成為“互聯網大佬”最近的一次，或許雷軍不會想到，在此之後的幾年裡，他需要無數次向人們解釋：「小米是一家互聯網公司，不是一家只做硬件的公司」。

小米的“鐵人三項”

做即時通訊無果的小米，最終回到了智能手機這條最初規劃的主業上。

作為互聯網圈內知名投資人、目標全球市場的雷軍，對智能手機的商業模式有自己獨特的理解。

他將智能手機商業模式總結為“鐵人三項”——硬件+軟件+互聯網。

用雷軍的話解釋就是，“把軟件、硬件和互聯網融為一體，可以另闢蹊徑、‘降維攻擊’”。

現在回過頭來看，雷軍提出的“鐵人三項”和喬布斯做智能手機的“封閉體系完美論”如出一轍。

不過也正是用這樣的商業模式，雷軍“勸服”了一個初創團隊，最終將小米手機帶進了全球前五。甚至在今年Q3，小米手機全球出貨量首超蘋果，全球市場排名位列第三。

同樣是在做智能手機這幾年裡，在手機廠商同行眼裡，有點另類的小米還做對了另一件事——小米生態鏈。

生態鏈構建的小米疆界

2013年年底，雷軍做出一個決定——用投資的方式孵化智能硬件公司。

雷軍在小米成立之初提出的“鐵人三項”模式不僅適用於智能手機，同樣適用於大部分智能硬件。

這就是有了後來眾人皆知的小米生態鏈。

談到小米生態鏈，就不得不提及另一位小米聯合創始人，劉德。

劉德是工業設計科班出身，開過設計公司、當過大學老師、到過美國頂尖設計名校留學深造。進入小米后，主抓的是小米手機的工業設計，與雷軍不同，在受命搭建小米生態鏈之前，劉德還不曾干過投資這件事。

正式接手搭建小米生態鏈工作后，劉德從內部組建起一支小型投資團隊，和劉德一樣，這個投資團隊成員是由工程師和設計師組成，對於投資這件事兒，都是只聽過、沒幹過。

正是這支毫無經驗的投資團隊，在短短几年時間里，用工程師思維投出了一個小米生態鏈，小米生態鏈也不負眾望地在互聯網世界里，為小米劃出了自己的疆界。

回到最初小米的設想，雷軍最初為這支投資團隊“划的重點”是「手機周邊」。

早年間小米投資或孵化出的做移動電源的紫米、做數據線的碩米、做智能手環的華米、做藍牙耳機的萬魔聲學，都是沿着這一思路。

在開啟生態鏈計劃時，雷軍曾為小米定下“5年內投資100家生態鏈企業”的目標。

100家生態鏈企業自然不會全都是「手機周邊」，「手機周邊」之外，小米生態鏈還有另外兩個圈層——「智能硬件」、「生活耗材」。

與小米生態鏈計劃幾乎同時展開的，還有小米的IoT業務，小米的IoT業務最初源於一個Wi-Fi模組。

2014年年初的一天，小米聯合創始人黃江吉帶着高自光、殷明君，拿着一個Wi-Fi模組找到雷軍說，“我們研發出了一個Wi-Fi小模組，只要把這個小模組放到任何一個硬件里，這個硬件立刻可以被手機控制，從而連接到我們的IoT網絡中。”

現場，他們還通過手機、燈泡為雷軍進行了Demo演示。

在這之後，殷明君的創業團隊被小米收購，小米IoT部門初步形成。

小米當時的IoT業務開展的並不順利，在外部與家電廠商尋求合作屢屢碰壁后，他們最終將Wi-Fi模組首先應用到了小米生態鏈企業智米的空氣凈化器上。

某種意義上來看，小米的IoT和生態鏈天然互補，生態鏈為IoT提供了落地空間，IoT為生態鏈提供了更高的價值和意義。這也成就了後來小米相對封閉的生態。

隨後幾年時間里，小米生態鏈通過“效率”、“成本”兩把尖刀，硬生生在互聯網世界中劃出了一道印記，這道印記被稱為“小米模式”。

在小米生態鏈出現之前，BAT是擺在所有互聯網創業者面前的三座大山，吳曉波在《騰訊傳》中曾這樣寫道：

在風險甚至流傳着這樣的一個說法：

當一位創業者向投資人解說自己的項目的時候，必須要回答一個問題——騰訊會不會做這個項目？或者，如果騰訊進入，你如何保證不被“幹掉”？

雷軍也曾表示，“在我們布局IoT的同時，也是為了繞開BAT三座大山。”

IoT+生態鏈，讓小米繞開了“三座大山”，開闢了一個新戰場。尤其隨着智能家居、產業互聯網等概念在國內興起，在其他互聯網創業者眼中，小米開始成了一座想要“繞開”的山。

