Chapter5 IO

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I/O 硬件

I/O 设备

块设备：把信息存储在定长的块中，每个块都有自己的地址。块的大小从 512B 到 32KB 不等。可以独立读写每个块。例如：硬盘，U 盘等
字符设备：发送或者接收一个字符序列，不可寻址，也没有 seek 操作。例如：打印机、网卡、鼠标等。

设备控制器

有的是集成在主板上，有的是从外部插入的。例如 PCIe 插槽中的插入部件。通常就是设备控制器(controller)或者叫做设备适配器(adapter)

io硬件控制器.png

作用是：
1. 把串行的二进制 01 流转化成字节块
2. 执行可能的错误处理
3. 与内存交互

io控制器2.png

每个控制器都会有一些寄存器来与 CPU 通信，操作系统可以通过写入这些寄存器来和外部设备通信，也可以通过读取这些寄存器来获取设备的状态信息。
引出了问题，怎么对这些控制器寄存器进行寻址，以及怎么在控制器和内存之间传输数据。
方法：
1. 独立的 I/O 和内存空间
2. 内存映射 I/O
3. 混合方案。

I/O 寻址方案

独立的 I/O 和内存空间

每个控制器寄存器都被分配了一个特殊的地址，被称为 I/O port number。一些特殊的 I/O 指令被用来向这些控制器寄存器中进行读/写。例如 $I N R E G, P O R T$ 和 $O U T R E G, P O R T$ 分别进行写入和读取
要注意 $I N R_{0}, 4$ 和 $M O V R_{0}, 4$ 在这种情况下是有不同的语义的，前者的 4 代表的是在控制器寄存器中地址为 4，后者的 4 代表的是在主存中地址为 4。

内存映射 I/O

把内存地址空间中的一部分作为控制器寄存器的地址空间

优缺点

优点：
1. 不需要特殊的指令来进行对控制寄存器的读写操作
2. 不需要特殊的保护机制来保护控制寄存器不被用户直接访问
3. 每个指令既可以引用内存，也可以引用控制寄存器
缺点：
1. 如果设备控制器寄存器的值是缓存，这就会出现问题，我们不想要读取缓存的软拷贝值，我们想要的是寄存器的值。解决方法是禁用对应控制寄存器的那部分虚页的缓存功能
2. 由于只有一个地址空间，需要检查每个内存的引用来确定是要主存响应还是要 IO 设备响应。
对总线有要求

混合实现

数据寄存器使用内存映射的地址空间
控制寄存器使用独立的地址空间

三种IO设备地址空间的实现方法.png

I/O 软件

简介

设备独立性：程序可以访问任何 IO 设备，不需要提前指定设备
通用命名：命名不依赖机器
错误处理
同步 vs 异步：阻塞传输 vs 中断驱动
缓冲
可共享的设备 vs 专用的设备：例如硬盘是可共享的，磁带驱动器不是。

I/O 实现

程序控制的 I/O(Programmed I/O)

在 IO 完成前，CPU 一直处于 busy 状态
在单进程系统中没问题，但是在多道程序系统和分时系统中就不行了，因为 IO 很消耗时间。
以打印机打印“ABCD”为例

程序控制的io.png

/*buffer is user buffer
p is kernel buffer
count is number of bytes to be copied
*/
copy_from_USer(buffer, p,couunt);
for (i = 0;i< count;i++){
    while （*printer status reg != READY);
    *printer_data_register=p[i];
}
return_to_user();

CPU 会不断轮询打印机寄存器的状态，知道所有字符串打印完毕，这大大浪费了其他的 CPU 时间

中断驱动的 I/O(Interrupt-Driven I/O)

中断示意图.png

同样以打印机打印"ABCD"为例
每次打印完发出一个中断，再接着进行下一次打印
缺点是每个字符打印都会产生中断，而 CPU 要响应每个中断十分耗时

DMA(直接内存访问)

因此在 DMA 中，DMA 控制器会把字符从内核缓冲区直接“喂”给打印机控制器，CPU 就不用直接响应这个中断了。直到整个缓冲区内的字符都被传输完了，CPU 被中断抢占。

I/O 软件层次结构

io软件层次.png

最顶层是用户空间，中间三层是内核空间，最底层是硬件。

I/O 处理器(Handler)

最好把 I/O 处理的过程隐藏起来，因此中断处理通常由引起中断的上层进行(Interrupt Handler)

