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说了这么多次 I/O,可你知道其中的原理么

现在让我们转向对 I/O 软件的研究,I/O 软件设计一个很重要的目标就是设备独立性(device independence)。啥意思呢?这意味着我们能够编写访问任何设备的应用程序,而不用事先指定特定的设备。

作者: cxuan 来源:程序员cxuan|2020-06-03 08:15

本文转载自微信公众号「****」,转载本文请联系****公众号。

1.IO 软件原理

I/O 软件目标

设备独立性

现在让我们转向对 I/O 软件的研究,I/O 软件设计一个很重要的目标就是设备独立性(device independence)。啥意思呢?这意味着我们能够编写访问任何设备的应用程序,而不用事先指定特定的设备。比如你编写了一个能够从设备读入文件的应用程序,那么这个应用程序可以从硬盘、DVD 或者 USB 进行读入,不必再为每个设备定制应用程序。这其实就体现了设备独立性的概念。

再比如说你可以输入一条下面的指令

  1. sort 输入 输出 

那么上面这个 输入 就可以接收来自任意类型的磁盘或者键盘,并且 输出 可以写入到任意类型的磁盘或者屏幕。

计算机操作系统是这些硬件的媒介,因为不同硬件它们的指令序列不同,所以需要操作系统来做指令间的转换。

与设备独立性密切相关的一个指标就是统一命名(uniform naming)。设备的代号应该是一个整数或者是字符串,它们不应该依赖于具体的设备。在 UNIX 中,所有的磁盘都能够被集成到文件系统中,所以用户不用记住每个设备的具体名称,直接记住对应的路径即可,如果路径记不住,也可以通过 ls 等指令找到具体的集成位置。举个例子来说,比如一个 USB 磁盘被挂载到了 /usr/cxuan/backup 下,那么你把文件复制到 /usr/cxuan/backup/device 下,就相当于是把文件复制到了磁盘中,通过这种方式,实现了向任何磁盘写入文件都相当于是向指定的路径输出文件。

错误处理

除了设备独立性外,I/O 软件实现的第二个重要的目标就是错误处理(error handling)。通常情况下来说,错误应该交给硬件层面去处理。如果设备控制器发现了读错误的话,它会尽可能的去修复这个错误。如果设备控制器处理不了这个问题,那么设备驱动程序应该进行处理,设备驱动程序会再次尝试读取操作,很多错误都是偶然性的,如果设备驱动程序无法处理这个错误,才会把错误向上抛到硬件层面(上层)进行处理,很多时候,上层并不需要知道下层是如何解决错误的。这就很像项目经理不用把每个决定都告诉老板;程序员不用把每行代码如何写告诉项目经理。这种处理方式不够透明。

同步和异步传输

I/O 软件实现的第三个目标就是 同步(synchronous) 和 异步(asynchronous,即中断驱动)传输。这里先说一下同步和异步是怎么回事吧。

同步传输中数据通常以块或帧的形式发送。发送方和接收方在数据传输之前应该具有同步时钟。而在异步传输中,数据通常以字节或者字符的形式发送,异步传输则不需要同步时钟,但是会在传输之前向数据添加奇偶校验位。下面是同步和异步的主要区别

回到正题。大部分物理IO(physical I/O) 是异步的。物理 I/O 中的 CPU 是很聪明的,CPU 传输完成后会转而做其他事情,它和中断心灵相通,等到中断发生后,CPU 才会回到传输这件事情上来。

I/O 分为两种:物理I/O 和 逻辑I/O(Logical I/O)。

物理 I/O 通常是从磁盘等存储设备实际获取数据。逻辑 I/O 是对存储器(块,缓冲区)获取数据。

缓冲

I/O 软件的最后一个问题是缓冲(buffering)。通常情况下,从一个设备发出的数据不会直接到达最后的设备。其间会经过一系列的校验、检查、缓冲等操作才能到达。举个例子来说,从网络上发送一个数据包,会经过一系列检查之后首先到达缓冲区,从而消除缓冲区填满速率和缓冲区过载。