近日在科創板上市的平衡車領域的頭部企業九號機器人，也是小米生態鏈早期投資的智能硬件企業之一。早年間，九號機器人創始人高祿峰此前在接受媒體採訪時曾透露：

當時正在思考生態鏈布局的小米已經將我們的競爭對手都看過了，換句話說，如果小米不投我們，投了別人，我們會非常被動，於是我們開始主動接觸小米。

最終小米投資了九號機器人，2015年10月19日，兩家合作的第一款產品「九號平衡車」，售價1999元，再次打破了行業定價規律。

對於將硬件凈利潤不超過5%的寫進招股書的小米，眾口不一。有人認為，小米這是用低價扼殺了國內同行的生存空間、創新空間；也有人認為，這是又一家有野心的中國企業的崛起。

倒是在翻看《小米生態鏈戰地筆記》一書時，雷鋒網在雷軍為這本書寫注寫的序中看到這樣一句話：

小米，就是要做中國製造業的鯰魚。

隨後幾年裡，小米陸續投資或孵化了近300家企業，在互聯網世界里構建起了小米的疆界，小米這條“鯰魚”也悄無聲息地游進了家電領域。

王川和大家電

與其他手機廠商同行不同，小米一直都是一家不安分的手機廠商。

在建立小米生態鏈之前，小米已經親自下場做了路由器、智能電視。其中，小米電視的靈魂人物是小米第八位聯合創始人，王川。

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說起來，王川其實不在小米初創團隊之列，也沒有和雷軍一起喝過那碗小米粥，不過，王川卻是又一位在加入小米之前就已經實現了財富自由的人。

王川同樣是一位“帶資進組”的硬件專家。

2012年，加入小米之前，王川就看到了智能電視這一市場機遇。當時，蘋果、谷歌都已經推出了電視盒子，王川的多看科技也開始着手面向國內市場研發這一款產品。這一產品最終在當年11月面世，被命名為小米盒子，成為王川帶給小米的第一份“禮物”。

小米的智能電視要比小米盒子晚一年，那時的智能電視更多是被稱為互聯網電視。

與眾多互聯網風口一樣，2013年，互聯網電視風口同樣引來了不少虎狼之師。

9月5日，在小米2013年年度發布會上，小米電視正式亮相，售價2999元。

然而，即便在國內，想要做互聯網電視的也不只小米一家。國內主流電視廠商聯合互聯網廠商同期發布的互聯網電視並不少見。

9月3日，愛奇藝、TCL聯合發布“TV+”，經典版TV+定價2999元；

9月10日，阿里、創維聯合發布第一款互聯網電視——搭載阿里TV操作系統及創維天賜系統的創維酷開55K1和42K1；

……

此外，當時還有個風頭無兩的樂視。

樂視在5月發布的超級電視S40直接將售價直接壓到1999元，X60在9月23日宣布與騰訊達成深度合作，由騰訊旗下綜合性電商平台易迅網通過“集采、包銷”方式銷售樂視TV·超級電視X60。

當年，幼年的小米電視並不是一枝獨秀，甚至算不上出彩，也正是這個看似不突出的“幼崽”，自那個風雨飄搖的年代堅持到了現在，並成為今日決定小米江湖地位的一款關鍵產品。

在剛剛過去的2019年，小米電視出貨量破千萬台，樂視卻再也不是那個曾經的樂視。

正是由於在小米電視上的大獲全勝，當小米在2019年大刀闊斧地進入大家電領域時，王川再次披甲上陣。

2019年5月17日，小米進行組織架構調整，宣布成立大家電事業部，任命王川為大家電事業部總裁，負責除電視之外的空調、冰箱、洗衣機等大家電品類的業務開展和團隊管理工作。

在小米官宣進入大家電領域之前，已經早早通過生態鏈摸進了大家電領域：

2017年3月11日，小米生態鏈企業雲米發布了雲米互聯網智能冰箱，隨後，雲米又發布了互聯網洗衣機；

2017年8月10日，做空氣凈化器起家的智米發布了1.5P全直流變頻空調；

……

在2019年4月的小米電視發布會上，雷軍再次提及，“大家電業務是小米AIoT戰略重要組成部分和未來10年持續發展藍圖的核心拼圖之一。”

對於小米做家電，雷鋒網接觸的不少行業人士都表示，對於要做智能家居產業鏈的小米而言，做家電也在意料之中。

互聯網廠商做大家電、做白電會有什麼門檻嗎？

雷鋒網向家電行業資深專家了解到：

智能家電其實是家電行業和互聯網行業的一個交集，這個領域就技術難度、市場推廣等方面來說，互聯網企業比傳統白電企業更有優勢。

在具體的生產製造方面，互聯網企業完全可以找OEM代工解決；從產品設計方面來看，他們與有着二三十年行業沉澱的家電行業頭部企業還是有一定差距，現在主要蠶食的其實是中小型家電企業的市場份額。

小米的大家電事業部成立后，不到一年時間里，通過「小米」、「米家」兩個品牌布局了“空冰洗、廚衛電”在內的幾乎所有家電產品，甚至在年底還發布了小米互聯網空調，着實還是為董小姐捏了一把汗。

