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IO设备

发表于 2022-12-25 更新于 2025-12-05 分类于 Study 阅读次数：本文字数： 2.1k 阅读时长 ≈ 8 分钟

IO设备

设备控制器

控制设备的部件
- 解析主机发来的命令，控制设备进行操作
组成
- 与主机的接口：主机与设备间传递命令、状态、数据
  - 硬件接口：PCIe SATA USB
- 控制寄存器：1个或多个，控制设备操作
  - 写控制寄存器，命令设备执行指定的操作
  - 读控制寄存器，获得设备的状态
- 数据缓存区（data buffer）
  - 缓冲数据
  - 使用主机端和设备内的DRAM缓冲数据
  - 如果该缓冲区可用服务读请求，也将其视作数据缓存区

寻址

控制寄存器和设备数据缓冲区
- I/O端口：I/O地址空间(Port Mapped IO,PMIO)
  - 端口号：8位或16位的数值
  - I/O专用指令in/out（例如x86）：特权指令
  - 控制线：指示CPU发出的地址是内存空间还是I/O空间
  - 内存地址空间和I/O设备地址空间隔离
- 内存映射I/O（Memory Mapped IO,MMIO）
  - 统一地址空间，内存地址空间预留一部分给I/O设备内存和寄存器
  - 使用常规的访存指令（例如RISC指令集）
  - 内存地址与I/O地址无重叠
  - CPU发出的地址，内存模块和所有设备都要解析
- 两者可用结合
  - 控制寄存器采用I/O端口寻址
  - 数据缓冲区采用内存映射I/O
- 好处
  - 编程方便
  - 保护方便 & 灵活：利用虚存的保护机制
  - 高效：访问数据缓冲区不需要专用指令
内核缓冲区
- 为什么需要内核缓冲区
  - 生产者（应用）和消费者（IO设备）直接速度不匹配
  - 字符设备、块设备速度较慢，适配不同的数据传输速率
- 用作数据读缓冲
  - 可以服务对同一数据的读请求
  - 减少实际访问设备的I/O请求

数据传输

设备数据传输
- 启动设备 + 数据传输
- 启动时间（开销）
  - CPU用于启动设备进行操作的时间
- 带宽
  - 启动设备后数据传输的速率（Bytes/Sec）
- 延迟
  - 传输1字节的时间（启动时间 + 将1字节传输到目的地的时间）
通用方法：不同的传输速率
- 字符设备：对字节流传输的抽象，键盘、串口、打印机等
  - 字节粒度访问：以若干字节为传输粒度，顺序读写
- 块设备：对块传输的抽象，磁盘、光盘等
  - 块粒度访问：以若干块为传输粒度和存储粒度，按块寻址，整块读写，随机读写

数据传输方式

PIO(Programmed IO)

例子：RS-232串口
- 简单的串行控制器
  - 状态寄存器：就绪、忙、...
  - 数据寄存器
输出数据时
- CPU:
  - 等待设备状态变为非"忙"
  - 写数据到数据寄存器
  - 通知设备"就绪"
- 设备:
  - 等待直到状态变为"就绪"
  - 消除"就绪"标志，设置"忙"标志
  - 从数据寄存器中拿走数据
  - 清除"忙"标志
PIO的轮询(Polling)
- CPU等待直到设备状态变为非"忙"
- 好处：简单
- 坏处：慢且浪费CPU资源
- 改进：使用中断机制可以避免CPU轮询
支持中断的设备
- 例如：鼠标
- 简单的鼠标控制器
  - 状态寄存器（完成、中断、...)
  - 数据寄存器（X、Y、按键）
- 输入数据时
  - 鼠标
    - 等待直到状态变为"完成"
    - 将相应的值保存到数据寄存器
    - 发中断
  - CPU（中断处理）
    - 清除"完成"标志
    - 将数据寄存器的值读到内核缓冲区（内存）中
    - 置"完成"标志
    - 调用调度器

DMA(Direct Memory Access)

