操作系统 I/O 全流程详解

块设备的缺点

基于给定固态存储器的块设备比基于相同类型的存储器的字节寻址要慢一些，因为必须在块的开头开始读取或写入。所以，要读取该块的任何部分，必须寻找到该块的开始，读取整个块，如果不使用该块，则将其丢弃。要写入块的一部分，必须寻找到块的开始，将整个块读入内存，修改数据，再次寻找到块的开头处，然后将整个块写回设备。

字符设备

另一类 I/O 设备是。字符设备以为单位发送或接收一个字符流，而不考虑任何块结构。字符设备是不可寻址的，也没有任何寻道操作。常见的字符设备有 打印机、网络设备、鼠标、以及大多数与磁盘不同的设备。

设备控制器

首先需要先了解一下设备控制器的概念。

设备控制器是处理 CPU 传入和传出信号的系统。设备通过插头和插座连接到计算机，并且插座连接到设备控制器。设备控制器从连接的设备处接收数据，并将其存储在控制器内部的一些 也就是本地缓冲区中。

特殊用途寄存器，顾名思义是仅为一项任务而设计的寄存器。例如，cs，ds，gs 和其他段寄存器属于特殊目的寄存器，因为它们的存在是为了保存段号。 eax，ecx 等是一般用途的寄存器，因为你可以无限制地使用它们。 例如，你不能移动 ds，但是可以移动 eax，ebx。

通用目的寄存器比如有：eax、ecx、edx、ebx、esi、edi、ebp、esp

特殊目的寄存器比如有：cs、ds、ss、es、fs、gs、eip、flag

每个设备控制器都会有一个应用程序与之对应，设备控制器通过应用程序的接口通过中断与操作系统进行通信。设备控制器是硬件，而设备驱动程序是软件。

I/O 设备通常由和构成。电子组件被称为 或者 。在个人计算机上，它通常采用的主板上的芯片或印刷电路卡的形式。

控制器卡上通常会有一个连接器，通向设备本身的电缆可以插入到这个连接器中，很多控制器可以操作 2 个、4 个设置 8 个相同的设备。

控制器与设备之间的接口通常是一个低层次的接口。例如，磁盘可能被格式化为 2,000,000 个扇区，每个磁道 512 字节。然而，实际从驱动出来的却是一个串行的比特流，从一个开始，然后是一个扇区中的 4096 位，最后是一个 或 。前导符是在对磁盘进行格式化的时候写上去的，它包括柱面数和扇区号，扇区大小以及类似的数据，此外还包含同步信息。

控制器的任务是把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误校正工作。字节块通常会在控制器内部的一个缓冲区按位进行组装，然后再对校验和进行校验并证明字节块没有错误后，再将它复制到内存中。

内存映射 I/O

每个控制器都会有几个寄存器用来和 CPU 进行通信。通过写入这些寄存器，操作系统可以命令设备发送数据，接收数据、开启或者关闭设备等。通过从这些寄存器中读取信息，操作系统能够知道设备的状态，是否准备接受一个新命令等。

为了控制，许多设备都会有，来供系统进行读写。例如，在屏幕上显示一个像素的常规方法是使用一个视频 RAM，这一 RAM 基本上只是一个数据缓冲区，用来供程序和操作系统写入数据。

那么问题来了，CPU 如何与设备寄存器和设备数据缓冲区进行通信呢在两个可选的方式。第一种方法是，每个控制寄存器都被分配一个 号，这是一个 8 位或 16 位的整数。所有 I/O 端口的集合形成了受保护的 I/O 端口空间，以便普通用户程序无法访问它（只有操作系统可以访问）。使用特殊的 I/O 指令像是

CPU 可以读取控制寄存器 PORT 的内容并将结果放在 CPU 寄存器 REG 中。类似的，使用

CPU 可以将 REG 的内容写到控制寄存器中。大多数早期计算机，包括几乎所有大型主机，如 IBM 360 及其所有后续机型，都是以这种方式工作的。

控制寄存器是一个处理器寄存器而改变或控制的一般行为 CPU 或其他数字设备。控制寄存器执行的常见任务包括中断控制，切换寻址模式，分页控制和协处理器控制。

在这一方案中，内存地址空间和 I/O 地址空间是不相同的，如下图所示

它将所有控制寄存器映射到内存空间中，如下图所示

这种方式具有与内存映射 I/O 的数据缓冲区，而控制寄存器则具有单独的 I/O 端口。x86 采用这一体系结构。在 IBM PC 兼容机中，除了 0 到 64K – 1 的 I/O 端口之外，640 K 到 1M – 1 的内存地址保留给设备的数据缓冲区。

