I/O管理杂记

Posted 2020-11-22 niuyourou

　　这是一篇杂记，记录了操作系统层面与I/O管理的零散知识点，用于温习使用。由于I/O管理是一个很大的范畴，后续会不断按照自己的生产需求来补充用的到的知识点。计算机系统是人造系统，没有绝对的对错（相对于自然系统的绝对性），只有特定场景下的优劣。我们在理解一块知识时应当从它提出的背景以及要解决的问题出发，去理解机制而不是纠结于如何具体的实现。即使目的相同，不同的公司或开发者在不同场景下的实现也不尽相同，了解几个例子加深自己的理解、帮助自己构建起知识体系即可（个人观点）。

 

设备控制器

　　设备控制器是计算机中的一个实体，其主要职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。它是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。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；若控制可连接多个设备时，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。设备控制器的复杂性因不同设备而异，相差甚大，于是可把设备控制器分成两类：一类是用于控制字符设备的控制器，另一类是用于控制块设备的控制器。在微型机和小型机中的控制器，常做成印刷电路卡形式，因而也常称为接口卡，可将它插入计算机。有些控制器还可以处理两个、四个或八个同类设备。

　　控制器由:指令寄存器Instruction Register、指令译码器Instruction Decoder、定时与控制电路Programmable Logic Array、程序计数器Program Counter、标志寄存器Flags Register、堆栈和堆栈指针Stack Pointer、寄存器组等构成。设备控制器有以下任务：接收和识别指令、数据交换、标识和报告设备的状态、地址识别、数据缓冲、差错控制。

　　其中标识和报告设备状态为我们今后的事件驱动I/O提供了底层支持，因为状态位的存在，使得我们可以观察设备目前就绪的事件，并将事件分发给事件处理程序处理。

DMA

　　DMA(Direct Memory Access，直接内存存取) 是所有现代电脑的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU 的大量中断负载。否则，CPU 需要从来源把每一片段的资料复制到暂存器，然后把它们再次写回到新的地方。在这个时间中，CPU 对于其他的工作来说就无法使用。DMA 传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。当CPU 初始化这个传输动作，传输动作本身是由 DMA 控制器来实行和完成。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存区。像是这样的操作并没有让处理器工作拖延，反而可以被重新排程去处理其他的工作。DMA 传输对于高效能 嵌入式系统算法和网络是很重要的。在实现DMA传输时，是由DMA控制器直接掌管总线，因此，存在着一个总线控制权转移问题。即DMA传输前，CPU要把总线控制权交给DMA控制器，而在结束DMA传输后，DMA控制器应立即把总线控制权再交回给CPU。一个完整的DMA传输过程必须经过DMA请求、DMA响应、DMA传输、DMA结束4个步骤。目前cpu与dma分时使用内存有以下三种方式：：(1)停止CPU访内存；(2)周期挪用；(3)DMA与CPU交替访问内存。

     

 

中断

　　中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

 　　现代计算机使用中断的目的：

　　①提高计算机系统效率。计算机系统中处理机的工作速度远高于外围设备的工作速度。通过中断可以协调它们之间的工作。当外围设备需要与处理机交换信息时，由外围设备向处理机发出中断请求，处理机及时响应并作相应处理。不交换信息时，处理机和外围设备处于各自独立的并行工作状态。（操作系统由批处理发展为时分系统的产物！）

　　②维持系统可靠正常工作。现代计算机中，程序员不能直接干预和操纵机器，必须通过中断系统向操作系统发出请求，由操作系统来实现人为干预。主存储器中往往有多道程序和各自的存储空间。在程序运行过程中，如出现越界访问，有可能引起程序混乱或相互破坏信息。为避免这类事件的发生，由存储管理部件进行监测，一旦发生越界访问，向处理机发出中断请求，处理机立即采取保护措施。

　　③满足实时处理要求。在实时系统中，各种监测和控制装置随机地向处理机发出中断请求，处理机随时响应并进行处理。

　　④提供故障现场处理手段。处理机中设有各种故障检测和错误诊断的部件，一旦发现故障或错误，立即发出中断请求，进行故障现场记录和隔离，为进一步处理提供必要的依据。

　　中断的处理主要分为以下几步：中断请求、中断判优、中断响应、中断处理和中断返回。
　　对于外部中断，中断请求信号是由外部设备产生，并施加到CPU的NMI或INTR引脚上，CPU通过不断地检测NMI和INTR引脚信号来识 别是否有中断请求发生。

　　对于内部中断，中断请求方式不需要外部施加信号激发，而是通过内部中断控制逻辑去调用。无论是外部中断还是内部中断，中断处理过程 都要经历以下步骤：请求中断→响应中断→关闭中断→保留断点→中断源识别→保护现场→中断服务子程序→恢复现场→中断返回。

　　当系统中有多个中断源时，一旦有中断请求，CPU必须确定是哪一个中断源提出的中断请求，并由中断控制器给出中断服务子程序的入口地址，装入CS与IP/EIP两个寄存器，CPU转入相应的中断服务子程序开始执行。

