【梳理】简明操作系统原理 第十一章 I / O设备（内附文档高清截图）

参考教材：
Operating Systems: Three Easy Pieces
Remzi H. Arpaci-Dusseau and Andrea C. Arpaci-Dusseau
在线阅读：
http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/
University of Wisconsin Madison 教授 Remzi Arpaci-Dusseau 认为课本应该是免费的。
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这是专业必修课《操作系统原理》的复习指引。
在本文的最后附有复习指导的高清截图。需要掌握的概念在文档截图中以蓝色标识，并用可读性更好的字体显示 Linux 命令和代码。代码部分语法高亮。
操作系统原理不是语言课，本复习指导对用到的编程语言的语法的讲解也不会很细致。如果不知道代码中的一些关键字或函数的具体用法，你应该自行查找相关资料。

十一 I / O设备

1、一颗较新的Intel CPU通过各种各样的总线与其它设备连接，如图。

较新的CPU中已经集成了内存控制器（memory controller），负责和内存之间的通信。外围部件互连扩展（Peripheral Component Interconnect Express，PCI-E）总线一般用于连接显卡（video card / graphics card），用于处理图形；也可以连接固态硬盘（solid state drive，SSD）、网卡（network interface controller / network interface card，NIC，也称网络适配器（network adapter））甚至是声卡（sound card）等其它设备。CPU与专门的I / O处理芯片（Intel称为平台控制器（Platform Controller Hub，PCH））通过直接媒体接口（Direct Media Interface，DMI）连接。通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）通常用于连接计算机以外的设备，集成在计算机内的一些设备也可能通过USB连接。硬盘有SATA接口的；支持NVMe协议的SSD大都连接M.2（较少为U.2）接口，它们实际上都通过PCI-E进行传输；也有直接插在主板上的PCI-E插槽上的SSD。eSATA（外置SATA）和mSATA接口现在不多见。但是PCH提供的PCI-E的速率受DMI带宽的严重制约，其实际速率并不如直连CPU的PCI-E。PCH提供的配合各种技术规范（PCI-E、SATA、USB）的通道并不能全部同时工作，同一条通道在同一时刻只能支持一种设备。支持何种设备则通过PCH芯片内的MUX选择。

如图，Intel的一颗PCH共有30条HSIO（High-speed IO）通道（lane）。虽然它设计了24条PCI-E通道，但是它们并不能同时启用；有的PCH芯片只允许同时启用16条甚至更少的PCI-E通道，导致带宽（bandwidth，BW，这里指数据的传输速率）骤降；一些通道选择作为USB或GbE（用于连接网卡）或SATA通道后，它们就不能再作为PCI-E通道使用。而PCH提供的这些通道被用于哪些接口，则是主板（mainboard / motherboard）厂商的设计决定的。
总线具有层次性（hierarchy），工作速率最高的部件在总线上的位置离CPU最近。层次总线是性能和成本上的一种折中，因为设计高性能总线是非常困难、非常昂贵的。

2、OS与IO设备之间，一种比较原始的交互方式大致具有如下几个步骤：
（1）OS控制CPU去反复读写IO设备中的状态寄存器（称为轮询（polling）），直到该寄存器的信息反映设备已就绪。
（2）OS将数据发送到设备的数据寄存器中。
（3）OS将需要执行的命令写入设备的命令寄存器。这一步告诉设备：数据已准备好，需要开始执行指定的命令。
（4）OS等待设备完成操作。这也是通过轮询完成的，最终读取到成功的信息或错误码。
在这个模式中，由于CPU直接参与数据传输，它被称为PIO（programmed I / O），CPU执行I / O端口指令来进行数据的读写。PIO模式实现简单，但效率很低且不便。反复的轮询会导致很高的CPU占用率，不但浪费大量CPU时间，而且这段时间还不能在该核心上切换其它进程继续。当前，这种传输方式基本已经被淘汰。