共享和独占

I/O 软件引起的最后一个问题就是共享设备和独占设备的问题。有些 I/O 设备能够被许多用户共同使用。一些设备比如磁盘,让多个用户使用一般不会产生什么问题,但是某些设备必须具有独占性,即只允许单个用户使用完成后才能让其他用户使用。

下面,我们来探讨一下如何使用程序来控制 I/O 设备。一共有三种控制 I/O 设备的方法

  • 使用程序控制 I/O
  • 使用中断驱动 I/O
  • 使用 DMA 驱动 I/O

使用程序控制 I/O

使用程序控制 I/O 又被称为 可编程I/O,它是指由 CPU 在驱动程序软件控制下启动的数据传输,来访问设备上的寄存器或者其他存储器。CPU 会发出命令,然后等待 I/O 操作的完成。由于 CPU 的速度比 I/O 模块的速度快很多,因此可编程 I/O 的问题在于,CPU 必须等待很长时间才能等到处理结果。CPU 在等待时会采用轮询(polling)或者 忙等(busy waiting) 的方式,结果,整个系统的性能被严重拉低。可编程 I/O 十分简单,如果需要等待的时间非常短的话,可编程 I/O 倒是一个很好的方式。一个可编程的 I/O 会经历如下操作

  • CPU 请求 I/O 操作
  • I/O 模块执行响应
  • I/O 模块设置状态位
  • CPU 会定期检查状态位
  • I/O 不会直接通知 CPU 操作完成
  • I/O 也不会中断 CPU
  • CPU 可能会等待或在随后的过程中返回

使用中断驱动 I/O

鉴于上面可编程 I/O 的缺陷,我们提出一种改良方案,我们想要在 CPU 等待 I/O 设备的同时,能够做其他事情,等到 I/O 设备完成后,它就会产生一个中断,这个中断会停止当前进程并保存当前的状态。一个可能的示意图如下

尽管中断减轻了 CPU 和 I/O 设备的等待时间的负担,但是由于还需要在 CPU 和 I/O 模块之前进行大量的逐字传输,因此在大量数据传输中效率仍然很低。下面是中断的基本操作

  • CPU 进行读取操作
  • I/O 设备从外围设备获取数据,同时 CPU 执行其他操作
  • I/O 设备中断通知 CPU
  • CPU 请求数据
  • I/O 模块传输数据

所以我们现在着手需要解决的就是 CPU 和 I/O 模块间数据传输的效率问题。

使用 DMA 的 I/O

DMA 的中文名称是直接内存访问,它意味着 CPU 授予 I/O 模块权限在不涉及 CPU 的情况下读取或写入内存。也就是 DMA 可以不需要 CPU 的参与。这个过程由称为 DMA 控制器(DMAC)的芯片管理。由于 DMA 设备可以直接在内存之间传输数据,而不是使用 CPU 作为中介,因此可以缓解总线上的拥塞。DMA 通过允许 CPU 执行任务,同时 DMA 系统通过系统和内存总线传输数据来提高系统并发性。

2.I/O 层次结构

I/O 软件通常组织成四个层次,它们的大致结构如下图所示

每一层和其上下层都有明确的功能和接口。下面我们采用和计算机网络相反的套路,即自下而上的了解一下这些程序。

下面是另一幅图,这幅图显示了输入/输出软件系统所有层及其主要功能。

下面我们具体的来探讨一下上面的层次结构

中断处理程序

在计算机系统中,中断就像女人的脾气一样无时无刻都在产生,中断的出现往往是让人很不爽的。中断处理程序又被称为中断服务程序 或者是 ISR(Interrupt Service Routines),它是最靠近硬件的一层。中断处理程序由硬件中断、软件中断或者是软件异常启动产生的中断,用于实现设备驱动程序或受保护的操作模式(例如系统调用)之间的转换。

