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*I/O硬件（计组内容）

I/O软件

I/O 软件的目标

Device Independence 设备独立性：从软盘、磁盘、CD-ROM读写，无需修改。（程序可以访问任何输入/输出设备，无需事先指定设备。） 输入/输出软件应抽象设备详细信息。

Uniform Naming 统一命名 我们指定文件或设备的方式应该以相同的方式完成。 文件或设备的名称是字符串或整数，不取决于哪台机器：相同类型的不同设备具有相似的名称。 在UNIX中，所有I/O都与文件系统集成。

Error Handling 错误处理 尽可能靠近硬件处理错误。 仅当下层无法处理错误时，才向上传播错误。 尽可能隐藏错误许多硬件错误是暂时的。

Synchronous vs. Asynchronous Transfers 同步与异步传输 即阻塞传输与中断驱动interrupt-driven 大多数输入/输出硬件都是异步操作的。 应用程序级同步读/写。 同步（阻塞）读/写更易于编程。 由操作系统来执行实际上是中断驱动的I/O操作，以阻止用户程序。

Buffering 缓冲 来自设备的数据不能存储在最终目标中。

Sharable vs. Dedicated Devices 可共享与专用设备 E、 g.磁盘可共享。 E、 g.磁带机是专用的，可能会带来各种问题，例如死锁。 操作系统必须能够以避免问题的方式处理共享和专用设备。 使专用设备显示为可共享，如打印机

I/O软件（I/O三种实现）

用户空间中的系统调用，数据从用户空间复制到内核空间。

输入/输出软件可以在多种模式下运行：

• 编程输入/输出： 轮询/忙等待设备。
• 中断驱动输入/输出： 操作由中断程序完成。
• 基于DMA的输入/输出： 设置控制器并让其处理传输。

Programmed I/O 程序控制I/O

CPU总是忙于I/O，直到I/O完成(同步、阻塞)。适用于单流程系统,但对于多编程和分时系统来说，这不是一个好方法

output操作实现：

• 数据从用户空间复制到内核空间，供CPU访问
• 然后，操作系统紧循环（轮询）设备（通常检查状态寄存器），查看设备是否准备好接收更多数据。
• 一旦设备准备好接受更多数据，操作系统将把数据复制到设备寄存器。
• 复制完所有数据后，控制将返回给用户程序。

优点：易于实现。
缺点：“忙等待”状态，CPU将忙于检查打印机（控制器）的状态寄存器，这是对CPU的浪费。

Interrupt Driven I/O 中断驱动I/O

中断驱动流程：

• CPU中的中断驱动初始化I/O
• 初始化I/O
• 输入准备或者输出完毕时，产生中断信号给CPU
• CPU收到中断，控制权给中断服务程序
• 中断服务程序处理完后，返回给CPU
• 中断之前运行的进程，进程从停止的地方继续运行

打印字符串示例的改动：

• 如果是中断驱动，在上述示例当中，打印机将字符打印完并准备好接受下一字符时，产生中断，中断将停止进程并保存状态，然后运行中断服务过程。
• 一个中断服务过程：
  • 若没有更多字符打印，将用户进程解除阻塞
  • 若继续，输出下一字符，应答中断，返回到中断之前运行的进程，进程从停止的地方继续运行。

打印字符串流程：

• 用户程序进行系统调用，告诉操作系统打印字符串。
• 将应用程序缓冲区内容复制到内核缓冲区并向打印机发送1个字符后：

  • CPU不会等待打印机再次就绪，而是调用scheduler（）并运行其他进程。

  • 当前进程将处于阻塞状态，直到打印整个字符串。

  • 当打印机打印完字符并再次准备就绪时，打印机控制器生成硬件中断。

优点：它比Programmed I/O更快，效率也很高。
缺点：如果使用低级语言，编写可能会很复杂、 中断发生在每个字符上，中断费CPU时间。

I/O Using DMA 使用DMA的I/O

实际上，DMA本身是Programmed I/O，改进思路是让DMA控制器代替CPU完成硬件端操作

打印字符串示例：

• DMA控制器将字符从内核缓冲区送到打印机控制器（缓冲区和设备控制器之间的事不用CPU操心）。
• CPU在此传输过程中不受干扰，整个缓冲区（字符串）传输完成后，CPU中断。

好处：节省CPU时间
坏处：DMA本身比CPU慢，如果CPU本身闲的没事干反而背离使用DMA的初心

I/O Software Layers I/O软件层次

目的是抽象、封装和分层：软件工程问题，可以独立修改层，而不影响上面和下面的层次

Interrupt Handlers 中断处理程序

• 隐藏中断处理程序，避免影响OS其他部分，最好的隐藏方法是让驱动程序阻塞I/O操作，直到中断通知完成。
• 中断处理程序执行工作后取消阻塞启动它的驱动程序。
• 如果设备驱动程序是内核中的线程，则该机制工作得最好。