这些方案是如何工作的呢CPU 想要读入一个字的时候，无论是从内存中读入还是从 I/O 端口读入，它都要将需要的地址放到总线地址线上，然后在总线的一条控制线上调用一个 信号。还有第二条信号线来表明需要的是 I/O 空间还是内存空间。如果是内存空间，内存将响应请求。如果是 I/O 空间，那么 I/O 设备将响应请求。如果只有内存空间，那么每个内存模块和每个 I/O 设备都会将地址线和它所服务的地址范围进行比较。如果地址落在这一范围之内，它就会响应请求。绝对不会出现地址既分配给内存又分配给 I/O 设备，所以不会存在歧义和冲突。

内存映射 I/O 的优点和缺点

这两种寻址控制器的方案具有不同的优缺点。先来看一下内存映射 I/O 的优点。

• 第一，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，因为在 C 或 C++ 中不存在执行 和 指令的方法。调用这样的过程增加了 I/O 的开销。在内存映射中，控制寄存器只是内存中的变量，在 C 语言中可以和其他变量一样进行寻址。
• 第二，对于内存映射 I/O ，不需要特殊的保护机制就能够阻止用户进程执行 I/O 操作。操作系统需要保证的是禁止把控制寄存器的地址空间放在用户的虚拟地址中就可以了。
• 第三，对于内存映射 I/O，可以引用内存的每一条指令也可以引用控制寄存器，便于引用。

在计算机设计中，几乎所有的事情都要权衡。内存映射 I/O 也是一样，它也有自己的缺点。首先，大部分计算机现在都会有一些对于内存字的缓存。缓存一个设备控制寄存器的代价是很大的。为了避免这种内存映射 I/O 的情况，硬件必须有选择性的禁用缓存，例如，在每个页面上禁用缓存，这个功能为硬件和操作系统增加了额外的复杂性，因此必须选择性的进行管理。

第二点，如果仅仅只有一个地址空间，那么所有的和所有的 I/O 设备都必须检查所有的内存引用来推断出谁来进行响应。

什么是内存模块计算中，存储器模块是其上安装有存储器集成电路的印刷电路板。

让每个内存模块和 I/O 设备查看每个地址是简单易行的。

然而，现代个人计算机的趋势是专用的高速内存总线，如下图所示

在内存映射机器上使用单独的内存总线的麻烦之处在于，I/O 设备无法通过内存总线查看内存地址，因此它们无法对其进行响应。此外，必须采取特殊的措施使内存映射 I/O 工作在具有多总线的系统上。一种可能的方法是首先将全部内存引用发送到内存，如果内存响应失败，CPU 再尝试其他总线。

第二种设计是在内存总线上放一个，放过所有潜在指向所关注的 I/O 设备的地址。此处的问题是，I/O 设备可能无法以内存所能达到的速度处理请求。

第三种可能的设计是在内存控制器中对地址进行过滤，这种设计与上图所描述的设计相匹配。这种情况下，内存控制器芯片中包含在引导时预装载的范围寄存器。这一设计的缺点是需要在引导时判定哪些内存地址而不是真正的内存地址。因而，每一设计都有支持它和反对它的论据，所以折中和权衡是不可避免的。

直接内存访问

无论一个 CPU 是否具有内存映射 I/O，它都需要寻址设备控制器以便与它们交换数据。CPU 可以从 I/O 控制器每次请求一个字节的数据，但是这么做会浪费 CPU 时间，所以经常会用到一种称为 的方案。为了简化，我们假设 CPU 通过单一的系统总线访问所有的设备和内存，该总线连接 CPU 、内存和 I/O 设备，如下图所示

当一个 I/O 设备完成它的工作后，它就会产生一个中断（默认操作系统已经开启中断），它通过在总线上声明已分配的信号来实现此目的。主板上的中断控制器芯片会检测到这个信号，然后执行中断操作。