2013年，在央視年度經濟人物頒獎典禮上，雷軍與董明珠定下“10億賭約”時，曾有一次戲劇性的對話：

董明珠：如果全世界的工廠都關掉了，你還有銷售（額）嗎？

雷軍：我覺得董總是在挑撥離間，小米用的是最好的工廠和最好的供應鏈……

董明珠：（如果）我（的工廠）不給你做呢？

雷軍：今天強調的是專業化分工，做工廠的把工廠做好，做產品的專心做產品……

董明珠：那我空調給你賣算了。

雷軍：可以考慮呀~

董小姐有所不知的是，雷軍當時說的可以考慮的不僅僅是“小米賣空調”，還有“小米開工廠”。

從“敬畏製造業”到“+製造”

在事後回憶起這次很大程度上節目組安排的“對賭”時，雷軍坦言：（當時）確實有點膨脹了。

“膨脹”是因為小米創立前三年吃到了功能機轉智能機的紅利，一直處於“瘋長模式”，手機銷量和公司估值像是吹氣球一樣在快速飆升。到2014年，小米手機已經以12.5%的市佔率位居國內第一（全球第三）。

2014年年底，小米完成又一輪11億美元融資后，估值高達450億美元，5年翻了180倍。

承認“膨脹了”是因為在三年瘋長后，小米開始遭遇增長瓶頸，增速放緩，甚至開始受到質疑。

美國《華爾街日報》援引知情人士消息稱，小米2015年未能達到8000萬部智能手機的銷售預期，投資者也開始質疑該公司高達450億美元的估值。

在隨後接受媒體採訪時，雷軍也透露，小米從2016年提出“要敬畏製造業”，並開始大規模補課硬件、下決心植根製造業。

經過三年補課，小米智能工廠最終出現在雷軍今年的十周年公開演講中。

雷軍說，為了做這間工廠，小米在過去三年時間里投資了110家做智能裝備的公司。

在年底的MIDC 2020上，小米智能工廠的部分細節逐漸對外公布：

除了貼片機，其它絕大部分生產設備採用的都是小米自研的設備。

一期工廠中除了上下料外，實現了全部智能化，一期自動化率達到63%，年底對整機組裝和包裝環節優化后，自動化率提升至75%。

同樣是在年底大會上，小米智能工廠的三年規劃和整體規劃圖也被和盤托出：

2019年，進行自動化建設，通過機器人與自動化建設替代人工；

2020年，進行網絡化建設，通過全面網絡化進行數據採集和應用；

2021年，進行智能化建設，實現基於數據和知識的智能決策。

從做手機跨到做智能工廠，跨度究竟有多大？

雷鋒網向智能製造相關從業人士了解到：

自動化只是智能工廠的初級階段，目前自動化產線相關技術也已經比較成熟，只要找到合適的人，有足夠的經費投入，已經算不上什麼門檻。

推進智能工廠，並不能降低小米手機的成本。手機是一個迭代非常快的產業，生產手機外殼或相關零配件的專用機床，往往三個月到半年就要更新換代，這方面生產設備的成本非常高。即便是智能工廠，成本也不低，所以小米的智能工廠，目前更多應該是應用在市場周期更長的高端手機，例如小米10至尊版。

小米智能工廠的想象空間是基於小米對於用戶需求的收集反饋，打通消費者需求、研發和製造的閉環，類似阿里的犀牛智造。

雷軍是在不惑之年創立的小米，他曾說，改變製造業是小米的終極夢想。

現在，10歲的小米正在用互聯網改變製造業，也在用製造業改變小米。

小米的“鐵蹄”，沒有邊界

如果在小米公司內部孵化硬件企業，必然會降低公司的專註度，這對公司的發展是致命的。

小米成長初期，雷軍曾這樣考慮。

因此也就有了“不做航母，做艦隊”一說，有了小米生態鏈。

不過，在小米成立十年之際再回頭看，你會發現，通過投資、孵化，在手機之外，小米前沖后撞，給自己開闢出一個廣闊的疆域。

我們可以看到，小米除去有手機、音箱等智能硬件外，同時：

在家電行業，就“功能機”轉“智能機”之際，抓住機會，跨界爭奪紅利期；

在製造行業，憑藉自身供應鏈優勢、互聯網基因，借政策東風，加碼加力；

甚至在地產行業，在智能家居、智慧社區中，也可見「小米+生態鏈+金山雲」組合的身影。

小米曾經官宣，在物聯網周期內，小米有「1+4+X」的戰略布局。

而其實，真正的小米，似乎沒有邊界。

就像曾經的一代天驕成吉思汗，“鐵蹄”所到之處，即為帝國疆域。

【本文作者王金旺，由合作夥伴微信公眾號：雷鋒網授權發布，文章版權歸原作者及原出處所有，轉載請聯繫原出處。文章系作者個人觀點，不代表立場。如內容、圖片有任何版權問題，請聯繫（editor@zero2ipo.com.cn）處理。】

