第十三讲 设备管理

第一节 设备接口



向勇 陈渝 李国良 任炬

2024年秋季

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内容

  • 要解决的问题
  • 内核 I/O 结构
  • 常见设备接口类型
  • 设备访问特征
  • 设备传输方式
  • I/O执行模型

I/O子系统 -- 要解决的问题

  • 为何设备的差异性那么大?
  • 为何要管理设备?
  • 如何统一对设备的访问接口?
  • 为何要对设备建立抽象?
  • 如何感知设备的状态并管理设备?
  • 如何提高 CPU 与设备的访问性能?
  • 如何保证 I/O 操作的可靠性?

I/O子系统 -- 内核 I/O 结构

I/O子系统 -- 常见设备接口类型

  • 设备的发展历史
    • 简单设备:CPU 可通过 I/O 接口直接控制 I/O 设备
    • 多设备:CPU 与 I/O 设备之间增加了一层 I/O 控制器和总线 BUS
    • 支持中断的设备:提高 CPU 利用率
    • 高吞吐量设备:支持 DMA
    • 各种其他设备:GPU、声卡、智能网卡、RDMA
    • 连接方式:直连、(设备/中断)控制器、总线、分布式

I/O子系统 -- 常见设备接口类型

  • 常见设备:字符设备 块设备 网络设备


包含上述外设的嵌入式开发板

I/O子系统 -- 常见设备接口类型

字符设备:如GPIO(General Purpose Input/Output), 键盘/鼠标, 串口等


GPIO LED light

I/O子系统 -- 常见设备接口类型

字符设备:如GPIO, 键盘/鼠标, 串口等


键盘

I/O子系统 -- 常见设备接口类型

字符设备:如GPIO, 键盘/鼠标, 串口等

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 串口通信

I/O子系统 -- 常见设备接口类型

块设备:如: 磁盘驱动器、磁带驱动器、光驱等

磁盘

I/O子系统 -- 常见设备接口类型

网络设备:如ethernet、wifi、bluetooth 等

网卡

I/O子系统 -- 设备访问特征

字符设备

  • 以字节为单位顺序访问
  • I/O 命令:get()、put() 等
  • 通常使用文件访问接口和语义

I/O子系统 -- 设备访问特征

块设备

  • 均匀的数据块访问
  • I/O 命令:原始 I/O 或文件系统接口、内存映射文件访问
  • 通常使用文件访问接口和语义

I/O子系统 -- 设备访问特征

网络设备

  • 格式化报文交换
  • I/O 命令:send/receive 网络报文,通过网络接口支持多种网络协议
  • 通常使用 socket 访问接口和语义

I/O子系统 -- 设备传输方式

  • 程序控制 I/O(PIO, Programmed I/O)
  • Interrupt based I/O
  • 直接内存访问 (DMA)

I/O子系统 -- 设备传输方式

程序控制 I/O(PIO, Programmed I/O)

  • Port-mapped 的 PIO(PMIO):通过 CPU 的 in/out 指令
  • Memory-mapped 的 PIO(MMIO):通过 load/store 传输所有数据
  • 硬件简单,编程容易
  • 消耗的 CPU 时间和数据量成正比
  • 适用于简单的、小型的设备 I/O
  • I/O 设备通知 CPU:PIO 方式的轮询

I/O子系统 -- 设备传输方式

中断传输方式

  • I/O 设备想通知 CPU ,便会发出中断请求信号
  • 可中断的设备和中断类型逐步增加
  • 除了需要设置 CPU,还需设置中断控制器
  • 编程比较麻烦
  • CPU 利用率高
  • 适用于比较复杂的 I/O 设备
  • I/O 设备通知 CPU:中断方式的提醒

I/O子系统 -- 设备传输方式

中断传输方式

I/O子系统 -- 设备传输方式

DMA 传输方式

  • 设备控制器可直接访问系统总线
  • 控制器直接与内存互相传输数据
  • 除了需要设置 CPU,还需设置中断控制器
  • 编程比较麻烦,需要 CPU 参与设置
  • 设备传输数据不影响 CPU
  • 适用于高吞吐量 I/O 设备

I/O子系统 -- CPU 与设备的连接

I/O子系统 -- 读取磁盘数据的例子

I/O子系统 -- I/O 请求生存周期

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- I/O 接口的交互协议

基于轮询的抽象设备接口:状态 命令 数据

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- I/O 接口的交互协议

基于中断的抽象设备接口:状态 命令 数据 中断

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 设备抽象

基于文件的 I/O 设备抽象

  • 访问接口:open/close/read/write
  • 特别的系统调用:ioctl :input/output control
  • ioctl 系统调用很灵活,但太灵活了,请求码的定义无规律可循
  • ioctl 提供了一种强大但复杂的机制,用于执行特定于设备的操作,允许用户空间程序执行那些标准读写操作无法完成的任务。
  • 文件的接口太面向用户应用,不足覆盖到OS对设备进行管理的过程

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 设备抽象

基于流的 I/O 设备抽象

  • 流是用户进程和设备或伪设备之间的全双工连接
  • 特别的系统调用:ioctl :input/output control
  • ioctl 系统调用很灵活,但太灵活了,请求码的定义无规律可循
  • Dennis M. Ritchie 写出了“A Stream Input-Output System”,1984

