操作系统5-设备管理

本篇介绍设备管理的相关内容。最近发现本科用的教材内容非常陈旧，而且不是那么浅显易懂，于是找了一本国外的教材《操作系统导论》，主要根据这个来学习。

1. 系统架构

一个典型的系统架构如下。其中，CPU 通过某种内存总线或互联电缆连到系统内存，图像（比如显卡）或其它高性能 I/O 设备通过常规的 I/O 总线连到系统，可能是 PCI 或其衍生形式。最下面是外围总线，比如 SCSI、SATA 或者 USB，它们将最慢的设备连接到系统，包括磁盘、鼠标和其它类似设备。

采用这种分层架构的原因是物理布局和造价成本。

2. 标准设备

尽管设备可能分很多种，比如存储设备、输入输出设备、各种终端和脱机设备，但这里使用一种标准设备来介绍，这里提到的标准设备不是真实存在的，但它的组成和互操作可以代表大部分的设备。

如下图，一个标准设备主要包括两部分。一部分是对计算机其它部分展现的硬件接口，另一部分是这些设备的内部结构，一些简单的设备可能只有一个或几个芯片，但复杂一些的设备还会包括自己的 CPU 和内存。

3. 设备交互

一个简化的设备接口包括三个寄存器：状态寄存器读取并查看设备当前状态，命令寄存器通知设备执行某个任务，数据寄存器将数据传给设备或从设备接收数据。通过读写这些寄存器，操作系统可以控制设备行为。

最简单的交互逻辑如下

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while Status == Busy 
    // wait until device is not busy
Write data to DATA register;
Write command to COMMAND register;
While Status == Busy
    // wait until device is done with your request

简单来说，就是操作系统不断读取状态寄存器（轮询），如果设备已经准备好了，就开始传输数据到数据寄存器，传输完成后将命令写入命令寄存器，这样设备就知道数据准备好了，开始执行命令。最后继续轮询，判断设备是否执行完命令。

这个协议简单有效，只是轮询过程比较低效，而且 CPU 需要等待设备执行，浪费大量的时间。

3.1 中断

中断是指计算机执行期间，由于发生了某些非预期的紧急事件，计算机暂停当前进程而执行相应的事件处理程序，执行完毕后又返回执行暂停的进程的过程。中断可能来自 I/O 设备发出的信号、外部信号（比如键盘 Esc 输入）、定时器引起的时钟中断、调试程序的断点、程序运算产生的溢出、非法指令等等。

所有需要由硬件产生的中断叫硬中断，比如上面提到的这些。还有一种叫软中断，是进程模拟用来通信的，软中断不一定需要立即执行，可以由 CPU 选择合适的时机执行。

当我们用中断来替换设备交互中的轮询过程时，可以极大提升效率。过程如下：

1. CPU 向设备发出一个请求，然后就可以让相关进程休眠，然后去执行其它任务；
2. 设备完成自身操作后，产生一个硬中断，CPU 就会去执行对应的中断处理程序，也就是唤醒睡眠的 I/O 进程来继续执行；

但是，中断的高效建立在外围设备和 CPU 处理速度差异较大的情况下，如果外设处理速度比较快，那么轮询反而比中断更好。另外一个原因是，外设的数量比较多，而且是并行工作的，可能会造成中断数量急剧增加，极端的情况，网卡每收到一个数据包产生一个中断，就会导致系统无法响应。一种解决办法是合并多个中断为一个，统一处理。

3.2 DMA

设备交互的简单协议还有一个问题，外设与内存的数据传输总是需要 CPU 调度，有时候对 CPU 是一个负担。解决方法是 DMA（Direct Memory Access），它的基本思想是在外设和内存之间开辟一个直接的数据通路。

DMA 工作过程如下。为了能够将数据传送给设备，操作系统会通过编程告诉 DMA控制器 数据在内存的位置，要拷贝的大小以及要拷贝到哪个设备。在此之后，操作系统就可以处理其他请求了。当 DMA 的任务完成后，DMA 控制器会抛出一个中断来告诉操作系统自己已经完成数据传输。

3.3 通道

DMA 方式中，数据的传送方向、存放数据的内存地址、传送的数据块长度等还是需要 CPU 来控制。通道是一种专门的硬件，可以看作是一个专管输入输出的处理机，它会替代 CPU 完整所有这些工作，并且可以控制多台外设与内存交互，因此进一步减轻了 CPU 的负担。

3.4 交互

系统与设备的交互主要由两种方式

1. 明确的 I/O 指令，这些指令规定了操作系统将数据发送到特定设备寄存器的方法。比如，x86 中，in 和 out 指令可以用来与设备进行交互。当需要发送数据给设备时，调用者指定一个存入数据的特定寄存器及一个代表设备的特定端口。执行这个指令就可以实现期望的行为。这些指令通常是特权指令（privileged）。操作系统是唯一可以直接与设备交互的实体。
2. 内存映射 I/O，即硬件将设备寄存器作为内存地址提供。当需要访问设备寄存器时，操作系统装载（读取）或者存入（写入）到该内存地址；然后硬件会将装载/存入转移到设备上，而不是物理内存。

4. 设备驱动

设备驱动程序是驱动物理设备与 DMA 控制器或 I/O 控制器等直接进行 I/O 操作的子程序的集合，负责设置相应设备有关寄存器的值，启动设备进行 I/O 操作，指定操作的类型和数据流向等。

由于所有需要插入系统的设备都需要安装相应的驱动，所有一个系统的大部分代码其实都是各种驱动程序。当然，这些驱动一般都不是激活的，只有一小部分需要在系统刚开始就连接。另外一件事，驱动程序的开发者大部分不是全职的内核开发者，所以容易出现缺陷，也是内核崩溃的主要贡献者。