0
00:00:00,000 --> 00:00:06,920


1
00:00:06,960 --> 00:00:10,320
下面我们来讨论I/O结构

2
00:00:10,360 --> 00:00:11,920
在I/O结构当中呢

3
00:00:11,960 --> 00:00:15,360
我们先从硬件的结构说起

4
00:00:15,400 --> 00:00:18,120
在我们计算机系统当中

5
00:00:18,160 --> 00:00:21,600
我们的CPU为了跟外界相连

6
00:00:21,640 --> 00:00:22,920
实际上在我们的主板上

7
00:00:22,960 --> 00:00:24,520
它是分成了两段

8
00:00:24,560 --> 00:00:29,480
一段是和高速的这些内存 显卡

9
00:00:29,520 --> 00:00:30,760
相连的部分

10
00:00:30,800 --> 00:00:34,520
这时候它的速度通常是若干个G

11
00:00:34,560 --> 00:00:36,560
连的是内存显卡

12
00:00:36,600 --> 00:00:39,880
然后还有一个部分是南桥

13
00:00:39,920 --> 00:00:41,520
它负责跟我们这里的

14
00:00:41,560 --> 00:00:43,320
各种各样的设备相连

15
00:00:43,360 --> 00:00:45,600
比如说像这里的PCI总线

16
00:00:45,640 --> 00:00:48,560
然后你的磁盘 

17
00:00:48,600 --> 00:00:50,800
网络都是通过这底下连的

18
00:00:50,840 --> 00:00:52,480
在我们的基本原理里是说

19
00:00:52,520 --> 00:00:56,600
CPU通过总线来连内存和I/O设备

20
00:00:56,640 --> 00:00:57,440
那到这个地方

21
00:00:57,480 --> 00:01:00,480
我们就细化成北桥连高速设备

22
00:01:00,520 --> 00:01:05,040
南桥连I/O设备

23
00:01:05,080 --> 00:01:07,240
这时候在这种结构下我们还需要

24
00:01:07,280 --> 00:01:10,160
进一步来细化CPU到底

25
00:01:10,200 --> 00:01:12,040
如何来识别每一个设备

26
00:01:12,080 --> 00:01:14,120
它们的连接关系是什么样子的 

27
00:01:14,160 --> 00:01:14,920
在这儿呢

28
00:01:14,960 --> 00:01:19,400
首先我们在这里头是CPU和I/O设备

29
00:01:19,440 --> 00:01:22,440
设备上面呢有设备控制器

30
00:01:22,480 --> 00:01:23,760
设备控制器的功能

31
00:01:23,800 --> 00:01:27,880
是提供CPU和设备之间的接口

32
00:01:27,920 --> 00:01:30,640
那在这里头就是总线接口

33
00:01:30,680 --> 00:01:33,920
然后有相应的一组寄存器

34
00:01:33,960 --> 00:01:36,680
可以进行数据的交互和

35
00:01:36,720 --> 00:01:39,000
状态和控制的交互

36
00:01:39,040 --> 00:01:42,000
也可以把它映射到内存当中

37
00:01:42,040 --> 00:01:43,640
给一段内存区域

38
00:01:43,680 --> 00:01:45,840
然后对于这段内存区域的访问

39
00:01:45,880 --> 00:01:48,680
对应过来就是我们的I/O设备的访问

40
00:01:48,720 --> 00:01:52,360
这就是我们这里说到的I/O地址

41
00:01:52,400 --> 00:01:56,680
I/O地址通过总线连到我们的CPU上

42
00:01:56,720 --> 00:02:01,000
总线和实际设备之间有总线适配器

43
00:02:01,040 --> 00:02:03,720
在这里头我们映射过来

44
00:02:03,760 --> 00:02:05,160
可能是内存地址

45
00:02:05,200 --> 00:02:07,880
也可能是I/O空间的端口

46
00:02:07,920 --> 00:02:09,400
那我们可以对I/O端口

47
00:02:09,440 --> 00:02:11,400
有相应的I/O指令

48
00:02:11,440 --> 00:02:12,600
如果是内存

49
00:02:12,640 --> 00:02:16,000
那我们直接是访问存储

50
00:02:16,040 --> 00:02:18,360
就对应着对I/O设备的访问

51
00:02:18,400 --> 00:02:21,240
这是从CPU到设备

52
00:02:21,280 --> 00:02:25,200
反过来还有一个从设备到CPU的通道

53
00:02:25,240 --> 00:02:28,120
这就是我们的中断控制器

54
00:02:28,160 --> 00:02:29,600
设备产生中断之后

55
00:02:29,640 --> 00:02:33,080
在中断控制器进行汇总然后送给CPU

56
00:02:33,120 --> 00:02:37,480
CPU就能对外部设备的事件做出响应

57
00:02:37,520 --> 00:02:40,680
这就是我们在这里CPU和设备之间的

58
00:02:40,720 --> 00:02:42,720
通讯的三种方式

59
00:02:42,760 --> 00:02:46,200
轮询那就不用中断控制器

60