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 设备抽象

基于virtio的 I/O 设备抽象

  • Rusty Russell 在 2008 年提出通用 I/O 设备抽象–virtio 规范
  • 虚拟机提供 virtio 设备的实现,virtio 设备有着统一的 virtio 接口
  • OS 只要能够实现这些通用的接口,就可管理和控制各种 virtio 设备

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 分类

当一个用户进程发出一个 read I/O 系统调用时,主要经历两个阶段:

  1. 等待数据准备好;
  2. 把数据从内核拷贝到用户进程中
  • 进程执行状态:阻塞/非阻塞:进程执行系统调用后会被阻塞/非阻塞
  • 消息通信机制:
    • 同步:用户进程与操作系统之间的操作是经过双方协调的,步调一致的
    • 异步:用户进程与操作系统之间并不需要协调,都可以随意进行各自的操作

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 分类

  • blocking I/O
  • nonblocking I/O
  • I/O multiplexing
  • signal driven I/O
  • asynchronous I/O

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 阻塞 I/O

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 阻塞 I/O

基于阻塞 I/O(blocking I/O)模型的文件读系统调用–read 的执行过程是:

  1. 用户进程发出 read 系统调用;
  2. 内核发现所需数据没在 I/O 缓冲区中,需要向磁盘驱动程序发出 I/O 操作,并让用户进程处于阻塞状态;
  3. 磁盘驱动程序把数据从磁盘传到 I/O 缓冲区后,通知内核(一般通过中断机制),内核会把数据从 I/O 缓冲区拷贝到用户进程的 buffer 中,并唤醒用户进程(即用户进程处于就绪态);
  4. 内核从内核态返回到用户态进程,此时 read 系统调用完成。

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 非阻塞 I/O

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 非阻塞 I/O

基于非阻塞 IO(non-blocking I/O)模型的文件读系统调用–read 的执行过程:

  1. 用户进程发出 read 系统调用;
  2. 内核发现所需数据没在 I/O 缓冲区中,需要向磁盘驱动程序发出 I/O 操作,并不会让用户进程处于阻塞状态,而是立刻返回一个 error;
  3. 用户进程判断结果是一个 error 时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送 read 操作(这一步操作可以重复多次);

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 非阻塞 I/O

  1. 磁盘驱动程序把数据从磁盘传到 I/O 缓冲区后,通知内核(一般通过中断机制),内核在收到通知且再次收到了用户进程的 system call 后,会马上把数据从 I/O 缓冲区拷贝到用户进程的 buffer 中;
  2. 内核从内核态返回到用户态的用户态进程,此时 read 系统调用完成。

所以,在非阻塞式 I/O 的特点是用户进程不会被内核阻塞,而是需要不断的主动询问内核所需数据准备好了没有。

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 多路复用 I/O

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 多路复用 I/O

多路复用 I/O(I/O multiplexing)的文件读系统调用–read 的执行过程:

  1. 对应的 I/O 系统调用是 select 和 epoll 等,可有效处理大量并发的I/O操作;

  2. 通过 select 或 epoll 系统调用,用户进程会被阻塞;当某个文件句柄或 socket 有数据到达了,select 或 epoll 系统调用就会返回到用户进程,用户进程再调用 read 系统调用,让内核将数据从内核的I/O 缓冲区拷贝到用户进程的 buffer 中。

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 信号驱动 I/O

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 信号驱动 I/O

  1. 当进程发出一个 read 系统调用时,会向内核注册一个信号处理函数,然后系统调用返回,进程不会被阻塞,而是继续执行。
  2. 当内核中的 IO 数据就绪时,会发送一个信号给进程,进程便在信号处理函数中调用 IO 读取数据。

此模型的特点是,采用了回调机制,这样开发和调试应用的难度加大。

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 异步 I/O

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 异步 I/O

  1. 用户进程发起 read 异步系统调用之后,立刻就可以开始去做其它的事。
  2. 从内核的角度看,当它收到一个 read 异步系统调用之后,首先它会立刻返回,所以不会对用户进程产生任何阻塞情况。
  3. kernel 会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户内存。
  4. 当这一切都完成之后,kernel 会通知用户进程,告诉它 read 操作完成了。

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 比较

I/O子系统 -- I/O执行模型 -- 比较

  1. 阻塞 I/O:在用户进程发出 I/O 系统调用后,进程会等待该 IO 操作完成,而使得进程的其他操作无法执行。
  2. 非阻塞 I/O:在用户进程发出 I/O 系统调用后,如果数据没准备好,该 I/O 操作会立即返回,之后进程可以进行其他操作;如果数据准备好了,用户进程会通过系统调用完成数据拷贝并接着进行数据处理。
  3. 多路复用 I/O:将多个非阻塞 I/O 请求的轮询操作合并到一个 select 或 epoll系统调用中进行。
  4. 信号驱动 I/O:利用信号机制完成从内核到应用进程的事件通知。
  5. 异步 I/O:不会导致请求进程阻塞。