中断处理程序负责处理中断发生时的所有操作,操作完成后阻塞,然后启动中断驱动程序来解决阻塞。通常会有三种通知方式,依赖于不同的具体实现

  • 信号量实现中:在信号量上使用 up 进行通知;
  • 管程实现:对管程中的条件变量执行 signal 操作
  • 还有一些情况是发送一些消息

不管哪种方式都是为了让阻塞的中断处理程序恢复运行。

中断处理方案有很多种,下面是 《ARM System Developer’s Guide

Designing and Optimizing System Software》列出来的一些方案

  • 非嵌套的中断处理程序按照顺序处理各个中断,非嵌套的中断处理程序也是最简单的中断处理
  • 嵌套的中断处理程序会处理多个中断而无需分配优先级
  • 可重入的中断处理程序可使用优先级处理多个中断
  • 简单优先级中断处理程序可处理简单的中断
  • 标准优先级中断处理程序比低优先级的中断处理程序在更短的时间能够处理优先级更高的中断
  • 高优先级 中断处理程序在短时间能够处理优先级更高的任务,并直接进入特定的服务例程。
  • 优先级分组中断处理程序能够处理不同优先级的中断任务

下面是一些通用的中断处理程序的步骤,不同的操作系统实现细节不一样

  • 保存所有没有被中断硬件保存的寄存器
  • 为中断服务程序设置上下文环境,可能包括设置 TLB、MMU 和页表,如果不太了解这三个概念,请参考另外一篇文章
  • 为中断服务程序设置栈
  • 对中断控制器作出响应,如果不存在集中的中断控制器,则继续响应中断
  • 把寄存器从保存它的地方拷贝到进程表中
  • 运行中断服务程序,它会从发出中断的设备控制器的寄存器中提取信息
  • 操作系统会选择一个合适的进程来运行。如果中断造成了一些优先级更高的进程变为就绪态,则选择运行这些优先级高的进程
  • 为进程设置 MMU 上下文,可能也会需要 TLB,根据实际情况决定
  • 加载进程的寄存器,包括 PSW 寄存器
  • 开始运行新的进程

上面我们罗列了一些大致的中断步骤,不同性质的操作系统和中断处理程序能够处理的中断步骤和细节也不尽相同,下面是一个嵌套中断的具体运行步骤

设备驱动程序

在上面的文章中我们知道了设备控制器所做的工作。我们知道每个控制器其内部都会有寄存器用来和设备进行沟通,发送指令,读取设备的状态等。

因此,每个连接到计算机的 I/O 设备都需要有某些特定设备的代码对其进行控制,例如鼠标控制器需要从鼠标接受指令,告诉下一步应该移动到哪里,键盘控制器需要知道哪个按键被按下等。这些提供 I/O 设备到设备控制器转换的过程的代码称为设备驱动程序(Device driver)。

为了能够访问设备的硬件,实际上也就意味着,设备驱动程序通常是操作系统内核的一部分,至少现在的体系结构是这样的。但是也可以构造用户空间的设备驱动程序,通过系统调用来完成读写操作。这样就避免了一个问题,有问题的驱动程序会干扰内核,从而造成崩溃。所以,在用户控件实现设备驱动程序是构造系统稳定性一个非常有用的措施。MINIX 3 就是这么做的。下面是 MINI 3 的调用过程

然而,大多数桌面操作系统要求驱动程序必须运行在内核中。

操作系统通常会将驱动程序归为 字符设备 和 块设备,我们上面也介绍过了

在 UNIX 系统中,操作系统是一个二进制程序,包含需要编译到其内部的所有驱动程序,如果你要对 UNIX 添加一个新设备,需要重新编译内核,将新的驱动程序装到二进制程序中。

然而随着大多数个人计算机的出现,由于 I/O 设备的广泛应用,上面这种静态编译的方式不再有效,因此,从 MS-DOS 开始,操作系统转向驱动程序在执行期间动态的装载到系统中。

设备驱动程序具有很多功能,比如接受读写请求,对设备进行初始化、管理电源和日志、对输入参数进行有效性检查等。

设备驱动程序接受到读写请求后,会检查当前设备是否在使用,如果设备在使用,请求被排入队列中,等待后续的处理。如果此时设备是空闲的,驱动程序会检查硬件以了解请求是否能够被处理。在传输开始前,会启动设备或者马达。等待设备就绪完成,再进行实际的控制。控制设备就是对设备发出指令。