　　主程序和中断服务子程序都要使用CPU内部寄存器等资源，为使中断处理程序不破坏主程序中寄存器的内容，应先将断点处各寄存器的内容压入堆栈保护起来，再进入的中断处理。现场保护是由用户使用PUSH指令来实现的。当中断处理完毕后，用户通过POP指令将保存在堆栈中的各个寄存器的内容弹出，即恢复主程序断点处寄存器的原值。

　　寻找中断服务程序的入口地址.由于中断周期结束后进入下条指令(即中断服务程序的第一条指令)的取指周期,因此在中断周期内必须设法找到中断服务程序的入口地址.由于入口地址有两种方法获得,因此在中断周期内也有两种方法寻找入口地址: 其一,在中断周期内,将向量地址送至PC(对应硬件向量法),使CPU下一条执行无条件转移指令,转至中断服务程序的入口地址. 其二,在中断周期内,将软件查询入口地址的程序(又叫中断识别程序)其首地址送至PC,使CPU执行中断识别程序,找到入口地址(对应软件查询法)。

　　CPU管脚上有两个管脚叫做 NMI、INTR对应不可屏蔽和可屏蔽中断。CPU在执行完一条指令之后就会检测这个管脚的状态，如果满足某个条件就不再执行下一条指令，而是做另外一件事情，这件事情就是中断处理那一套过程。这就是外部中断。当CPU执行完一条指令，比如指令执行出错了，CPU也会进行另外的处理，这就是内部的中断。这是CPU内部电路的设计，Intel的设计就是这样的，但是其他的处理器可能就不是这样设计的。我们只需要理解中断机制的作用，至于实现方式不同的处理器会有不同的实现。计算机系统是人造系统，没有绝对的对错，只有特定场景下的优劣。很多时候只要我们对机制的出发点和用途理解正确，至于实现了解几个相应的例子即可。

I/O通道

　　I/O通道(I/O Channel)设备的引入实际上，I/O通道是一种特殊的处理机。它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道(I/O)程序来控制I/O操作。但I/O通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：一是其指令类型单一，这是由于通道硬件比较简单，其所能执行的命令，主要局限于与I/O操作有关的指令；再就是通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，换言之，是通道与CPU共享内存。通道处理机能够负担外围设备的大部分I/O工作，是能够执行有限I/O指令，并且能够被多台外围设备共享的小型DMA专用处理机。

　　通道的功能：

　　(1) 接受CPU发来的I/O指令，根据指令要求选择一台指定的外围设备与通道相连接。

　　(2) 执行CPU为通道组织的通道程序，从主存中取出通道指令，对通道指令进行译码，并根据需要向被选中的设备控制器发出各种操作命令。

　　(3) 给出外围设备的有关地址，即进行读/写操作的数据所在的位置。如磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。

　　(4) 给出主存缓冲区的首地址，这个缓冲区用来暂时存放从外围设备上输入的数据，或者暂时存放将要输出到外围设备中去的数据。

　　(5) 控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数，对交换的数据个数进行计数，并判断数据传送工作是否结束。

　　(6) 指定传送工作结束时要进行的操作。

　　(7) 检查外围设备的工作状态，是正常或故障。根据需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。

　　(8) 在数据传输过程中完成必要的格式变换。例如：把字拆卸为字节，或者把字节装配成字

　　通道的类型（按工作方式分类）

　　(1)选择通道：这种通道可以连接多台快速I/O设备，但每次只能从中选择一台设备执行通道程序，进行主存与该设备之间的数据传送。当数据传送完后，才能选择另一台设备。在这种工作方式中，数据传送以成组方式进行，传送速率很高，多用于连接快速I/O设备。但因连接在选择通道上的多台设备，只能依次使用通道与主存传送数据，故设备之间不能并行工作，且整个通道的利用率不高。

　　(2)字节多路通道：这种通道可以连接多台慢速I/O设备，以交叉方式传送数据，即各设备轮流使用通道与主存进行数据传送，且每次只传送一个字节。因为每次数据传送仅占用了不同的设备各自分得的很短的时间片，所以大大提高了通道的利用率。(以时分复用的方式使多个设备共用通道，通道利用率高)

　　(3)数组多路通道：数组多路通道综合了选择通道和字节多路通道的优点，它有多个子通道。即可以像字节多路通道那样，执行多路通道程序，使所有子通道分时共享总通道；又可以像选择通道那样进行成组数据的传送。子通道是指实现每个通道程序所对应的硬设备。选择通道在物理上可以连接多台设备，但在一段时间内只能执行一台设备的通道程序，即在逻辑上只能连接一台设备，所以它只包含一个子通道。字节多路通道和数组多路通道在物理上可以连接多台设备，而且在一段时间内可轮流执行多台设备的通道程序，即在逻辑上也可以连接多台设备，所以它们包含若干子通道。需要注意的是，一个子通道可以连接多台设备，但子通道数并不等于物理上可连接的设备数，而是该通道中能够同时工作的设备数。

　　I/O指令与通道指令

　　(1)I/O指令：I/O指令是计算机系统的一部分，由CPU执行。在采用通道的计算机系统中，I/O指令不直接控制I/O数据的传送，它只负责启动、停止I/O的过程、查询通道和I/O设备的状态、控制通道进行某些操作。

