设备管理

1 设备引入*

典型的系统架构：通用 I/O 总线和多个外围总线用于连接设备

• 物理和成本：总线速度越快，长度就必须越短
• 需要高性能的设备更靠近 CPU

现代系统通常使用专用芯片组来提高性能

I/O 设备大体可以分类为：

• 块设备
  • 以固定大小的块存储信息
  • 传输单位为整个块
• 字符设备
  • 传递或接受字符流
  • 不可寻址，没有任何寻址操作

一个典型设备有两个重要组成部分

• 向系统其余部分呈现的硬件接口
• 内部结构

设备接口由几个寄存器组成

• 状态寄存器：读取以查看设备的当前状态
• 命令寄存器：指示设备执行特定任务
• 数据寄存器：将数据传递给设备或从设备获取数据

CPU 和设备的通信：与控制器交互，以两种方式访问寄存器：

• 端口映射 I/O：提供额外的 I/O 指令
  • 每个控制寄存器被分配一个 I/O 端口号
  • 使用特殊的 I/O 指令（in、out）
  • 这些指令通常是特权指令
• 内存映射 I/O：将所有控制寄存器映射到内存空间中
  • 每个控制寄存器被分配一个唯一的内存地址
  • 为了访问特定的寄存器，操作系统发出一个 load 指令（读取）或 store 指令（写入）该地址
  • 然后硬件将 load/store指 令指向到设备而不是主存储器

Loop: test memory_mapped_io_arddress //check the status of device
      jz ready // if it is 0, go to ready
      goto loop // otherwise, continue testing
ready:

在发出与设备通信的指令后，操作系统需要获知状态（完成/错误），两种方法：

• 轮询：操作系统定期检查设备特定的状态寄存器
  • 开销低（没有切换），但如果是低速的设备上会浪费 CPU 周期
• I/O 中断：设备在需要服务时生成中断
  • 不会浪费 CPU 周期，但是开销高（伴随切换）

一般来说两种混合

由 CPU 来控制：

• 即 Programmed I/O
• 直接通过处理器的 in/out 或 load/store 传输每个字节
• 优点：硬件简单，易于编程
• 消耗与数据大小成比例的处理器周期（因为每个数据的 in/out 都要一个指令）
• 此外，CPU 会一直接收到中断，速度变慢

由直接内存访问（DMA）控制

• 给控制器访问内存和总线的权限
• 要求它直接在内存和控制器之间传输数据块

计算机系统内部不只是有通用的 CPU

• 专门负责 memcpy() 的 CPU：DMA
• 专门负责解析和显示图形的 CPU：GPU
• 很多设备都有自己的逻辑处理芯片（比如磁盘）
• I/O 管理可以看成是中央芯片（CPU）和外部芯片的交流

人手一个通用 CPU？通用性增加了很多设计以及与之而来的功耗

2 硬件抽象 —— 设备驱动程序

设备驱动程序是操作系统和物理硬件之间沟通的 “桥梁”

世界上有成千上万种硬件设备，它们由不同的厂商制造。操作系统不可能（也不应该）把所有硬件的具体控制细节都内置在内核中。因此，操作系统通过设备驱动程序来与这些硬件进行交互。

• 操作系统创建了一个分层的存储视图
• 分层方法允许更低层部分容易更改
  • 例如，文件系统的实现独立于磁盘类型
• 管理 I/O 设备的代码在内核设备驱动程序中
  • 设备驱动程序是内核错误的最常见来源
  • 这是由于给定的驱动程序可能只被少数系统使用，所以它不会被高度使用或仔细检查

设备驱动程序通常分为两部分：

• 上半部分：在系统调用的调用路径中访问
  • 实现一组标准的、跨设备的调用，如 open()、close()、read()、write()
  • 这是内核与设备驱动程序的接口
  • 上半部分将启动设备的 I/O 操作，可能会让线程休眠直到完成（同步和异步I/O）
• 下半部分：作为中断例程运行
  • 获取输入或传输下一块输出
  • 如果 I/O 现在完成，可能会唤醒休眠的线程