中断处理程序例程：

• 中断（异步，进程外部）基本上与异常和陷阱（同步，进程内部）使用相同的机制。
• 当中断发生时，CPU保存少量状态并跳转到内存中固定地址的中断处理程序例程。
• 中断例程的位置由中断向量确定。

经典步骤（可忽略）： 1、保存中断硬件尚未保存的regs。2、设置中断服务程序的上下文：TLB、MMU和页表。3、为中断服务程序设置堆栈。4、Ack中断控制器，可重入中断。5、将寄存器从保存位置复制到流程表。6、运行维修程序。7、选择下一步要运行的进程。8、为下一个要运行的进程设置MMU上下文。9、加载新进程寄存器。10、开始运行新流程。 中断处理是一项复杂的操作，需要大量的CPU周期，尤其是对于虚拟内存。

Device Drivers 设备驱动

设备驱动程序是管理设备控制器和操作系统之间交互的特定模块。每个驱动程序可以处理一种类型的设备或一个类（例如SCSI）

驱动程序通常是操作系统内核的一部分Unix–使用设备驱动程序编译的内核。Linux–使用可加载模块，这些模块是系统运行时加载到内核中的代码块。Windows–在启动和即插即用时动态加载到系统中。

驱动程序有几个功能：

• 接受来自上述独立于设备的软件的抽象读/写请求，并将其转换为特定于输入/输出模块的具体命令。
• 调度请求：优化排队的请求顺序以获得最佳的设备利用率（例如：磁盘arm）。
• 如果需要，初始化设备。
• 管理电源需求并记录设备事件。
• 管理数据传输。
• 维护驱动程序和内核数据结构的完整性。

设备驱动程序的典型代码组织 检查上述输入参数的有效性。 如果有效，请转换为具体命令，例如，将块号转换为磁盘几何体中的磁头、磁道和扇区。 检查设备当前是否在使用中；如果是，队列请求；如果没有，可能会打开设备、预热、初始化等。 向控制器发出适当的命令序列。 如果需要等待，请阻止。 阻塞中断后，检查错误并将数据传回。 处理下一个排队的请求。

驱动程序和设备控制器之间的通信通过总线进行

操作系统和驱动程序通信：操作系统和设备驱动程序之间的命令和数据。
驱动程序和硬件通信：驱动程序和硬件之间的命令和数据。

设备驱动程序类型：

• 块：固定大小的块数据传输。
• 字符：可变大小的数据传输。
• 终端：具有终端控制的字符驱动程序。
• 网络：用于联网的流。 根据传输的流的类型也分成块设备和字符设备

大多数操作系统都为设备驱动程序定义了标准接口。该接口由许多操作系统其余部分可以调用的过程组成。分成块接口（设备地址转缓存地址）和字符接口（字符流存缓存地址）

驱动程序代码需要处理可插拔设备。

不允许驱动程序进行系统调用，但它们可以调用内核过程。如管理MMU、定时器、DMA控制器、中断控制器等。

Device-Independent I/O Software 与设备无关的I/O软件

设备驱动程序和设备无关软件之间的界限因系统和设备而异。

功能：

• 与设备驱动程序的统一接口
• 缓冲
• 错误报告
• 分配和释放专用设备
• 提供与设备无关的块大小

Uniform Interfacing

• 内核代码的统一设备接口
  • 允许以相同的方式使用不同的设备。
  • 无需重写文件系统即可在SCSI、IDE或RAM磁盘之间切换。
  • 允许对设备驱动程序进行内部更改，以免破坏内核代码。
• 设备代码的统一内核接口
  • 驱动程序使用定义的内核服务接口（例如kmalloc、install IRQ handler等）
  • 允许内核在不破坏现有驱动程序的情况下发展。
• 这两个统一接口一起避免了大量实现新接口的编程

输入/输出设备如何命名？

• 独立于设备的软件将符号设备名称映射到正确的驱动程序上。
• 在Unix中，设备被建模为特殊文件。
  • 通过使用系统调用（如open（）、read（）、write（）、close（）、ioctl（）等）来访问它们。
  • 文件名与每个设备关联。
  • 主设备编号可找到相应的驱动程序。
  • 次要设备编号（存储在i节点中）作为参数传递给驱动程序，以指定要读取或写入的单元。
• 通常的文件保护规则也适用于I/O设备。

buffering 缓冲

在设备和应用程序之间传输数据时，将数据存储在内核空间的内存区域。

目的/功能：

• 应对生产者和消费者之间的速度不匹配。
  • 例如调制解调器（Modem）的速度比磁盘慢千倍。
• 适应不同数据传输大小的服务。
  • 例如网络数据包的碎片化和重组。

