第四章 I/O设备管理¶

I/O 设备¶

关注的：该设备给软件提供了何种编程接口。

包括：

• 接受的控制命令
• 完成的功能
• 返回的出错报告

类型：

• 交互方向：输入设备、输出设备、输入/输出
• 数据组织：块设备（有地址，可以并行）、字符设备（字符流 ，无地址）、网络设备

I/O设备的组成：

• 机械部分——“物理设备本身”
• 电子部分——设备控制器【一组芯片】、适配器【印刷电路卡】
  • 完成设备和主机之间的连接和通讯

主机与 IO 设备的通讯¶

设备控制器上会有

• 寄存器

• 数据缓冲区

供 OS 读取。

编址方法：

• IO独立编址

  • 寄存器 → I/O 端口编号【I/O端口地址】
  • 用专门的 I/O 指令对端口进行操作

• 内存映像编址

  • 寄存器 → 内存地址，专门用于I/O操作（功能上）

  • 端口地址空间 \(\subset\) 内存的地址空间统一编址，端口位于内存的顶端。

  • 不能缓存设备控制器中的寄存器！

• 混合编址

  • 寄存器：独立编址；
  • 数据缓冲区：内存映像编址。

检测方式¶

循环检测方式¶

轮询：循环检测设备是否就绪；循环检测设备是否完成。

控制的所有工作均由CPU来完成

中断驱动方式¶

循环检测会造成CPU时间的浪费

思路：

• I/O设备完成任务 ---> 控制器通过总线向中断控制器发出一个信号(1)
• 中断控制器接受信号，把设备编号放在地址线上，并向CPU发出一个中断信号(2)。
• CPU中断，以编号从中断向量表中取出处理程序的起始地址，并在该程序运行后向中断控制器发出确认信号(3)。

流程：

• 用户进程通过系统调用函数来发起I/O操作
• 系统调用函数阻塞用户进程，让其他先用。
• I/O操作完成时，设备向CPU发出中断，然后在中断处理程序中做进一步的处理【内核态，可能是继续IO】。

直接内存访问方式¶

例：读操作

• CPU向设备控制器发出命令，启动读操作；
• 设备控制器控制I/O设备完成此次读操作，并将数据保存在设备控制器内部的数据寄存器或缓冲区中，然后中断CPU；
• 然后把数据读入内存。

在硬件上需要一个DMA控制器。

• 访问系统总线，代替CPU去指挥I/O设备与内存之间的数据传送。
• DMA控制器包含了一些寄存器，可被CPU来读或写。包括：
  • 一个内存地址寄存器 ---> 数据存储到哪
  • 一个字节计数器 ---> 准备的字节的多少
  • 一个或多个控制寄存器（指明了I/O设备的端口地址、数据传送方向、传送单位，以及每一次传送的字节数）

尽量减少 CPU 的参与，释放 CPU 时间

I/O 软件¶

本身的接口？层次关系？

OS 提供给用户程序编写者的接口¶

• 设备独立性：操作不同类型外设时、接口一致
• 统一命名：用简单的字符串或整数的方式来命名一个文件或设备
• 阻塞与非阻塞I/O
  • 阻塞：进程被阻塞起来，直到I/O操作完成，同步
  • 非阻塞：I/O调用立即返回，异步

