12. IO Systems

总线是一组线路和通过这些线路传输信息的协议。在计算机系统中，总线用于连接计算机的各个部件，是他们能够互相通信。总线承担着数据、地址和控制信号传输的功能，是计算机系统中不可或缺的一部分。总线可以根据传输方式分为并行总线和串行总线。

端口是一个很有趣的话题。我们可以把端口的类型分成物理端口和逻辑端口。物理端口是人类可以直观看到、摸到的，包括总线和控制器。而逻辑端口则是操作系统视角下的I/O端口。我们接下来介绍物理端口和逻辑端口。

我们说逻辑接口是内核I/O子系统提供的逻辑接口。为了使这样的逻辑接口便于上层所有的应用提供服务，我们需要在操作系统和I/O设备之间增加一层抽象，即设备驱动程序，以便实现设备的操作和管理。为了逻辑接口的标准统一，I/O子系统向下提供了一个标准的驱动程序接口。因此，不同设备使用统一的驱动程序接口。

设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁。它们负责将操作系统的高级指令转换为设备控制器能够理解的低级指令，并将设备的反馈传递回操作系统。驱动程序的质量直接影响系统的稳定性和性能，因此高质量的驱动程序对于系统的正常运行至关重要。

如果说设备驱动器作为最底层的软件层实现了I/O设备的逻辑端口的话，设备控制器则更像是提供I/O设备的物理端口。I/O控制器是一种用于管理I/O设备和主机之间传输数据的硬件，用于管理和操作I/O设备。每种I/O设备都有特定的控制器，通常而言，I/O控制器会集成在主板上，也可以通过扩展卡的形式存在。

设备控制器直接接受来自主机传输来的指令信号，并负责将来自主机的指令转换为设备可以理解的电信号控制设备的运作。设备完成后，控制器还要负责将设备的响应反馈给主机。

了解完了设备的驱动程序和控制器，我们现在知道，驱动程序是内核和控制器（硬件）之间的桥梁，而控制器是实际上控制设备工作的电子元件。即层次化的关系是 kernel -> drivers -> controller。那么用户想要使用某个设备，总共需要穿越多少个抽象层？

当我们想要使用一个设备时，我们需要将想法编写成应用程序。由于操作系统的封装性和保护性，我们需要使用系统调用来间接地使用I/O设备。内核的I/O子系统会根据高级指令寻找对应的设备驱动程序，由驱动程序将上层的指令转换成设备控制器能够理解的低级指令，并发送给设备控制器。最后，设备控制器解析这些低级指令来控制设备做出相应的动作。

根据数据的传输模式，我们可以将I/O设备分为块设备和字符设备。在使用相关的系统调用时，我们应当注意块设备每次应至少 read 或 write 一个块，而不是一个字节。字符设备也应每次 get 或 put 相应的一个字节。

端口映射I/O（Port-Mapped I/O） 是我们要介绍的第一种I/O地址类型，这种类型下的I/O地址是独立的，与内存地址无关。在开发板上，我们通常会看到这种I/O地址类型。设备拥有自己独立的I/O地址，CPU会通过专用的指令和信号与设备进行通信。例如，通过IN指令、OUT指令，以及控制信号IOR（I/O Read）、IOW（I/O Write）等来进行操作。

在这种方式下，I/O的地址总线和控制总线和内存的地址总线分离。然而，IO的数据总线仍然使用系统的数据总线。

内存映射IO(Memory-Mapped IO) 方式下的IO地址被映射到了系统内存地址空间中。CPU通过访问内存地址来访问设备。这样一来，访问I/O就可以通过标准的内存访问指令来访问了，例如，MEMR和MEMW指令。它的总线和内存也都是共用的。

轮询是最简单的I/O控制方式，尽管它的实现很直接，但在性能方面可能并不总是最佳选择。然而，有时候，轮询可能是你唯一能选的I/O控制方式。在轮询方式中，CPU会周期性地询问I/O设备：“你有没有需要处理的事情？/你忙不忙？我有些事情想让你做”。这种周期性检查设备状态的方法，尽管简单，却非常耗费CPU资源。

我们上述的轮询一般指tight polling(紧轮询)，与之相对的，loose polling会在每次检查条件之间加入一定的延迟，以减少 CPU 的占用。这种方法更节省资源，但响应速度较慢。

在之前，我们用一个阶段来解释中断，但届时我们并没怎么涉及到什么关于I/O设备上面的中断。我们谈论到了外部中断，但只是一笔带过。那设备是如何向CPU发送相关的中断信号的呢？实际上，在物理线路的连接上，外设和CPU之间会架设一条中断请求线(Interrupt request line)，外设通过向这条线路发送信号，CPU就能够识别到外设是否在请求中断。

CPU检测到中断之后，后面的流程和我们学过的就很类似了，保存上下文、调用中断处理程序和恢复执行。但是作为系列的末尾，我们有必要复杂化的看待问题，或者说它本来的样子。比如，我们需要考虑中断优先级、中断禁用(disabling interrupt) 等。