缓冲演进： 无缓冲输入->用户级缓冲（解决上述问题）->单缓冲：在内核中进行缓冲，需要时复制到用户空间（内存中为I/O申请缓冲区，避免分页到磁盘）->双缓冲（解决内核缓冲区已满，用户缓冲区被调出）->循环缓冲Circular Buffer（2个以上，因为2个应对突发流量有时还不够）

缓冲、双缓冲和循环缓冲都是有界缓冲问题（生产者-消费者问题）。

Error Reporting 错误报告

某些错误由设备控制器处理，如校验和不正确，使用冗余位重新更正块。 有些是通过设备派生程序，如无法读取磁盘块，从磁盘重新发出块的读取操作。 有些是由独立于设备的软件层操作系统实现的： 重试输入/输出或向用户报告错误代码。

错误类型：编程错误与输入/输出错误

• 编程错误：如尝试写入只读设备。
• 实际输入/输出错误，如摄像机已关闭，因此我们无法阅读。向调用应用程序返回此错误的指示。

Allocating& Releasing Dedicated Devices 分配与释放专用设备

不允许同时访问专用设备，如CD-RW。 要求进程直接对设备的特殊文件执行open（）。 如果open（）失败，进程将重试。 具有请求和释放专用设备的特殊机制。 试图获取不可用的设备会阻止调用者。

Device-independent Block Size 与设备无关的块大小

有不同种类的磁盘驱动器。每个都可能有不同的物理扇区大小。 文件系统在将文件映射到逻辑磁盘块时使用块大小。 该层可以隐藏不同磁盘的物理扇区大小，并为更高的层（如文件系统）提供固定且统一的磁盘块大小 可以将多个扇区视为单个逻辑块。

User-Space I/O Software 用户空间I/O软件

• 提供I/O函数实现的I/O库，这些函数反过来调用各自的I/O系统调用。
• 这些库还实现了格式化的I/O函数，如printf（）和scanf（）
• 某些程序不直接写入输入/输出设备，但写入后台处理程序。

小结

Disks（盘，并不特指磁盘）

磁盘

组织成圆柱体：每个柱面都包含磁道（track），磁道的数量等于磁盘驱动器中磁头的数量。每条磁道分为多个扇区。

Disk Formatting - Low-level Formatting（只阐述低级格式化）

目的：将磁盘划分为磁盘控制器可以读写的扇区。

每个磁道被格式化为扇区和扇区之间的间隙：

Cylinder Skew 柱面斜进

读取顺序块时，寻道时间（从一个磁道到另一个磁道）可能导致读取下一个磁道时错过该磁道第0扇区。 可以使用柱面倾斜来格式化磁盘，以避免这种情况。

柱面斜进：在不同点启动圆柱体，使头部有时间从一个点跳到下一个点。

例如：10000rpm磁盘驱动器，每条磁道300个扇区，寻道时间800us，柱面倾斜为40个扇区
解析：10000转/min表示驱动器在6 ms内旋转，轨道有300个扇区表示每20μs新扇区，寻道时间800μs推出寻道时旋转通过40个扇区

Interleaving 交错

高速连续读磁盘要求Disk Controller中有一个扇区缓冲区，在将一个扇区的数据从硬盘传输到控制器缓冲区后，我们将把控制器缓冲区复制到内存中。但在此期间，磁头将通过下一个扇区的起始位置。 因此，下一个逻辑扇区不应是硬盘中的下一个物理扇区

因此将扇区编号交错：

现代驱动器只需将整个磁道（或其中的一部分）读取到磁盘控制器中并对其进行缓存，即可克服交错类型的问题。

*Disk Partitioning 分区

属于高级格式化操作

*Disk Queues

Disk Arm Scheduling 磁盘臂调度

读取一个块（扇区）需要多长时间？

• 数据传输时间
• 定位时间
  • 寻道时间Seek Time（主导）：将臂移到正确的柱面上。
  • 旋转延迟Rotational Delay：等到正确的扇区到达头部下方。

假设磁盘负载很重：

• 有很多对磁盘块的请求到达硬盘驱动程序。
• 驱动程序将请求排队。
• 驱动程序知道每个块请求，块应该存储在硬盘中的什么位置柱面号。

磁盘驱动程序：

• 保留请求表。
• 表由柱面号索引。
• 对同一柱面的Blocks请求被放入一个链表中。

调度算法

• First Come First Served（FCFS）
  • 优势：公平
  • 缺点：寻道成本和轮换率高
• 最短寻道优先Shortest Seek First（SSF）
  • 优点：减少手臂移动（寻道时间）
  • 缺点：不公平，可能导致某些请求无法满足
• 电梯算法（SCAN）：就像电梯一样，向一个方向移动，直到该方向的所有请求都得到满足
  • 优点：对请求更公平，性能与SSTF相似
• C-SCAN：循环扫描，扫完回到开头
  • 提供比扫描更均匀的等待时间。