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Intel 近年來大舉進軍自駕車市場，在 2017 年時收購了自駕技術公司 Mobileye，經過數年的潛心開發，隨 CES 2021 如火如荼開展， Intel 高級副總裁暨 Mobileye 首席執行官 Amnon Shashua 在今日（1/12）的直播中向全球說明了 Mobileye 與眾不同的目標與豪情壯志。

Mobileye 自駕開發成果說明，與 Intel 合作打造整合 SoC 提高安全性

Shashua 在描述技術的三位一體特色時，著重強調了為何感測器數量比人工駕駛時更多且更高階的重要性，將 REM 映射技術（Road Experience Management）、以規則為基礎的 RSS（Responsibility-Sensitive Safety）駕駛策略、與內建雷達與雷射雷達技術的兩個獨立攝影機等整合成有效解決方案。Mobileye 從技術和業務兩個角度同時切入，將技術降低至可負擔的成本以因應未來的自駕車市場，這點對於全球性的擴散推廣至關重要，整套解決方案利用成本較低的攝影機作為主要感測器，加上相輔相成的輔助系統，從而實現比人類駕駛高出三階的安全標準。Mobileye 採用 True Redundancy 系統，可以更快且更低成本地驗證效能水準。

Shashua 解釋道，未來自駕車將強化對於無線電和光的檢測、測距能力，這方面可以進一步提升道路安全標準，目前 Mobileye 與 Intel 所開發的解決方案，能利用 Intel 自家的製造技術將雷達與雷射雷達放在單一晶片上，同時對演算進行最佳化並有效降低成本。Mobileye 還將推出全新的軟體定義雷達系統，透過全數位化和訊號處理，不同的掃描模式、豐富的原始偵測和多幀跟踪，每秒對物體進行 50 萬次掃描，使其技術更上一層樓。Shashua 還說明了利用 Intel XPU 策略、專業和製造力開發出一種雷射雷達系統單 SoC，有望在 2025 年開始將此技術提供 Mobileye 用於自駕車上。 

Mobileye 現有的技術可以自動繪製世界地圖，每天追踪繪製近 800 萬公里，迄今為止已完成近 10 億公里，此映射過程與其他方法的不同之處在於，它對細節的關注程度不同，這對自駕車的理解和具象環境化的能力相當重要。為了使自駕車實現其挽救生命的目標，它們必須進行推廣並能夠在幾乎所有地區行駛，Mobileye 的自動地圖繪製過程已配屬在各地近 100 萬輛已配備 Mobileye 駕駛輔助技術的車輛上。

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為了展示這些自動地圖的可擴展性特色，Mobileye 將開始在四個新的國家/ 地區擴展測試車隊。該公司會將車輛運送到目的地的團隊後，經過適當的安全培訓，這些車輛將可以上路駕駛，在 2020 年初將在底特律、東京、上海、巴黎和紐約（審核中）啟用新車 。

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IO 軟件目標

設備獨立性

現在讓我們轉向對 I/O 軟件的研究，I/O 軟件設計一個很重要的目標就是設備獨立性(device independence)。啥意思呢？這意味着我們能夠編寫訪問任何設備的應用程序，而不用事先指定特定的設備。比如你編寫了一個能夠從設備讀入文件的應用程序，那麼這個應用程序可以從硬盤、DVD 或者 USB 進行讀入，不必再為每個設備定製應用程序。這其實就體現了設備獨立性的概念。

再比如說你可以輸入一條下面的指令

sort 輸入 輸出

那麼上面這個 輸入 就可以接收來自任意類型的磁盤或者鍵盤，並且 輸出 可以寫入到任意類型的磁盤或者屏幕。

計算機操作系統是這些硬件的媒介，因為不同硬件它們的指令序列不同，所以需要操作系統來做指令間的轉換。

與設備獨立性密切相關的一個指標就是統一命名(uniform naming)。設備的代號應該是一個整數或者是字符串，它們不應該依賴於具體的設備。在 UNIX 中，所有的磁盤都能夠被集成到文件系統中，所以用戶不用記住每個設備的具體名稱，直接記住對應的路徑即可，如果路徑記不住，也可以通過 ls 等指令找到具體的集成位置。舉個例子來說，比如一個 USB 磁盤被掛載到了 /usr/cxuan/backup 下，那麼你把文件複製到 /usr/cxuan/backup/device 下，就相當於是把文件複製到了磁盤中，通過這種方式，實現了向任何磁盤寫入文件都相當於是向指定的路徑輸出文件。