如果在中断前没有其他中断操作阻塞的话，中断控制器将立刻对中断进行处理，如果在中断前还有其他中断操作，或者有其他设备发出级别的中断信号的话，那么这个设备将暂时不会处理。在这种情况下，该设备会继续在总线上置起中断信号，直到得到 CPU 服务。

为了处理中断，中断控制器在地址线上放置一个数字，指定要关注的设备是哪个，并声明一个信号以中断 CPU。中断信号导致 CPU 停止当前正在做的工作并且开始做其他事情。地址线上会有一个指向 的索引，用来获取下一个程序计数器。这个新获取的程序计数器也就表示着程序将要开始，它会指向程序的开始处。一般情况下，陷阱和中断从这一点上看使用相同的机制，并且常常共享相同的中断向量。中断向量的位置可以硬连线到机器中，也可以位于内存中的任何位置，由 CPU 寄存器指向其起点。

中断服务程序开始运行后，中断服务程序通过将某个值写入中断控制器的 I/O 端口来确认中断。告诉它中断控制器可以自由地发出另一个中断。通过让 CPU 延迟响应来达到多个中断同时到达 CPU 涉及到竞争的情况发生。一些老的计算机没有集中的中断控制器，通常每个设备请求自己的中断。

硬件通常在服务程序开始前保存当前信息。对于不同的 CPU 来说，哪些信息需要保存以及保存在哪里差别很大。不管其他的信息是否保存，程序计数器必须要被保存，这对所有的 CPU 来说都是相同的，以此来恢复中断的进程。所有可见寄存器和大量内部寄存器也应该被保存。

上面说到硬件应该保存当前信息，那么保存在哪里是个问题，一种选择是将其放入到内部寄存器中，在需要时操作系统可以读出这些内部寄存器。这种方法会造成的问题是：一段时间内设备无法响应，直到所有的内部寄存器中存储的信息被读出后，才能恢复运行，以免第二个内部寄存器重写内部寄存器的状态。

第二种方式是在堆栈中保存信息，这也是大部分 CPU 所使用的方式。但是，这种方法也存在问题，因为使用的堆栈不确定，如果使用的是，则它很可能是用户进程的堆栈。堆栈指针甚至不合法，这样当硬件试图在它所指的地址处写入时，将会导致致命错误。如果使用的是内核堆栈，堆栈指针是合法的并且指向一个固定的页面，这样的机会可能会更大。然而，切换到内核态需要切换 MMU 上下文，并且可能使高速缓存或者 TLB 失效。静态或动态重新装载这些东西将增加中断处理的时间，浪费 CPU 时间。

精确中断和不精确中断

另一个问题是：现代 CPU 大量的采用并且有时还采用。在一些老的系统中，每条指令执行完毕后，微程序或硬件将检查是否存在未完成的中断。如果存在，那么程序计数器和 PSW 将被压入堆栈中开始中断序列。在中断程序运行之后，旧的 PSW 和程序计数器将从堆栈中弹出恢复先前的进程。

下面是一个流水线模型

每个指令都可以分解成为微操作，微操作有可能乱序执行，这取决于内部资源（如功能单元和寄存器）的可用性。当中断发生时，某些很久以前启动的指令可能还没开始执行，而最近执行的指令可能将要马上完成。在中断信号出现时，可能存在许多指令处于不同的完成状态，它们与程序计数器之间没有什么关系。

使机器处于良好状态的中断称为。这样的中断具有四个属性：

• PC （程序计数器）保存在一个已知的地方
• PC 所指向的指令之前所有的指令已经完全执行
• PC 所指向的指令之后所有的指令都没有执行
• PC 所指向的指令的执行状态是已知的

不满足以上要求的中断称为 ，不精确中断让人很头疼。上图描述了不精确中断的现象。指令的执行时序和完成度具有不确定性，而且恢复起来也非常麻烦。

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。啥意思呢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。

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。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 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 下，那么你把文件复制到 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

除了外，I/O 软件实现的第二个重要的目标就是。通常情况下来说，错误应该交给层面去处理。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 和 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。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。下面是同步和异步的主要区别

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

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。

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 。

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。 就是这么做的。下面是 MINI 3 的调用过程

在 UNIX 系统中，操作系统是一个，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 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。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，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。

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 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。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

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 。

还有一种缓冲形式是 。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，

每一个磁盘都是由无数个同心圆组成，这些同心圆就好像树的年轮一样

来源：程序员cxuan