OS 提供给底层 I/O 设备的接口¶

OS把各种类型的设备划分为三类，并为每一类定义了一个标准接口

• 块设备
• 字符设备
• 网络设备

I/O软件的层次结构¶

如何进行输入输出？¶

方案1¶

当用户进程需要输入输出服务时，会调用相应的系统调用函数(->sys_read)；

该函数又调用相应的设备驱动程序，驱动程序在启动I/O操作后被阻塞(->driver_read)；

I/O操作完成后，将产生一个中断，然后中断处理程序将接管CPU，并唤醒被阻塞的驱动程序。

foo_read()，该设备对read接口函数（read 调用 foo_read）的具体实现。 foo_interrupt()，中断处理函数。

size_t foo_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    foo_dev_t *foo_dev = filp->private_data;
    if(down_interruptible(&foo_dev->sem))//互斥
        return -ERESTARTSYS;
    foo_dev->intr = 0;  //同步
    outb(DEV_FOO_READ, DEV_FOO_CONTROL_PORT);
    wait_event_interruptible(foo_dev->wait,(foo_dev->intr == 1)); // 被阻塞
    if (put_user(foo_dev->data, buf))
        return -EFAULT;
    up(&foo_dev->sem);
    return 1;
}    

void foo_interrupt(int irq,void *dev_id,                   struct pt_regs *regs)
{
    foo->data = inb(DEV_FOO_DATA_PORT);
    foo->intr = 1;
    wake_up_interruptible(&foo->wait);
}

用户进程A → 系统调用(read) → foo_read → A 被阻塞 →

用户进程B → 被中断 → foo_interrupt → A被唤醒

方案2¶

• 块设备驱动程序：上层函数，负责管理请求队列；

• 底层函数，负责与硬件打交道，完成真正的I/O；

I/O请求的提交与真正实现是分离的。

各个用户进程（通过内核）调用上层函数，提交I/O请求(make_request)，然后阻塞；底层函数则从队列中取出每个I/O请求，并完成之。

没有什么是加一层解决不了的，如果有，那就加两层

设备独立的I/O软件¶

系统内核的一部分

基本任务：实现所有设备都需要的一些通用的I/O功能，并向用户级软件提供一个统一的接口。

实现的主要功能：

• 给上层应用的统一接口；
• 与设备驱动程序的统一接口；
• 提供与设备无关的数据块大小；
• 缓冲技术；

用户空间的I/O软件¶

库函数：如C语言里与I/O有关的库函数write、read等，它们实质上只是将它们的参数再传递给系统调用函数，并由后者来完成实际的I/O操作；

SPOOLing技术：在多道系统中，一种处理独占设备的方法。

实现：加一层虚拟的程序，提供虚拟 I/O

磁盘¶

磁道：传动装置固定，盘面旋转一周，磁头所能访问的圆环区域

柱面：在所有盘面上，半径相同的所有磁道组成一个柱面

扇区：磁道被划分为若干个扇区

磁盘的访问：以扇区作为最小的寻址和存取单位。

1. 首先移动传动装置，通过它来移动从磁头，从而定位正确的柱面
2. 选中对应的磁头，想要的扇区正好路过这个磁头正下方的时候，就可以对他进行访问了。

如何读写一个字节？读-修改、写¶

• 读入整个扇区
• 修改该字节
• 写回到磁盘的扇区

磁盘的格式化¶

1. 低级格式化

   1. 标出磁道和扇区，在相邻的扇区之间用狭窄的缝隙隔开
   2. 相位编码【特定的位组合形式开始，还包括柱面号、扇区号、扇区大小等信息】
   3. 数据区【512byte】
   4. 纠错码【冗余信息，一般用来纠正读取错误】

2. 高级格式化

   1. 生成一个引导块、空闲存储管理结构、根目录、空白的文件系统

磁盘调度算法¶

1. 柱面的定位时间【占据主要部分】
2. 旋转的延迟时间
3. 数据的传送时间

基本思路：调整书匈奴，减少柱面定位时间

1. 先来先服务算法：
   1. 优点：简单、公平
   2. 缺点：效率不高
2. 最短定位时间优先
   1. 优点：性能更好
   2. 缺点：远处的访问可能一直处于饥饿状态
3. 电梯算法
   1. 从当前位置网一个方向移动，直到前面已经没有任何的访问请求
   2. 优点：考虑了距离，考虑了方向，克服了以上两者的缺点

关于固态硬盘¶

电学信号要快很多！

但耐用性能较差