錯誤處理

除了設備獨立性外，I/O 軟件實現的第二個重要的目標就是錯誤處理(error handling)。通常情況下來說，錯誤應該交給硬件層面去處理。如果設備控制器發現了讀錯誤的話，它會盡可能的去修復這個錯誤。如果設備控制器處理不了這個問題，那麼設備驅動程序應該進行處理，設備驅動程序會再次嘗試讀取操作，很多錯誤都是偶然性的，如果設備驅動程序無法處理這個錯誤，才會把錯誤向上拋到硬件層面（上層）進行處理，很多時候，上層並不需要知道下層是如何解決錯誤的。這就很像項目經理不用把每個決定都告訴老闆；程序員不用把每行代碼如何寫告訴項目經理。這種處理方式不夠透明。

同步和異步傳輸

I/O 軟件實現的第三個目標就是 同步(synchronous) 和 異步(asynchronous，即中斷驅動)傳輸。這裏先說一下同步和異步是怎麼回事吧。

同步傳輸中數據通常以塊或幀的形式發送。發送方和接收方在數據傳輸之前應該具有同步時鐘。而在異步傳輸中，數據通常以字節或者字符的形式發送，異步傳輸則不需要同步時鐘，但是會在傳輸之前向數據添加奇偶校驗位。下面是同步和異步的主要區別

比較條件	同步傳輸	異步傳輸
概念	塊頭序列開始	它分別在字符前面和後面使用開始位和停止位。
傳輸方式	以塊或幀的形式發送數據	發送字節或者字符
同步方式	同步時鐘	無
傳輸速率	同步傳輸比較快	異步傳輸比較慢
時間間隔	同步傳輸通常是恆定時間	異步傳輸時間隨機
開銷	同步開銷比較昂貴	異步傳輸開銷比較小
是否存在間隙	不存在	存在
實現	硬件和軟件	只有硬件
示例	聊天室，視頻會議，電話對話等。	信件，电子郵件，論壇

回到正題。大部分物理IO(physical I/O) 是異步的。物理 I/O 中的 CPU 是很聰明的，CPU 傳輸完成後會轉而做其他事情，它和中斷心靈相通，等到中斷髮生后，CPU 才會回到傳輸這件事情上來。

I/O 分為兩種：物理I/O 和 邏輯I/O(Logical I/O)。

物理 I/O 通常是從磁盤等存儲設備實際獲取數據。邏輯 I/O 是對存儲器（塊，緩衝區）獲取數據。

緩衝

I/O 軟件的最後一個問題是緩衝(buffering)。通常情況下，從一個設備發出的數據不會直接到達最後的設備。其間會經過一系列的校驗、檢查、緩衝等操作才能到達。舉個例子來說，從網絡上發送一個數據包，會經過一系列檢查之後首先到達緩衝區，從而消除緩衝區填滿速率和緩衝區過載。

共享和獨佔

I/O 軟件引起的最後一個問題就是共享設備和獨佔設備的問題。有些 I/O 設備能夠被許多用戶共同使用。一些設備比如磁盤，讓多個用戶使用一般不會產生什麼問題，但是某些設備必須具有獨佔性，即只允許單個用戶使用完成后才能讓其他用戶使用。

下面，我們來探討一下如何使用程序來控制 I/O 設備。一共有三種控制 I/O 設備的方法

• 使用程序控制 I/O
• 使用中斷驅動 I/O
• 使用 DMA 驅動 I/O

使用程序控制 I/O

使用程序控制 I/O 又被稱為 可編程I/O，它是指由 CPU 在驅動程序軟件控制下啟動的數據傳輸，來訪問設備上的寄存器或者其他存儲器。CPU 會發出命令，然後等待 I/O 操作的完成。由於 CPU 的速度比 I/O 模塊的速度快很多，因此可編程 I/O 的問題在於，CPU 必須等待很長時間才能等到處理結果。CPU 在等待時會採用輪詢(polling)或者 忙等(busy waiting) 的方式，結果，整個系統的性能被嚴重拉低。可編程 I/O 十分簡單，如果需要等待的時間非常短的話，可編程 I/O 倒是一個很好的方式。一個可編程的 I/O 會經歷如下操作

• CPU 請求 I/O 操作
• I/O 模塊執行響應
• I/O 模塊設置狀態位
• CPU 會定期檢查狀態位
• I/O 不會直接通知 CPU 操作完成
• I/O 也不會中斷 CPU
• CPU 可能會等待或在隨後的過程中返回

使用中斷驅動 I/O

鑒於上面可編程 I/O 的缺陷，我們提出一種改良方案，我們想要在 CPU 等待 I/O 設備的同時，能夠做其他事情，等到 I/O 設備完成后，它就會產生一个中斷，這个中斷會停止當前進程並保存當前的狀態。一個可能的示意圖如下

儘管中斷減輕了 CPU 和 I/O 設備的等待時間的負擔，但是由於還需要在 CPU 和 I/O 模塊之前進行大量的逐字傳輸，因此在大量數據傳輸中效率仍然很低。下面是中斷的基本操作

• CPU 進行讀取操作
• I/O 設備從外圍設備獲取數據，同時 CPU 執行其他操作
• I/O 設備中斷通知 CPU
• CPU 請求數據
• I/O 模塊傳輸數據