中断处理过程

中断向量就是中断服务程序的首地址

软件处理过程

保存没有被中断硬件存储的寄存器的值
设置中断服务程序的上下文
设置中断服务程序的栈
响应中断控制器，重新开启中断
将寄存器从保存位置复制到进程表
运行服务程序
选择下一个要进行的进程
设置 MMU 上下文为下一个要运行的进程
加载新进程的寄存器
开始运行新进程

设备驱动程序(Device Drivers)

把一个与设备无关的 I/O 请求对应到一个具体的硬件设备上
通常是由设备厂商编写
操作系统通常会定义一个接口来规范所有驱动程序
操作系统通常会把驱动分成块设备驱动和字符设备驱动

设备驱动程序功能

从上层接受一个抽象的读写请求，与设备无关的请求，传化为一个与设备有关的具体的请求。例如从操作系统中接收一个访问某个块号的请求，转化为具体的磁道、扇区。
初始化设备
检查该设备是否被其他请求使用，利用队列管理请求
可以向设备发送命令控制设备
检查设备错误信息

设备统一接口

统一接口.png

主设备号与次设备号

主设备号(Major number)用来定位驱动程序，次设备号(Minior number)用来定位这个驱动程序控制下的某个具体设备

Buffer

io缓存.png

错误处理

有一些错误可以在底层设备处理，例如一些校验和错误，通过随机 bit 尝试修复 block
底层设备处理不了的话就传到上层设备驱动程序处理，例如无法读取 block 的时候重新读取
再无法处理的错误就传到 OS 的设备无关软件层处理，例如尝试向只读设备中写入数据

设备无关的块大小

不论具体设备的块大小(例如不同磁盘有不同的扇区大小)，对于文件系统来说都是固定的块大小

用户空间 I/O 软件

I/O 库提供 I/O 函数来给用户提供对应的 I/O 系统调用的实现，还提供例如格式化的 I/O 的操作(printf())
有些应用程序不直接写入 IO 设备，而是写入假脱机文件(spooler)

硬盘

硬盘结构

被分成柱面(cylinders)，每个柱面包含磁道(tracks)，每个磁道被分成了一些扇区(sectors)，扇区大小通常为 512bytes
物理上的硬盘随着半径的增长，扇区的数量可能会增加，因此硬盘给操作系统提供了图二的结构抽象，使得每个磁道上都有固定数量的扇区

硬盘格式

硬盘生产完时是没有任何数据的，要进行格式化，而格式也包括低级格式(如下图所示)和高级格式

扇区格式.png

柱面斜进(cylinder skew)

柱面斜进.png

就是为了补偿寻道过程中盘片的旋转时间
例如：10000rpm(6ms/圈)，一个磁道有 300 个扇区(20μs/sector)，寻道时间为 800μs，那么就要斜进 40 个扇区。

交错(interleaving)

从硬盘控制器的缓冲区把数据复制到内存中需要时间，这就会导致在连续读取的时候有可能磁头就“过站”了，再访问下一个连续的扇区反而要多转一圈，因此通过交错的方法，使得访问的下一个逻辑扇区不是下一个物理扇区，也就是提高两个扇区之间的时间间隔。

硬盘表现的度量

访问时间(access time)：从读写请求到达到数据传输开始的时间
寻道时间(seek time)：从当前磁道移动到指定磁道的时间，平均有一半的寻道时间是最差情况(一般是 4-10ms)。
旋转延迟(Rotational Latency)：扇区从要被访问到出现在磁头下的时间，平均有一半是最差情况，一般的硬盘要花费 4-11ms
数据传输速率(data-transfer rate)：从硬盘读写数据的速度
平均无故障时间(Mean time to failure ,MTTF)：平均无故障连续运行的时间。(通常 3-5 年)

磁盘臂调度算法(Disk Arm Scheduling Algorithms)

先到先服务(FCFS)

就是先到的先处理。

最短寻道时间(Shortest Seek First, SSF)

先服务寻道时间最短的，但是这种方法可能导致饥饿的情况

电梯算法(Elevator algorithm)

让磁盘臂沿一个方向运行，直到那个方向没有别的请求了，再回头，还可以变式成在完成最高编号的柱面后，移动到编号最小的柱面再向上移动(也就是把最小编号看成最大编号的相邻柱面)，这样有更好的响应时间。
好处是给定一组请求，磁盘臂移动的次数的上界永远是柱面数的两倍。

错误处理

预留扇区来给坏扇区使用，当检测到有扇区损坏的时候，就把预留扇区映射到原来的坏扇区中。