发出命令后,设备控制器便开始将它们写入控制器的设备寄存器。在将每个命令写入控制器后,会检查控制器是否接受了这条命令并准备接受下一个命令。一般控制设备会发出一系列的指令,这称为指令序列,设备控制器会依次检查每个命令是否被接受,下一条指令是否能够被接收,直到所有的序列发出为止。

发出指令后,一般会有两种可能出现的情况。在大多数情况下,设备驱动程序会进行等待直到控制器完成它的事情。这里需要了解一下设备控制器的概念

设备控制器的主要主责是控制一个或多个 I/O 设备,以实现 I/O 设备和计算机之间的数据交换。

设备控制器接收从 CPU 发送过来的指令,继而达到控制硬件的目的

设备控制器是一个可编址的设备,当它仅控制一个设备时,它只有一个唯一的设备地址;如果设备控制器控制多个可连接设备时,则应含有多个设备地址,并使每一个设备地址对应一个设备。

设备控制器主要分为两种:字符设备和块设备

设备控制器的主要功能有下面这些

  • 接收和识别命令:设备控制器可以接受来自 CPU 的指令,并进行识别。设备控制器内部也会有寄存器,用来存放指令和参数
  • 进行数据交换:CPU、控制器和设备之间会进行数据的交换,CPU 通过总线把指令发送给控制器,或从控制器中并行地读出数据;控制器将数据写入指定设备。
  • 地址识别:每个硬件设备都有自己的地址,设备控制器能够识别这些不同的地址,来达到控制硬件的目的,此外,为使 CPU 能向寄存器中写入或者读取数据,这些寄存器都应具有唯一的地址。
  • 差错检测:设备控制器还具有对设备传递过来的数据进行检测的功能。

在这种情况下,设备控制器会阻塞,直到中断来解除阻塞状态。还有一种情况是操作是可以无延迟的完成,所以驱动程序不需要阻塞。在第一种情况下,操作系统可能被中断唤醒;第二种情况下操作系统不会被休眠。

设备驱动程序必须是可重入的,因为设备驱动程序会阻塞和唤醒然后再次阻塞。驱动程序不允许进行系统调用,但是它们通常需要与内核的其余部分进行交互。

与设备无关的 I/O 软件

I/O 软件有两种,一种是我们上面介绍过的基于特定设备的,还有一种是设备无关性的,设备无关性也就是不需要特定的设备。设备驱动程序与设备无关的软件之间的界限取决于具体的系统。下面显示的功能由设备无关的软件实现

与设备无关的软件的基本功能是对所有设备执行公共的 I/O 功能,并且向用户层软件提供一个统一的接口。

缓冲

无论是对于块设备还是字符设备来说,缓冲都是一个非常重要的考量标准。下面是从 ADSL(调制解调器) 读取数据的过程,调制解调器是我们用来联网的设备。

用户程序调用 read 系统调用阻塞用户进程,等待字符的到来,这是对到来的字符进行处理的一种方式。每一个到来的字符都会造成中断。中断服务程序会给用户进程提供字符,并解除阻塞。将字符提供给用户程序后,进程会去读取其他字符并继续阻塞,这种模型如下

这一种方案是没有缓冲区的存在,因为用户进程如果读不到数据会阻塞,直到读到数据为止,这种情况效率比较低,而且阻塞式的方式,会直接阻止用户进程做其他事情,这对用户来说是不能接受的。还有一种情况就是每次用户进程都会重启,对于每个字符的到来都会重启用户进程,这种效率会严重降低,所以无缓冲区的软件不是一个很好的设计。

作为一个改良点,我们可以尝试在用户空间中使用一个能读取 n 个字节缓冲区来读取 n 个字符。这样的话,中断服务程序会把字符放到缓冲区中直到缓冲区变满为止,然后再去唤醒用户进程。这种方案要比上面的方案改良很多。