所以我們現在着手需要解決的就是 CPU 和 I/O 模塊間數據傳輸的效率問題。

使用 DMA 的 I/O

DMA 的中文名稱是直接內存訪問，它意味着 CPU 授予 I/O 模塊權限在不涉及 CPU 的情況下讀取或寫入內存。也就是 DMA 可以不需要 CPU 的參与。這個過程由稱為 DMA 控制器（DMAC）的芯片管理。由於 DMA 設備可以直接在內存之間傳輸數據，而不是使用 CPU 作為中介，因此可以緩解總線上的擁塞。DMA 通過允許 CPU 執行任務，同時 DMA 系統通過系統和內存總線傳輸數據來提高系統併發性。

I/O 層次結構

I/O 軟件通常組織成四個層次，它們的大致結構如下圖所示

每一層和其上下層都有明確的功能和接口。下面我們採用和計算機網絡相反的套路，即自下而上的了解一下這些程序。

下面是另一幅圖，這幅圖显示了輸入/輸出軟件系統所有層及其主要功能。

下面我們具體的來探討一下上面的層次結構

中斷處理程序

在計算機系統中，中斷就像女人的脾氣一樣無時無刻都在產生，中斷的出現往往是讓人很不爽的。中斷處理程序又被稱為中斷服務程序 或者是 ISR(Interrupt Service Routines)，它是最靠近硬件的一層。中斷處理程序由硬件中斷、軟件中斷或者是軟件異常啟動產生的中斷，用於實現設備驅動程序或受保護的操作模式（例如系統調用）之間的轉換。

中斷處理程序負責處理中斷髮生時的所有操作，操作完成后阻塞，然後啟動中斷驅動程序來解決阻塞。通常會有三種通知方式，依賴於不同的具體實現

• 信號量實現中：在信號量上使用 up 進行通知；
• 管程實現：對管程中的條件變量執行 signal 操作
• 還有一些情況是發送一些消息

不管哪種方式都是為了讓阻塞的中斷處理程序恢復運行。

中斷處理方案有很多種，下面是 《ARM System Developer’s Guide

Designing and Optimizing System Software》列出來的一些方案

• 非嵌套的中斷處理程序按照順序處理各个中斷，非嵌套的中斷處理程序也是最簡單的中斷處理
• 嵌套的中斷處理程序會處理多个中斷而無需分配優先級
• 可重入的中斷處理程序可使用優先級處理多个中斷
• 簡單優先級中斷處理程序可處理簡單的中斷
• 標準優先級中斷處理程序比低優先級的中斷處理程序在更短的時間能夠處理優先級更高的中斷
• 高優先級 中斷處理程序在短時間能夠處理優先級更高的任務，並直接進入特定的服務例程。
• 優先級分組中斷處理程序能夠處理不同優先級的中斷任務

下面是一些通用的中斷處理程序的步驟，不同的操作系統實現細節不一樣

• 保存所有沒有被中斷硬件保存的寄存器
• 為中斷服務程序設置上下文環境，可能包括設置 TLB、MMU 和頁表，如果不太了解這三個概念，請參考另外一篇文章
• 為中斷服務程序設置棧
• 對中斷控制器作出響應，如果不存在集中的中斷控制器，則繼續響應中斷
• 把寄存器從保存它的地方拷貝到進程表中
• 運行中斷服務程序，它會從發出中斷的設備控制器的寄存器中提取信息
• 操作系統會選擇一個合適的進程來運行。如果中斷造成了一些優先級更高的進程變為就緒態，則選擇運行這些優先級高的進程
• 為進程設置 MMU 上下文，可能也會需要 TLB，根據實際情況決定
• 加載進程的寄存器，包括 PSW 寄存器
• 開始運行新的進程

上面我們羅列了一些大致的中斷步驟，不同性質的操作系統和中斷處理程序能夠處理的中斷步驟和細節也不盡相同，下面是一個嵌套中斷的具體運行步驟

設備驅動程序

在上面的文章中我們知道了設備控制器所做的工作。我們知道每個控制器其內部都會有寄存器用來和設備進行溝通，發送指令，讀取設備的狀態等。

因此，每個連接到計算機的 I/O 設備都需要有某些特定設備的代碼對其進行控制，例如鼠標控制器需要從鼠標接受指令，告訴下一步應該移動到哪裡，鍵盤控制器需要知道哪個按鍵被按下等。這些提供 I/O 設備到設備控制器轉換的過程的代碼稱為 設備驅動程序(Device driver)。

為了能夠訪問設備的硬件，實際上也就意味着，設備驅動程序通常是操作系統內核的一部分，至少現在的體繫結構是這樣的。但是也可以構造用戶空間的設備驅動程序，通過系統調用來完成讀寫操作。這樣就避免了一個問題，有問題的驅動程序會幹擾內核，從而造成崩潰。所以，在用戶控件實現設備驅動程序是構造系統穩定性一個非常有用的措施。MINIX 3 就是這麼做的。下面是 MINI 3 的調用過程

