『现代操作系统』IO硬件原理

I/O 硬件原理

• 0.1. I/O 设备
  • 0.1.1. 块设备(block device)
  • 0.1.2. 字符设备(character device)
• 0.2. 设备控制器(device controller / adapter)
• 0.3. 内存映射 I/O
  • 0.3.1. 方案
  • 0.3.2. 工作原理
  • 0.3.3. 优点
  • 0.3.4. 缺点
• 0.4. DMA(直接存储器存取, Direct Memory Access)
  • 0.4.1. 工作原理
  • 0.4.2. 对 CPU 的延迟
    • 0.4.2.1. 周期窃取(Cycle Stealing)
    • 0.4.2.2. 突发模式(burst mode)
• 0.5. 中断
  • 0.5.1. 问题
    • 0.5.1.1. 哪些信号需要保存?
    • 0.5.1.2. 保存在哪里?
    • 0.5.1.3. 谁来保存?
    • 0.5.1.4. 考虑流水线,超标量(内部并行)

0.1. I/O 设备

0.1.1. 块设备(block device)

把信息存储在固定大小的块中,每个块都有自己的地址. 每个块可以独立于其他块读写. 如 硬盘, CD-ROM , USB 盘 …

0.1.2. 字符设备(character device)

字符设备以字符为单位发送或接收一个字符流, 而不考虑任何块结构. 它是不可寻址的.
如打印机,网络接口, 鼠标(用作指点设备)…

0.2. 设备控制器(device controller / adapter)

I/O 设备一般由两部分组成: 机械部分和电子部分.
电子部分就是设备控制器. 常以插入(PCI)扩展槽中的印刷电路板的形式出现.

控制器与设备之间的接口是很低层次的接口. 它的任务就是把串行的位流转换为字节块,并进行必要的错误校正.

0.3. 内存映射 I/O

每个控制器有几个寄存器, OS 可以读写来了解,更改设备的状态信息. 控制器还有 OS 可以读写的 数据缓冲区.

问题来了: CPU 如何与设备的控制寄存器和数据缓冲区通信.

0.3.1. 方案

• 方法一: 每个控制寄存器被分配一个 I/O 端口(所有端口形成端口空间,受保护不被普通用户访问). 然后可以设置指令来读写,

如 IN REG, PORT将读取控制器寄存器 PORT 中的内容到 CPU 寄存器 REG

• 方法二: 内存映射 I/O. 将所有控制寄存器映射到内存空间, 都被分配唯一的地址, 且这些内存地址不会再分配.

0.3.2. 工作原理

CPU 读入一个字时, 不论是从内存还是 I/O 端口, 都将目的地址放在总线的地址线上, 总线控制线置 READ 信号看. 还要用一条线表明是 I/O 空间 还是内存空间. 如果是 I/O空间, I/O设备将响应请求.

0.3.3. 优点

• 如果需要特殊的 I/O 指令读写设备控制寄存器,那么访问这些寄存器需要使用汇编代码, 调用这样的过程需要增加开销,

对于`内存映射 I/O ,设备控制寄存器只是内存中的变量, 和其他变量一样寻址,可以用 C 语言编写驱动程序

• 对于内存映射 I/O , 不需要特殊的保护机制来阻止用户进程执行 I/O 操作. 操作系统只需注意不要将内存映射的地址映射到用户虚拟地址空间. 更有利的是, 如果有多个设备, 可以将内存映射 I/O 映射到不同的页, 可以分配特定的页给用户,使其使用驱动程序, 而且不担心各驱动程序之间的影响

0.3.4. 缺点

• 不能对设备控制器的寄存器进行 cache, 因为设备的状态改变, 软件将没有办法发现. 所以硬件必须对每个页面具备选择性的禁用 chche. 增加了复杂性

• 在内存映射机器上, 具有单独的内存总线会使 I/O 设备没有办法查看内存地址,因为内存地址旁路到内存总线上, 没有办法响应.

0.4. DMA(直接存储器存取, Direct Memory Access)

独立于 CPU 访问系统总线

0.4.1. 工作原理

也就是不用浪费 CPU 处理缓冲区到内存的时间, 相当于另有一个” CPU “ 专门处理 磁盘 到 内存 的 I/O

0.4.2. 对 CPU 的延迟

0.4.2.1. 周期窃取(Cycle Stealing)

注意 上面的操作是字模式传送, 在 DMA 请求传送一个字并且得到这个字时, CPU 不能使用总线,必须等待.

0.4.2.2. 突发模式(burst mode)

上面是字传输模式, 对于块模式下的传送, DMA 会发起一连串的传送,然后才释放总线. 这比周期窃取效率更高.

上面 的模式是飞越模式(fly-by mode), 即 DMA 控制器直接通知设备控制器将数据传送到 主存, 只请求一次总线

某些 DMA 使用其他模式. 让设备控制器将字发送到 DMA, 然后 DMA 再 请求总线将数据发送到其他地方(其他设备, 主存…), 这样会多消耗一个总线周期, 但是更加灵活: 可以 设备->设备, 内存->内存(内存读, 然后 内存写)

不使用 DMA 的考虑:

• CPU 比 DMA 快得多,当限制因素不是 I/O 设备的读写速度时,没必要使用 DMA
• 去除 DMA 而用 CPU 使用软件做所有工作可以节省硬件的开销

0.5. 中断

当一个 I/O 设备完成它的工作后,它就产生一个中断, 通过在分配给它的一条总线信号线上置起信号.

如果有多个中断请求, 按优先级, 如果还没有被处理, 设备一直发出中断知道得到 CPU 服务

中断控制器通过在地址先上放置一个数字(中断向量 interrupt vector)表明哪个设备需要关注,同时向 CPU 发出中断

中断信号导致 CPU 停止当前工作, 并处理其他事情. 根据中断向量跳转到需要的中断服务程序

0.5.1. 问题

开始中断服务之前, 硬件需要保存信息

0.5.1.1. 哪些信号需要保存?

至少程序计数器, 至多可见的寄存器, 一些内部寄存器…

0.5.1.2. 保存在哪里?

• 如果放在内部寄存器, 那么中断控制器之后无法得到应答,知道所有可能的相关信息被读出,以免第二个中断重写内部寄存器保存状态. 这样在中断被禁止时将导致长时间的死机,并可能丢失中断和数据

• 如果在堆栈中, 使用谁的堆栈?

  • 如果使用当前堆栈, 可能是用户进程的,堆栈指针可能是不合法的.
  • 可能指向一个页面的末端, 若干次内存写之后, 可能超出页面发生页面故障. 那么在何处保存状态以处理页面故障?
  • 如果用内核堆栈. 切换到和心态可能要求改变 MMU 上下文, 并且可能使 cache 和 TLB 的大部分失效. 静态地或动态地重新状态所有东西将增加处理一个中断的时间,因而浪费 CPU 的时间
    

    0.5.1.3. 谁来保存?

    对谁可见就谁来保存

0.5.1.4. 考虑流水线,超标量(内部并行)

在流水线满的时候,如果出现一个中断, 由于许多指令处于不同的正在执行的截断. 程序计数器可能无法正确反应已经执行的指令和未执行之间的边界.
在超标量机器上, 指令可能分解成微操作, 为操作可能乱序执行

• 精确中断(precise interrupt):将机器留在一个明确状态

• 不精确中断(imprecise interrupt)

不满足上面的条件