但是这种方案也存在问题,当字符到来时,如果缓冲区被调出内存会出现什么问题?解决方案是把缓冲区锁定在内存中,但是这种方案也会出现问题,如果少量的缓冲区被锁定还好,如果大量的缓冲区被锁定在内存中,那么可以换进换出的页面就会收缩,造成系统性能的下降。

一种解决方案是在内核中内部创建一块缓冲区,让中断服务程序将字符放在内核内部的缓冲区中。

当内核中的缓冲区要满的时候,会将用户空间中的页面调入内存,然后将内核空间的缓冲区复制到用户空间的缓冲区中,这种方案也面临一个问题就是假如用户空间的页面被换入内存,此时内核空间的缓冲区已满,这时候仍有新的字符到来,这个时候会怎么办?因为缓冲区满了,没有空间来存储新的字符了。

一种非常简单的方式就是再设置一个缓冲区就行了,在第一个缓冲区填满后,在缓冲区清空前,使用第二个缓冲区,这种解决方式如下

当第二个缓冲区也满了的时候,它也会把数据复制到用户空间中,然后第一个缓冲区用于接受新的字符。这种具有两个缓冲区的设计被称为 双缓冲(double buffering)。

还有一种缓冲形式是 循环缓冲(circular buffer)。它由一个内存区域和两个指针组成。一个指针指向下一个空闲字,新的数据可以放在此处。另外一个指针指向缓冲区中尚未删除数据的第一个字。在许多情况下,硬件会在添加新的数据时,移动第一个指针;而操作系统会在删除和处理无用数据时会移动第二个指针。两个指针到达顶部时就回到底部重新开始。

缓冲区对输出来说也很重要。对输出的描述和输入相似

缓冲技术应用广泛,但它也有缺点。如果数据被缓冲次数太多,会影响性能。考虑例如如下这种情况,

数据经过用户进程 -> 内核空间 -> 网络控制器,这里的网络控制器应该就相当于是 socket 缓冲区,然后发送到网络上,再到接收方的网络控制器 -> 接收方的内核缓冲 -> 接收方的用户缓冲,一条数据包被缓存了太多次,很容易降低性能。

错误处理

在 I/O 中,出错是一种再正常不过的情况了。当出错发生时,操作系统必须尽可能处理这些错误。有一些错误是只有特定的设备才能处理,有一些是由框架进行处理,这些错误和特定的设备无关。

I/O 错误的一类是程序员编程错误,比如还没有打开文件前就读流,或者不关闭流导致内存溢出等等。这类问题由程序员处理;另外一类是实际的 I/O 错误,例如向一个磁盘坏块写入数据,无论怎么写都写入不了。这类问题由驱动程序处理,驱动程序处理不了交给硬件处理,这个我们上面也说过。

设备驱动程序统一接口

我们在操作系统概述中说到,操作系统一个非常重要的功能就是屏蔽了硬件和软件的差异性,为硬件和软件提供了统一的标准,这个标准还体现在为设备驱动程序提供统一的接口,因为不同的硬件和厂商编写的设备驱动程序不同,所以如果为每个驱动程序都单独提供接口的话,这样没法搞,所以必须统一。

分配和释放

一些设备例如打印机,它只能由一个进程来使用,这就需要操作系统根据实际情况判断是否能够对设备的请求进行检查,判断是否能够接受其他请求,一种比较简单直接的方式是在特殊文件上执行 open操作。如果设备不可用,那么直接 open 会导致失败。还有一种方式是不直接导致失败,而是让其阻塞,等到另外一个进程释放资源后,在进行 open 打开操作。这种方式就把选择权交给了用户,由用户判断是否应该等待。

注意:阻塞的实现有多种方式,有阻塞队列等

设备无关的块

不同的磁盘会具有不同的扇区大小,但是软件不会关心扇区大小,只管存储就是了。一些字符设备可以一次一个字节的交付数据,而其他的设备则以较大的单位交付数据,这些差异也可以隐藏起来。

用户空间的 I/O 软件

虽然大部分 I/O 软件都在内核结构中,但是还有一些在用户空间实现的 I/O 软件,凡事没有绝对。一些 I/O 软件和库过程在用户空间存在,然后以提供系统调用的方式实现。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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