然而，大多數桌面操作系統要求驅動程序必須運行在內核中。

操作系統通常會將驅動程序歸為 字符設備 和 塊設備，我們上面也介紹過了

在 UNIX 系統中，操作系統是一個二進製程序，包含需要編譯到其內部的所有驅動程序，如果你要對 UNIX 添加一個新設備，需要重新編譯內核，將新的驅動程序裝到二進製程序中。

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然而隨着大多數個人計算機的出現，由於 I/O 設備的廣泛應用，上面這種靜態編譯的方式不再有效，因此，從 MS-DOS 開始，操作系統轉向驅動程序在執行期間動態的裝載到系統中。

設備驅動程序具有很多功能，比如接受讀寫請求，對設備進行初始化、管理電源和日誌、對輸入參數進行有效性檢查等。

設備驅動程序接受到讀寫請求后，會檢查當前設備是否在使用，如果設備在使用，請求被排入隊列中，等待後續的處理。如果此時設備是空閑的，驅動程序會檢查硬件以了解請求是否能夠被處理。在傳輸開始前，會啟動設備或者馬達。等待設備就緒完成，再進行實際的控制。控制設備就是對設備發出指令。

發出命令后，設備控制器便開始將它們寫入控制器的設備寄存器。在將每個命令寫入控制器后，會檢查控制器是否接受了這條命令並準備接受下一個命令。一般控制設備會發出一系列的指令，這稱為指令序列，設備控制器會依次檢查每個命令是否被接受，下一條指令是否能夠被接收，直到所有的序列發出為止。

發出指令后，一般會有兩種可能出現的情況。在大多數情況下，設備驅動程序會進行等待直到控制器完成它的事情。這裏需要了解一下設備控制器的概念

設備控制器的主要主責是控制一個或多個 I/O 設備，以實現 I/O 設備和計算機之間的數據交換。

設備控制器接收從 CPU 發送過來的指令，繼而達到控制硬件的目的

設備控制器是一個可編址的設備，當它僅控制一個設備時，它只有一個唯一的設備地址；如果設備控制器控制多個可連接設備時，則應含有多個設備地址，並使每一個設備地址對應一個設備。

設備控制器主要分為兩種：字符設備和塊設備

設備控制器的主要功能有下面這些

• 接收和識別命令：設備控制器可以接受來自 CPU 的指令，並進行識別。設備控制器內部也會有寄存器，用來存放指令和參數

• 進行數據交換：CPU、控制器和設備之間會進行數據的交換，CPU 通過總線把指令發送給控制器，或從控制器中并行地讀出數據；控制器將數據寫入指定設備。

• 地址識別：每個硬件設備都有自己的地址，設備控制器能夠識別這些不同的地址，來達到控制硬件的目的，此外，為使 CPU 能向寄存器中寫入或者讀取數據，這些寄存器都應具有唯一的地址。

• 差錯檢測：設備控制器還具有對設備傳遞過來的數據進行檢測的功能。

在這種情況下，設備控制器會阻塞，直到中斷來解除阻塞狀態。還有一種情況是操作是可以無延遲的完成，所以驅動程序不需要阻塞。在第一種情況下，操作系統可能被中斷喚醒；第二種情況下操作系統不會被休眠。

設備驅動程序必須是可重入的，因為設備驅動程序會阻塞和喚醒然後再次阻塞。驅動程序不允許進行系統調用，但是它們通常需要與內核的其餘部分進行交互。

與設備無關的 I/O 軟件

I/O 軟件有兩種，一種是我們上面介紹過的基於特定設備的，還有一種是設備無關性的，設備無關性也就是不需要特定的設備。設備驅動程序與設備無關的軟件之間的界限取決於具體的系統。下面显示的功能由設備無關的軟件實現

與設備無關的軟件的基本功能是對所有設備執行公共的 I/O 功能，並且向用戶層軟件提供一個統一的接口。

緩衝

無論是對於塊設備還是字符設備來說，緩衝都是一個非常重要的考量標準。下面是從 ADSL(調製解調器) 讀取數據的過程，調製解調器是我們用來聯網的設備。

用戶程序調用 read 系統調用阻塞用戶進程，等待字符的到來，這是對到來的字符進行處理的一種方式。每一個到來的字符都會造成中斷。中斷服務程序會給用戶進程提供字符，並解除阻塞。將字符提供給用戶程序后，進程會去讀取其他字符並繼續阻塞，這種模型如下

這一種方案是沒有緩衝區的存在，因為用戶進程如果讀不到數據會阻塞，直到讀到數據為止，這種情況效率比較低，而且阻塞式的方式，會直接阻止用戶進程做其他事情，這對用戶來說是不能接受的。還有一種情況就是每次用戶進程都會重啟，對於每個字符的到來都會重啟用戶進程，這種效率會嚴重降低，所以無緩衝區的軟件不是一個很好的設計。