没有DMA的世界中，当devices想向memory传输数据时，数据的流向必须经过CPU这个中介，即传输路径为Devices->CPU->Memory。而DMA的方式运行I/O设备直接对内存进行访问，绕过CPU进行数据传输。当传输完成之后，通知一下CPU就好（可能是一次中断）。

我们可以告诉DMA控制器(DMA controller)源是哪个I/O设备，目的在哪，读操作还是写操作。初始化DMA控制器完成之后，DMA控制器就可以代替CPU进行数据的传输任务，进一步解放了CPU。这种实现方式中，CPU仍然会被中断，但次数要少得多。实际上，DMA控制器并不完全独立于CPU，甚至可能会由于总线争用(bus contention)而拖慢CPU的运行速度。

当我们引入了buffering，另一个问题就随之而来了。缓冲的大小应当设置多大，我们应当设置小缓冲区还是大缓冲区呢？当缓冲区很大时，一方面会挤占内存资源；另一方面，如果缓冲区过大，还会造成延迟的增加。当缓冲区过小，就会导致无法容纳足够的数据，这会导致频繁的I/O操作，还可能导致数据的丢失。

所以我们应当在一个范围内设置缓冲区的大小，从而在减少延迟和提升传输效率间找到平衡。假如 T 是向输入一个块所要的时间，C 是输入请求之间所需要的计算时间。那么，在没有buffer的情况下，完成将一个块的传输时间就需要：而buffer的加入使得数据的传输和处理可以同时进行，从而执行时间缩短为：M表示将数据从系统buffer移动到进程内存的时间。

假设我们在码字。在只有一个缓冲的情况下，buffer满了，就会把buffer中的内容整个地写入到磁盘中。然而，写入磁盘并不是瞬间完成的，我们想要继续码字。在之前学习生产者-消费者问题时，我们就了解到，生产者和消费者，一时间只能有一个进入临界区。如果我们想要不间断地写，我们可能就需要两个buffer来存放我们生产的物品，这就是double buffering，即双缓冲。

在double buffering中，系统使用两个缓冲区（Buffer A 和 Buffer B）来存储数据。当一个缓冲区正在被填充数据时，另一个缓冲区可以同时被处理。这样，数据的读写操作可以并行进行，减少了等待时间。当一个缓冲区的数据处理完成后，系统会切换到另一个缓冲区继续操作。这个过程不断交替进行，从而实现高效的数据传输。

Circular buffering是双缓冲的进阶版，并不难想清楚。

模式转换往往意味着开销。在这里，我们实际上用了性能为代价增加了系统的安全性。但有时候，我们想发挥系统的全部性能。比如说，显卡(graphic card)。在玩游戏时，为了获得全部的性能，我们想要游戏直接访问显卡的内存(direct access)。如果让每次访问(access)都经过内核，那带来的游戏体验将会很差。

因此，为了让用户获得显卡和处理器的全部性能，内核将会给予特定的游戏进程有关游戏显示相关的那一部分显卡内存的相关权限。这种情况下，应用进程访问这部分显卡内存将不需要经过内核的协助。少了内核中间商赚差价，性能收益自然就高了。

我们刚才谈论了FCFS的I/O调度方式。尽管这种方式非常公平，但未必是最高效的。CPU调度为我们提供了很多调度I/O的思路。例如，在CPU调度阶段中，我们学到了优先级，并将进程分为不同的等级。同样，在I/O调度上，我们也可以根据进程的优先级对I/O进行调度，让高优先级的进程优先使用I/O。

然而，I/O设备并不像进程那样可以通过CPU和RAM进行统一操作。对于I/O设备而言，非一致性访问时间(non-uniform access time)更为关键，因为I/O很慢嘛。对于闪存驱动器(flash drive)，读和写的时间不因数据的物理位置不同而变化，但对于其他类型的设备，访问时间可能会有所不同。然而，对于类似于硬盘这样的I/O设备而言，物理结构和操作方式导致了访问时间的变化。

在使用telnet或SSH时，打一个字母到远程主机会发生以下的中断：

为了显示一个字符，我们可真是做了不少。

如何减少中断呢？我们有很多鬼点子，比如将进程直接放到核心态去运行，这就不会产生任何中断了，但是太危险，不可取。第二种方案就是找一种功能特化的硬件来专门处理，像TLB那样，但是增加费用的同时还提升了学习成本，也不可取。那我们可以像之前学习buffer那样等输入一个块的数据后在将数据发送到远程服务器上去么？这种情形下肯定不可以了。

而这种情况下使用DMA就能算得上是一个不错的选择了，DMA控制器负责将数据从网络适配器传输到系统内存，而不需要CPU的干预。这样，系统可以减少CPU处理I/O请求的次数，减少了两次中断的发生。还不错。