基于数据寄存器的不足
- 数据寄存器满后，发送中断请求，CPU进行中断处理
- 传输大量数据时，中断频繁，需要CPU频繁处理中断
DMA的基本思想
- 以数据块为单位进行传输，由DMA控制器控制完成外设与主机间的数据传输
- DMA需要连续的内核缓冲区
- CPU再数据开始传输前设置DMA控制器
- 数据传输结束后，DMA控制器发送中断给CPU，CPU再进行处理
- 减少占用CPU资源
例子：磁盘
- 简单的磁盘控制器
  - 状态寄存器（完成、中断、...)
  - DMA内存地址和字节数
  - DMA控制寄存器：命令、设备、传输模式及粒度
  - DMA数据缓冲区
- DMA写
  - CPU：
    - 等待DMA设备状态为"就绪"
    - 清除"就绪"
    - 设置DMA命令为write,地址和大小
    - 设置"开始"
    - 阻塞当前的线程/进程
  - 磁盘控制器：
    - DMA方式将数据传输到缓冲区(Count--;addr++)
    - 当count==0时，发中断
  - CPU（中断处理）
    - 将被该DMA阻塞的线程/进程加入到就绪队列
  - 磁盘
    - 将数据从缓冲区写入磁盘

同步I/O 和异步I/O

同步I/O

read()和write()将会阻塞用户进程，直到读写完成
在一个进程做同步I/O时，OS调度另一个进程执行

异步I/O

aio_read()和aio_write()不阻塞用户进程
在I/O完成以前，用户进程可以做别的事
I/O完成将通知用户进程

同步/异步读过程

用户进程P1调用read()系统调用
系统调用代码检查正确性和缓存
如果需要进行I/O，会调用设备驱动程序
设备驱动程序为读数据分配一个buffer，并调度I/O请求
启动DMA进行读传输
阻塞当前进程P1，调度另一个就绪的进程P2 // 异步I/O: 直接跳到第12步
设备控制器进行DMA读传输
传输完时，设备发送一个中断请求
中断处理程序唤醒被阻塞的用户进程P1（将P1加入就绪队列
设备驱动检查结果（是否有错误），返回
将数据从内核buffer拷贝到用户buffer // 异步I/O: 通知进程P1读操作完成
read系统调用返回到用户程序
用户进程继续执行

设备驱动

给操作系统的其它模块提供操作设备的API
与设备控制器交互
- 与设备控制器交互以进行数据传输：命令、参数、数据
主要功能
- 初始化设备
- 解析OS发来的命令
- 多个请求的调度
- 管理数据传输
- 接收和处理中断
- 维护驱动与内核数据结构的完整性

设备驱动的主要流程

准备工作
- 参数检查、请求格式转换
- 设备状态检查：忙 -> 请求入队列
- 开设备或上电时执行
操纵设备
- 将控制命令写入设备的控制寄存器
- 检查设备状态：就绪 -> 写下一命令
- 直到设备完成所有命令
阻塞等待
- 等待设备完成工作
- 被中断唤醒
- 有的设备不需要等待：如显示器
错误处理
- 检查设备状态：错误 -> 重试
返回调用者

设备驱动安装

静态安装设备驱动
- 将设备驱动直接编译进内核，系统启动后可以直接调用
- 新设备的使用需要重启OS
- 设备驱动修改效率不高，需要重新编译内核
动态挂载设备驱动
- 将驱动动态加载进内核空间
- 不需要重启，而是采用间接指针
  - 设备入口点表：所有设备的入口点
- 安装入口点，维护相关的数据结构
- 加载 / 删除设备驱动
  - 分配内核空间 / 删除内核空间
  - 存储驱动代码 / 删除驱动代码
  - 与入口点关联 / 删除入口点

设备驱动的利与弊

灵活性：
- 用户可以下载和安装设备驱动
- 灵活接入不同硬件设备
安全隐患
- 设备驱动运行于内核态
- 有bug的设备驱动会导致内核崩溃，或者引入安全漏洞
如何让设备驱动更安全
- 检查设备驱动的代码
- 为设备驱动构建状态机模型进行检查
用户态驱动：面向高速设备，提升性能