作為一個改良點，我們可以嘗試在用戶空間中使用一個能讀取 n 個字節緩衝區來讀取 n 個字符。這樣的話，中斷服務程序會把字符放到緩衝區中直到緩衝區變滿為止，然後再去喚醒用戶進程。這種方案要比上面的方案改良很多。

但是這種方案也存在問題，當字符到來時，如果緩衝區被調出內存會出現什麼問題？解決方案是把緩衝區鎖定在內存中，但是這種方案也會出現問題，如果少量的緩衝區被鎖定還好，如果大量的緩衝區被鎖定在內存中，那麼可以換進換出的頁面就會收縮，造成系統性能的下降。

一種解決方案是在內核中內部創建一塊緩衝區，讓中斷服務程序將字符放在內核內部的緩衝區中。

當內核中的緩衝區要滿的時候，會將用戶空間中的頁面調入內存，然後將內核空間的緩衝區複製到用戶空間的緩衝區中，這種方案也面臨一個問題就是假如用戶空間的頁面被換入內存，此時內核空間的緩衝區已滿，這時候仍有新的字符到來，這個時候會怎麼辦？因為緩衝區滿了，沒有空間來存儲新的字符了。

一種非常簡單的方式就是再設置一個緩衝區就行了，在第一個緩衝區填滿后，在緩衝區清空前，使用第二個緩衝區，這種解決方式如下

當第二個緩衝區也滿了的時候，它也會把數據複製到用戶空間中，然後第一個緩衝區用於接受新的字符。這種具有兩個緩衝區的設計被稱為 雙緩衝(double buffering)。

還有一種緩衝形式是 循環緩衝(circular buffer)。它由一個內存區域和兩個指針組成。一個指針指向下一個空閑字，新的數據可以放在此處。另外一個指針指向緩衝區中尚未刪除數據的第一個字。在許多情況下，硬件會在添加新的數據時，移動第一個指針；而操作系統會在刪除和處理無用數據時會移動第二個指針。兩個指針到達頂部時就回到底部重新開始。

緩衝區對輸出來說也很重要。對輸出的描述和輸入相似

緩衝技術應用廣泛，但它也有缺點。如果數據被緩衝次數太多，會影響性能。考慮例如如下這種情況，

數據經過用戶進程 -> 內核空間 -> 網絡控制器，這裏的網絡控制器應該就相當於是 socket 緩衝區，然後發送到網絡上，再到接收方的網絡控制器 -> 接收方的內核緩衝 -> 接收方的用戶緩衝，一條數據包被緩存了太多次，很容易降低性能。

錯誤處理

在 I/O 中，出錯是一種再正常不過的情況了。當出錯發生時，操作系統必須盡可能處理這些錯誤。有一些錯誤是只有特定的設備才能處理，有一些是由框架進行處理，這些錯誤和特定的設備無關。

I/O 錯誤的一類是程序員編程錯誤，比如還沒有打開文件前就讀流，或者不關閉流導致內存溢出等等。這類問題由程序員處理；另外一類是實際的 I/O 錯誤，例如向一個磁盤壞塊寫入數據，無論怎麼寫都寫入不了。這類問題由驅動程序處理，驅動程序處理不了交給硬件處理，這個我們上面也說過。

設備驅動程序統一接口

我們在操作系統概述中說到，操作系統一個非常重要的功能就是屏蔽了硬件和軟件的差異性，為硬件和軟件提供了統一的標準，這個標準還體現在為設備驅動程序提供統一的接口，因為不同的硬件和廠商編寫的設備驅動程序不同，所以如果為每個驅動程序都單獨提供接口的話，這樣沒法搞，所以必須統一。

分配和釋放

一些設備例如打印機，它只能由一個進程來使用，這就需要操作系統根據實際情況判斷是否能夠對設備的請求進行檢查，判斷是否能夠接受其他請求，一種比較簡單直接的方式是在特殊文件上執行 open操作。如果設備不可用，那麼直接 open 會導致失敗。還有一種方式是不直接導致失敗，而是讓其阻塞，等到另外一個進程釋放資源后，在進行 open 打開操作。這種方式就把選擇權交給了用戶，由用戶判斷是否應該等待。

注意：阻塞的實現有多種方式，有阻塞隊列等

設備無關的塊

不同的磁盤會具有不同的扇區大小，但是軟件不會關心扇區大小，只管存儲就是了。一些字符設備可以一次一個字節的交付數據，而其他的設備則以較大的單位交付數據，這些差異也可以隱藏起來。

用戶空間的 I/O 軟件

雖然大部分 I/O 軟件都在內核結構中，但是還有一些在用戶空間實現的 I/O 軟件，凡事沒有絕對。一些 I/O 軟件和庫過程在用戶空間存在，然後以提供系統調用的方式實現。

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