Python实战社群 Java实战社群 长按识别下方二维码,按需求添加 扫码关注添加客服 进Python社群▲ 扫码关注添加客服 进Java社群▲ 1 IO 软件原理 I/O 软件目标设备独立性设备独立性(device independence) 。啥意思呢?这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。输入 就可以接收来自任意类型的磁盘或者键盘,并且 输出 可以写入到任意类型的磁盘或者屏幕。统一命名(uniform naming) 。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 ls 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 /usr/cxuan/backup 下,那么你把文件复制到 /usr/cxuan/backup/device 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。错误处理设备独立性 外,I/O 软件实现的第二个重要的目标就是错误处理(error handling) 。通常情况下来说,错误应该交给硬件 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。同步和异步传输同步(synchronous) 和 异步(asynchronous,即中断驱动) 传输。这里先说一下同步和异步是怎么回事吧。同步时钟 。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奇偶校验位 。下面是同步和异步的主要区别物理IO(physical I/O) 是异步的。物理 I/O 中的 CPU 是很聪明的,CPU 传输完成后会转而做其他事情,它和中断心灵相通,等到中断发生后,CPU 才会回到传输这件事情上来。
缓冲缓冲(buffering) 。通常情况下,从一个设备发出的数据不会直接到达最后的设备。其间会经过一系列的校验、检查、缓冲等操作才能到达。举个例子来说,从网络上发送一个数据包,会经过一系列检查之后首先到达缓冲区,从而消除缓冲区填满速率和缓冲区过载。共享和独占
使用程序控制 I/O可编程I/O ,它是指由 CPU 在驱动程序软件控制下启动的数据传输,来访问设备上的寄存器或者其他存储器。CPU 会发出命令,然后等待 I/O 操作的完成。由于 CPU 的速度比 I/O 模块的速度快很多,因此可编程 I/O 的问题在于,CPU 必须等待很长时间才能等到处理结果。CPU 在等待时会采用轮询(polling) 或者 忙等(busy waiting) 的方式,结果,整个系统的性能被严重拉低。可编程 I/O 十分简单,如果需要等待的时间非常短的话,可编程 I/O 倒是一个很好的方式。一个可编程的 I/O 会经历如下操作
使用中断驱动 I/O
使用 DMA 的 I/O2 I/O 层次结构 中断处理程序中断服务程序 或者是 ISR(Interrupt Service Routines) ,它是最靠近硬件的一层。中断处理程序由硬件中断、软件中断或者是软件异常启动产生的中断,用于实现设备驱动程序或受保护的操作模式(例如系统调用)之间的转换。
设备驱动程序(Device driver) 。用户空间 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。MINIX 3 就是这么做的。下面是 MINI 3 的调用过程字符设备 和 块设备 ,我们上面也介绍过了二进制程序 ,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。MS-DOS 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。设备寄存器 。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,这称为指令序列 ,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。
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;如果设备控制器控制多个可连接设备时,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。
可重入 的,因为设备驱动程序会阻塞和唤醒然后再次阻塞。驱动程序不允许进行系统调用,但是它们通常需要与内核的其余部分进行交互。与设备无关的 I/O 软件设备无关性 的,设备无关性也就是不需要特定的设备。设备驱动程序与设备无关的软件之间的界限取决于具体的系统。下面显示的功能由设备无关的软件实现缓冲ADSL(调制解调器) 读取数据的过程,调制解调器是我们用来联网的设备。中断服务程序 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,这种模型如下内核 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。双缓冲(double buffering) 。循环缓冲(circular buffer) 。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。错误处理编程 错误,比如还没有打开文件前就读流,或者不关闭流导致内存溢出等等。这类问题由程序员处理;另外一类是实际的 I/O 错误,例如向一个磁盘坏块写入数据,无论怎么写都写入不了。这类问题由驱动程序处理,驱动程序处理不了交给硬件处理,这个我们上面也说过。设备驱动程序统一接口分配和释放open 操作。如果设备不可用,那么直接 open 会导致失败。还有一种方式是不直接导致失败,而是让其阻塞,等到另外一个进程释放资源后,在进行 open 打开操作。这种方式就把选择权交给了用户,由用户判断是否应该等待。
设备无关的块用户空间的 I/O 软件
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