00:02:46,240 --> 00:02:48,720
CPU直接访问I/O端口

61
00:02:48,760 --> 00:02:54,000
或者说访问设备所对应的内存地址空间

62
00:02:54,040 --> 00:02:55,560
我也可以采用中断方式

63
00:02:55,600 --> 00:03:00,000
那就是外部设备有事件要通知CPU

64
00:03:00,040 --> 00:03:04,120
就要通过中断到CPU

65
00:03:04,160 --> 00:03:05,400
如果说在这里头

66
00:03:05,440 --> 00:03:07,040
还有一种方式是说

67
00:03:07,080 --> 00:03:10,040
我外部设备需要把数据

68
00:03:10,080 --> 00:03:12,400
直接放到内存当中

69
00:03:12,440 --> 00:03:16,000
你可以通过CPU读然后放到内存

70
00:03:16,040 --> 00:03:17,920
在DMA控制器的控制下

71
00:03:17,960 --> 00:03:21,520
把数据从I/O设备直接到内存单元

72
00:03:21,560 --> 00:03:25,080
这是CPU和设备之间的连接关系

73
00:03:25,120 --> 00:03:28,080
那下面我们进一步来讨论一下

74
00:03:28,120 --> 00:03:31,560
I/O指令和内存映射I/O

75
00:03:31,600 --> 00:03:34,960
I/O指令它是通过I/O端口

76
00:03:35,000 --> 00:03:37,240
来访问设备寄存器

77
00:03:37,280 --> 00:03:39,320
实际上也就是相当于我们通过端口号

78
00:03:39,360 --> 00:03:42,760
来区别我访问的是哪个设备

79
00:03:42,800 --> 00:03:47,040
以及于哪个设备上的哪一项功能

80
00:03:47,080 --> 00:03:52,120
然后CPU上执行out in两个指令

81
00:03:52,160 --> 00:03:54,800
来完成对端口的读写

82
00:03:54,840 --> 00:03:57,160
这些读写不仅仅是数据的访问

83
00:03:57,200 --> 00:04:00,560
也还对应着相应的设备控制

84
00:04:00,600 --> 00:04:02,040
比如说我们有一些控制

85
00:04:02,080 --> 00:04:06,200
就是直接对指定的端口发出写信号

86
00:04:06,240 --> 00:04:09,040
那这个写信号来控制设备的操作

87
00:04:09,080 --> 00:04:13,120
而写的内容有的时候反倒是不重要的

88
00:04:13,160 --> 00:04:17,040
另一种呢是内存映射I/O

89
00:04:17,080 --> 00:04:22,560
它是把设备的寄存器或者存储队列

90
00:04:22,600 --> 00:04:24,600
或者说存储区域

91
00:04:24,640 --> 00:04:28,680
映射到内存的物理地址空间

92
00:04:28,720 --> 00:04:31,560
然后通过load /store

93
00:04:31,600 --> 00:04:35,200
这种存储访问命令来实现I/O操作

94
00:04:35,240 --> 00:04:36,440
在这地方呢

95
00:04:36,480 --> 00:04:38,600
它的地址到底是在哪呢

96
00:04:38,640 --> 00:04:41,120
实际上是在MMU来设置

97
00:04:41,160 --> 00:04:43,440
或者说通过硬件的跳线

98
00:04:43,480 --> 00:04:47,560
来完成相应地址的映射

99
00:04:47,600 --> 00:04:49,200
有了这些讨论之后

100
00:04:49,240 --> 00:04:50,400
那我们就可以给出

101
00:04:50,440 --> 00:04:54,360
操作系统当中I/O子系统的结构

102
00:04:54,400 --> 00:04:56,800
那我们从下往上来讨论

103
00:04:56,840 --> 00:04:59,520
最底下是我们各种各样的设备

104
00:04:59,560 --> 00:05:02,520
比如说存储的SCSI设备

105
00:05:02,560 --> 00:05:06,400
和这边的ATAPI设备

106
00:05:06,440 --> 00:05:09,120
然后还有其它的你比如说鼠标 键盘

107
00:05:09,160 --> 00:05:12,040
然后每一个设备之上

108
00:05:12,080 --> 00:05:15,680
都对应着有一个设备控制器

109
00:05:15,720 --> 00:05:19,880
那不同的设备它的控制器是不一样的

110
00:05:19,920 --> 00:05:21,960
然后在这之上呢

111
00:05:22,000 --> 00:05:24,200
对应着我们就是开始是软件

112
00:05:24,240 --> 00:05:27,280
操作系统里第一层是设备驱动

113
00:05:27,320 --> 00:05:28,360
每一个设备

114
00:05:28,400 --> 00:05:31,200
每一类设备对应着有自己的驱动

115
00:05:31,240 --> 00:05:34,360
在这上头呢是我们的I/O子系统

116
00:05:34,400 --> 00:05:37,920
它用来处理各种设备共同的一些内容

117
00:05:37,960 --> 00:05:40,120
比如说我们的I/O请求

118
00:05:40,160 --> 00:05:42,960