3、中断可以降低IO过程中的CPU占用率。当有线程请求IO时，OS令其阻塞（进入睡眠），然后执行其它线程。当IO完成后，会产生一个硬件中断，导致CPU执行相应的中断处理程序，然后让刚才请求IO的进程继续。中断处理程序包含在操作系统中，它会完成相应的任务（例如处理数据或来自设备的错误码）。
但中断并不是所有时候都是最好的方案。如果一个IO设备执行任务非常快，可能在最初的几次轮询内就可以完成，那么如果使用中断，反而会降低系统的性能：线程切换、中断处理和从中断处理程序返回都需要耗费不少的时间。如果不知道设备到底快还是慢，则可以把两种方法结合起来用：先轮询一段较短的时间，如果设备仍未完成操作，再使用中断。
此外，过多的中断可能还会引发活锁。例如在网络应用中，有时会有大量的数据包发送给计算机。如果每来一个包都引发一次中断，导致频繁的切换动作，就增加了产生活锁的概率。这一点还可能会被黑客利用，造成网络服务器无法正常工作。更好的方法是允许较短时间的轮询，并让服务器处理完一连串的包以后再去检查是否有新的数据包到来，而不是每来一个新的数据包都通过中断来让服务器立即处理它。
如果设备发起两次中断的间隔太短且中断频率又高，可以考虑将这些中断合并为单个中断，一次性处理较多的数据（操作）。当然，如果把太多的中断都合并到一起，可能会明显降低响应速率。这里也要做好权衡。

4、即使有了中断，CPU仍然需要亲自将要复制的数据传输给设备，然后设备才开始传输，CPU转而执行其它任务。这个仍旧会带来一定的CPU占用率。解决的办法是引入直接存储访问（direct memory access，DMA）。

有了 DMA机制以后，程序想传输数据时，OS就会令DMA控制器开始将数据复制给设备，然后开始传输。整个传输过程交由DMA控制器控制。传输完毕后，DMA控制器产生一个中断，OS就知道传输完成了。DMA负责传输期间，CPU具有更多的时间可以执行其它任务。

5、一种进行设备通信的方式是I / O指令。这些指令让OS向设备的寄存器发送数据，并启动传输过程。x86的in和out指令用于读写端口（port）。通过端口可以读写设备的寄存器，以此正式对设备发出IO请求。
当然，这些IO指令都是特权指令，只有操作系统有权执行。如果所有程序都可以不经过OS而直接执行IO指令，那么计算机很容易被恶意程序破坏。
另一种方式是内存映射I / O（memory mapped I / O）。各设备的寄存器被映射到一定范围的内存地址中，通过读写这部分内存来进行IO，就好像读写一般的内存空间那样。
使用内存映射IO的方式进行设备通信，无需支持专门的IO指令。不过两种方法到今天都一直有在使用。

6、每个设备都提供了不尽相同的接口，都具有不尽相同的工作方式。怎样让不同的设备都能够与OS配合好呢？比如内置的机械硬盘（Hard disk drive，HDD）和SSD、U盘（USB flash drive）的工作原理不完全相同。有的SSD遵循AHCI（Advanced Host Controller Interface）协议，有的则遵循NVMe（Non-Volatile Memory Host）协议。我们希望它们在计算机上都能正常工作。这就要用到设备驱动（device driver），简称驱动（driver）。驱动也是一种抽象模型，能够让设备的硬件细节对操作系统透明（不可见），令操作系统将同一类设备（例如：存储设备）基本一视同仁，减轻操作系统和上层应用程序的设计者的负担：程序员们无需把各种各样的设备的硬件细节都掌握就可以编写代码令它们正常工作。
下面是LINUX的文件系统栈的简化模型：

我们可以看到，应用程序通过调用POSIX API来访问文件系统，文件系统再通过块接口继续传送，最后相应的指令传到驱动层。一些特殊的应用程序，比如文件系统检查器、磁盘碎片整理程序等，可以绕过文件系统进行读写。
硬盘是块设备的一种，因为数据的存取和传输都以块为单位，它们通过IO接口的一种——块接口，与应用程序和操作系统进行通信。块设备的传输速率通常比其它设备高很多。