一次 IO 请求的生命周期如下

3 磁盘

将数据磁性地储存在与玻璃、陶瓷或铝等材料的旋转盘上粘合的薄金属膜上

3.1 磁盘读写

• 磁头移动到适当的磁道
  • 寻道时间
  • 稳定
  • 启用适当的磁头
• 等待扇区出现在磁头下
  • 旋转延迟
• 读取/写入扇区
  • 传输时间

• 磁盘访问时间：\(T_{I/O} = T_{seek} + T_{rotation} + T_{transfer}\)
• 磁盘传输速率：\(R_{I/O} = \dfrac{Size_{transfer}}{T_{I/O}}\)
• 在顺序工作负载中传输 100 MB 数据
  • \(T_{seek} = 4\ \text{ms}\) (average seek)
  • \(T_{rotation} = 2\ \text{ms}\) (average rotation)
  • \(T_{transfer} = 0.8\ \text{s}\)
  • \(R_{I/O} = 100\ \text{MB} / 0.806\ \text{s} = 124\ \text{MB/s}\)

磁道偏移：确保在跨越磁道边界时能够正确处理顺序读取

• 从一个磁道切换到另一个磁道时，磁盘需要时间重新定位磁头
• 如果没有这样的偏移，磁头会被移动到下一个磁道，但所需的下一个数据块已经旋转到磁头后面了（得重新转一圈才能读到）

多区域磁盘驱动器：外部磁道比内部磁道有更多的扇区

• 磁盘被组织成多个区域，每个区域是表面上一组连续的磁道
• 每个区域的每条磁道的扇区数相同
• 现代磁盘支持逻辑块寻址（不考虑磁盘几何结构）

缓存（磁道缓冲区）：一些小容量的内存，用于存储从磁盘读取或写入到磁盘的数据

• 读取扇区时，会读取该磁道上的所有扇区
• 写入时，有两种写入策略：当数据被放入缓存时（写回，write back）或数据实际写入磁盘后（直写，write through）才确认写入
• 缓冲区在磁盘的逻辑板上

3.2 磁头调度

目标：通过磁头调度来最小化磁头移动，从而最大化磁盘 I/O 吞吐量

3.2.1. 先到先服务（FCFS）

按请求到达的顺序处理磁盘请求

3.2.2. 最短寻道时间优先（SSTF）

按磁道顺序排列 I/O 请求队列，优先处理最接近磁道的请求。

• 最小化寻道时间
• 假设当前磁头位置在内轨道上，则依次处理请求 35（中间），然后再处理请求 6（外部）

假设第一个请求是磁道（柱面）11，随后依次有新请求进入，分别是磁道 1、36、16、34、9 和 12

• 最短寻道时间优先：1 + 3 + 7 + 15 + 33 + 2 = 61 个磁道

3.2.3. 电梯算法（扫描算法，SCAN）

简单地在磁盘上来回移动，按顺序跨磁道处理请求（像电梯一样运行）

• 从磁盘的一端（从外轨到内轨或从内轨到外轨）的单次通过称为一次扫描
• 磁臂移动距离为：1 + 4 + 18 + 2 + 27 + 8 = 60 个磁道

有多种变体可用：

• F-SCAN：在执行扫描时暂时冻结要处理的队列（避免远距离请求的饥饿）
• C-SCAN：只从外轨到内轨扫描，然后重置到外轨重新开始
  • 更平均的等待时间，即对内轨和外轨更公平

3.2.4. 最短定位时间优先（SPTF）

同时考虑寻道时间和旋转时间

• 假设当前磁头位置在第 42 扇区（内轨），那么是处理请求 32（中间）还是请求 13（外轨）？
• 如果寻道时间远高于旋转延迟，那么最短寻道优先（SSF）是好的选择
• 但如果寻道速度比旋转快得多，那么应先处理请求 13

在操作系统中实现这一点很困难，因为操作系统通常不清磁头当前的具体位置