转换成驱动的I/O请求

119
00:05:43,000 --> 00:05:44,360
这是一种细化

120
00:05:44,400 --> 00:05:46,720
然后我也会缓存

121
00:05:46,760 --> 00:05:48,040
设备给出来的一些结果

122
00:05:48,080 --> 00:05:50,680
你比如说我要访问某一个磁盘上的

123
00:05:50,720 --> 00:05:52,080
某一个扇区的数据

124
00:05:52,120 --> 00:05:54,120
那我前面已经做过一次操作了

125
00:05:54,160 --> 00:05:56,120
I/O子系统负责缓存

126
00:05:56,160 --> 00:05:57,960
并且你第二次来访问的时候

127
00:05:58,000 --> 00:05:59,720
我直接给你结果

128
00:05:59,760 --> 00:06:03,680
然后上边是我们内核的其它部分内容

129
00:06:03,720 --> 00:06:06,440
文件系统 那这些都是依赖于I/O子系统

130
00:06:06,480 --> 00:06:09,440
来完成相应数据读写的

131
00:06:09,480 --> 00:06:11,760
在这种结构下我们来看一个

132
00:06:11,800 --> 00:06:15,800
完整的I/O请求的生命周期

133
00:06:15,840 --> 00:06:17,160
跟我们刚才那张图呢

134
00:06:17,200 --> 00:06:20,520
在这地方又有一些细化

135
00:06:20,560 --> 00:06:23,000
这地方的驱动我把它分成两段

136
00:06:23,040 --> 00:06:26,400
设备驱动和底下的中断处理例程

137
00:06:26,440 --> 00:06:28,720
那我们来看一个用户

138
00:06:28,760 --> 00:06:31,480
进行I/O请求它的过程

139
00:06:31,520 --> 00:06:35,440
用户发出I/O请求 这是时间顺序

140
00:06:35,480 --> 00:06:37,160
到这个系统调用返回

141
00:06:37,200 --> 00:06:38,760
我得到相应的数据

142
00:06:38,800 --> 00:06:41,920
或者说我输出数据完成

143
00:06:41,960 --> 00:06:44,400
操作系统里头的I/O子系统

144
00:06:44,440 --> 00:06:45,840
它会做什么事呢

145
00:06:45,880 --> 00:06:49,120
首先判断一下你要进行这个操作

146
00:06:49,160 --> 00:06:51,240
是否有现成的结果

147
00:06:51,280 --> 00:06:55,320
比如说你的磁盘数据的读操作

148
00:06:55,360 --> 00:06:57,080
如果有 那我在这儿呢

149
00:06:57,120 --> 00:07:01,840
直接把我已经缓存的结果给应用

150
00:07:01,880 --> 00:07:03,200
我这个操作就结束了

151
00:07:03,240 --> 00:07:05,080
它实际上没有对实际的设备

152
00:07:05,120 --> 00:07:06,720
进行任何的操作

153
00:07:06,760 --> 00:07:09,120
如果说这个数据没有

154
00:07:09,160 --> 00:07:13,360
它会给驱动发出I/O请求

155
00:07:13,400 --> 00:07:14,480
那这时候我就要去读

156
00:07:14,520 --> 00:07:17,240
指定的区域里的数据了

157
00:07:17,280 --> 00:07:20,160
设备驱动再把这些I/O请求

158
00:07:20,200 --> 00:07:22,680
转换成设备的控制命令

159
00:07:22,720 --> 00:07:24,600
这个设备控制命令呢

160
00:07:24,640 --> 00:07:27,680
直接给硬件进行控制硬件操作

161
00:07:27,720 --> 00:07:31,560
那么这时候设备驱动处于等待状态

162
00:07:31,600 --> 00:07:34,440
等这边处理结束之后

163
00:07:34,480 --> 00:07:36,680
它会产生中断

164
00:07:36,720 --> 00:07:39,600
中断回来我们的中断处理例程

165
00:07:39,640 --> 00:07:41,160
会对它做出响应

166
00:07:41,200 --> 00:07:43,800
这时候响应就是保存相应的结果

167
00:07:43,840 --> 00:07:48,000
并且把结果通知上面的设备驱动层

168
00:07:48,040 --> 00:07:50,160
设备驱动层负责来区分

169
00:07:50,200 --> 00:07:53,760
返回的结果和哪个请求是相对应的

170
00:07:53,800 --> 00:07:55,440
然后把这个结果

171
00:07:55,480 --> 00:07:58,120
给到相应的I/O子系统当中

172
00:07:58,160 --> 00:08:00,920
再把它送给用户的进程

173
00:08:00,960 --> 00:08:02,160
整个一个I/O请求的

174
00:08:02,200 --> 00:08:05,720
完整过程就实现了

175
00:08:05,760 --> 00:08:08,280
这是我们说到的I/O结构

176
00:08:08,320 --> 00:08:09,480


177
00:08:09,520 --> 00:08:09,560