　　(2)通道指令及其格式：通道指令也称通道控制字CCW，它是通道用于执行I/O操作的指令，由通道从主存中取出并执行之。

　　通道的执行过程

　　(1)初始化：

　　编制通道程序；

　　根据需要在主存中开辟I/O缓冲区；

　　将缓冲区首址及传送字节数送到通道程序中，并将通道程序首地址写入某固定单元；

　　执行启动命令SIO，该指令中给出通道号及设备号。

　　(2)通道和设备的启动：

　　指定的通道接到启动信号后，从某固定单元中读出通道地址字CAW；

　　CAW送入通道地址寄存器CAWR；

　　通道将SIO指令送来的设备号送入设备地址寄存器，然后向I/O总线送出所要启动的设备号；

　　指定设备向通道送出回答信号，并回送本设备地址；

　　若回送的设备地址与通道送出的设备地址一致，则启动成功；

　　通道根据VAWR中的内容从主存取出第一条通道指令CCW1，并存于通道指令寄存器CCWR中，然后根据CCW1中的命令码去启动设备；

　　设备在接到第一条通道发出的命令后，向通道送出状态码，若状态码全为0，则通道向CPU送出条件码，并告之启动成功。反之，则表示不能正常执行通道命令，并说明失败的原因。

　　(3)数据传送：

　　执行完第一条通道指令后，CAWR增值，以便读出第二条通道指令。若执行的是数据传送指令，当其传送字节数减到0时，表明该通道指令执行完毕，本次数据传送结束。依次类推，直到执行的某条通道指令中SD和CD均为0，则该通道指令是本通道程序中的最后一条。

　　(4)通道程序的结束：当执行完通道程序的最后一条通道指令，则结束通道程序：一方面通道向设备发出结束命令，一方面向CPU发出中断请求信号，并将通道状态写入主存专用单元。

　　设备接到结束命令后立即进行某些必要的动作，例如磁带继续运行一段，使磁头停止在两个数据之间的空白处。在设备必要的动作结束后，反馈给通道一个信号，以断开与通道的连接。

　　CPU接到中断请求信号后，响应中断，执行I/O中断管理程序，对通道作结束处理。

　　通道的组成

　　不同的通道，其组成也不同，下面以选择通道为例介绍通道的组成。

　　(1)通道地址字寄存器CAWR：它存放从主存某固定单元中读出的通道地址字CAW，再从CAW中取出通道程序首地址。通道中的CAWR类似于CPU中的程序计数器PC。

　　(2)通道指令寄存器CCWR：它存放从主存中读出的通道指令，根据该通道指令向设备控制器发出控制命令。

　　(3)数据缓冲寄存器：当发生访存冲突时，它用于暂时保存数据，等待一段时间后再传送。另外，通道与设备之间按字节传送，而通道与主存之间按字传送，故它具有组装与拆分功能。

　　(4)设备地址寄存器：它接受启动I/O指令（SIO）中所包含的设备号，并依次向I/O总线送出设备地址，经译码产生选中设备信号。

　　(5)通道状态字寄存器CSWR：它存放通道与设备的状态信息。

　　(6)通道控制器：它产生控制通道操作的各种信号，类似于CPU中的微程序信号发生器。

计算机中信息传送方式

　　(1)串行传送：串行传送就是一根数据线从低到高的顺序逐位传送数据。一般外总线采用串行传送方式。

　　(2)并行传送：并行传送是用多根数据线同时传送一个字或一个字节的所有位，将同时传送的数据位数称为该总线的数据通路宽度。系统总线通常采用并行传送方式，以提高速度和效率。

　　(3)并串行传送：它是并行和串行传送的结合。例如要传送的数据有多个字节组成，那么传送一个字节时采用并行传送，而字节之间采用串行传送。

　　(4)分时传送：分时传送有两层含义，一层含义是在总线上分时传送不同类型的信息；另一层含义是共享总线的各部件分时使用总线。

一个I/O中断处理过程

　　(1)CPU发送启动I/O设备的命令，将I/O接口中的B触发器置1，D触发器置0。

　　(2)设备开始工作，需要向CPU传送数据时，将数据送入数据缓冲器中。

　　(3)输入设备向I/O接口发出“设备工作结束”的信号，将D触发器置1，B触发器置0。标志着I/O设备已就绪。

　　(4)CPU在每条指令执行即将结束时，发出中断查询信号。中断查询信号可以让那些接口中D触发器置1且中断屏蔽触发器(MASK)置0的设备的I/O接口中的中断请求触发器(INTR)置1。若该设备的I/O接口中的中断请求触发器(INTR)置1，则代表该设备正式向CPU提出中断请求。

　　(5)一般来说，在同一个时间点存在多个设备同时提出中断请求，存在一个INTRi序列。而CPU每次只能处理一个中断请求，因此将INTR_i序列送至排队器进行中断判优，速度越快的I/O设备优先级越高。

　　(6)在中断允许触发器(EINT)置1的情况下，CPU对优先级最高的设备进行中断响应，首先将INTR发送到编码器形成向量地址。将向量地址至PC作为下一条指令的地址。