• 作者: 雪山肥鱼
• 时间：20210624 05:44
• 目的：I/O device

# I/O device
# 系统架构
# 标准设备结构
# 标准协议
# 中断
  ## 中断与轮询的平衡点
# DMA
# OS 与 设备的通信
# 设备驱动
  ## 简单IDE驱动程序举例

I/O device

介绍文件系统之前，需要对I/O设备有初步的认识。要知道I/O设备是如何于OS进行交互的。
input/output => I/O. 一个程序必须有输入和输出。
问题核心

1. 如何将I/O 整合到系统中
2. I/O的主要机制
3. 如何利用I/O

系统架构

即I/O device 是如何融入整个系统中的

系统架构.png

1. CPU 和 内存通信 走专用内存总线
2. 图像及一些高性能设备通过pci总线 连接 内存总线
3. 外部总线，SCSI, SATA，USB等内部外部设备

标准设备结构

I/O device 结构.png

由图可知 ，I/O device 分为两部分

1. Interface
   提供对外接口，对外我的理解是针对 os/apps. 暴露给外的原因很明确，我需要让对接我的人，知道我的一下信息，这些信息都存在寄存器中

• 状态(是否可以开始接受和传输)
• Command(接头人让我做什么)
• Data (数据传输)

2. 设备自己的内部结构

• 微型CPU
• 内存
• 其他的硬件特定芯片

标准协议

协议其实很简单：

While(STATUS == BUSY)
  ; wait until device is not busy
Write data to DATA register
Write command to COMMAND register
  ; doing so starts the device and execute the command
While(STATUS == BUSY)
  ; wait until device is done with your request

总结来说就是4步流程：

1. OS 会 轮询(polling) 设备，去得到设备的status
2. status 不忙后，传送数据 (CPU会参与数据传输即 programmed I/O)
   数据的传输实际上是非常耗CPU的
3. 告知 device 应该执行什么command
4. 切换设备状态为 busy

上述流程的问题非常明显，即 OS会轮询设备的状态，非常消耗 CPU 占用率。如何避免呢？

中断

核心思路是OS跟设备说，你数据传输好了，告诉我一下。(因为设备处理数据的速度远逊于CPU，所以很慢, 需要CPU去等。)
OS跟设备说的这句话含义是：

1. OS 会给设备发一起请求（告诉我一下）
2. OS 对自己留下笔记，到时候我该如何处理返回数据(即，注册ISR 服务内容)
3. 发出请求后，OS做其他事情去了
4. 设备完成数据处理后，返回结果，会告知OS(因为OS在step1中，提前注册了请求)
5. OS 回头处理。
6. 怎么处理呢？ 进入 step2 中提前预定好的ISR 中断服务中。

中断的引入，提供了I/O复用的概念

• 无中断工作流

  
  无中断.png
  

  发生I/O时，比如CPU将数据及command指令发送给DISK，DISK的状态切换为busy, CPU则一直处于轮询 polling状态。

• 中断工作流

  
  中断.png
  

  很明显，CPU去做其他事情了。

中断与轮询的平衡点

中断的cpu利用率是明显高于无中断的。但万事具有两面性。
中断适合那些 device I/O 处理数据速度慢的情况。

如果遇到 device I/O 处理数据速度快，反而不是好事。如网络中收包。当要处理大量网络数据包时，频繁的中断，会让OS忙于上下文的切换，反而会降低速度处理速度，而且容易出现活锁的现象。即OS总是在处理上下文切换，并没有运行apps中的任何代码。也就是OS对Apps的请求无响应。

所以可以尝试找到平衡点，让轮询和中断的混用。

中断的另一个优化是合并，device在发出中断前会等待一会，再次浅见，其他对于 device的 请求可能也会完成。则多次中断可以合并成一次中断抛出。但是 中断等待的时间太长的话，又有增加app的请求延迟。这又是需要选择折中的地方

DMA

其实在 PI/O(即CPU参与 与 device的数据交互) 时非常占用CPU的使用率的。但对于CPU来说， 数据的copy都是琐碎的小事。
workflow 如下：

数据copy.png

DMA : direct memory access. 外部设备，直接通过DMA 与内存进行交互，DMA是不经过CPU的。当DMA与disk完成交互，会引发中断，让os介入，引发中断。

DMA workflow.png

OS 与 设备的通信

• 明确的I/O 指令
  in 与 out 特权 指令
• 内存映射
  硬件将设备寄存器以地址的方式映射到内存。当要访问设备寄存器时，操作系统装在或者存入到该内存地址，然后硬件会将装载/存入转移到设备上，而不是物理内存。

设备驱动

设备依靠设备驱动，才能真正的与OS合体。
在最底层，OS会有一部分里子软件清晰的知道硬件设备是如何工作的。这些里子软件就是设备驱动。所有OS与设备交互的细节全部封装与此。

以linux文件系统的来举例。

文件.png
文件系统对于底层的硬件完全是不感知的，我只要给硬件通用块接口读写协议， 底层硬件可以识别这些协议，完成对应操作就完事儿了。
不管你硬盘用的SCSI,SATA，还是USB存储设备，对外你通过设备驱动，暴露给OS能够操作块的协议接口就行了。
所以，如果想要让OS识别硬件，则硬件接入时，必须安装相关驱动

通用的对外协议接口也会有一点瑕疵，即存储设备特殊的功能api，反而不支持。
驱动成簇的艾玛在内核中占有相当打的比例。

简单IDE磁盘驱动程序举例