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[26248] 2020-09-07_完了，这个硬件成精了，它竟然绕过了CPU......

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-09-07_完了，这个硬件成精了，它竟然绕过了CPU...... 完 了 ， 这 个 硬 件 成 精 了 ， 它 竟 然 绕 过 了   C P U . . . . . . c x u a n   L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 0 9 - 0 7 来 自 公 众 号 ： 程 序 员 来 自 公 众 号 ： 程 序 员 c x u a n 作 者 ： c x u a n 我 们 之 前 了 解 过 了   L i n u x   的 进 程 和 线 程 、 L i n u x   内 存 管 理 L i n u x   操 作 系 统 开 篇 ！ 操 作 系 统 开 篇 ！ L i n u x   进 程 必 知 必 会 进 程 必 知 必 会 L i n u x   是 如 何 管 理 内 存 的 ？ 是 如 何 管 理 内 存 的 ？ 那 么 下 面 我 们 就 来 认 识 一 下   L i n u x   中 的   I / O   管 理 。 L i n u x   系 统 和 其 他   U N I X   系 统 一 样 ， I O   管 理 比 较 直 接 和 简 洁 。 所 有   I O   设 备 都 被 当 作 ， 通 过 在 系 统 内 部 使 用 相 同 的   r e a d   和   w r i t e   一 样 进 行 读 写 。 1   L i n u x   I O   基 本 概 念 基 本 概 念 L i n u x   中 也 有 磁 盘 、 打 印 机 、 网 络 等   I / O   设 备 ， L i n u x   把 这 些 设 备 当 作 一 种     整 合 到 文 件 系 统 中 ， 一 般 通 常 位 于     目 录 下 。 可 以 使 用 与 普 通 文 件 相 同 的 方 式 来 对 待 这 些 特 殊 文 件 。 特 殊 文 件 一 般 分 为 两 种 ： 块 特 殊 文 件 是 一 个 能 存 储 信 息 的 设 备 ， 它 支 持 以 固 定 大 小 的 块 ， 扇 区 或 群 集 读 取 和 （ 可 选 ） 写 入 数 据 以 固 定 大 小 的 块 ， 扇 区 或 群 集 读 取 和 （ 可 选 ） 写 入 数 据 。 每 个 块 都 有 自 己 的 。 通 常 块 的 大 小 在   5 1 2   -   6 5 5 3 6   之 间 。 所 有 传 输 的 信 息 都 会 以 文 件 特 殊 文 件 / d e v 固 定 大 小 块 物 理 地 址 连 续
的 块 为 单 位 。 块 设 备 的 基 本 特 征 是 每 个 块 都 较 为 对 立 ， 能 够 独 立 的 进 行 读 写 。 常 见 的 块 设 备 有   硬 盘 、 蓝 硬 盘 、 蓝 光 光 盘 、 光 光 盘 、 U S B   盘 盘 与 字 符 设 备 相 比 ， 块 设 备 通 常 需 要 较 少 的 引 脚 。 块 特 殊 文 件 的 缺 点 基 于 给 定 固 态 存 储 器 的 块 设 备 比 基 于 相 同 类 型 的 存 储 器 的 字 节 寻 址 要 慢 一 些 ， 因 为 必 须 在 块 的 开 头 开 始 读 取 或 写 入 。 所 以 ， 要 读 取 该 块 的 任 何 部 分 ， 必 须 寻 找 到 该 块 的 开 始 ， 读 取 整 个 块 ， 如 果 不 使 用 该 块 ， 则 将 其 丢 弃 。 要 写 入 块 的 一 部 分 ， 必 须 寻 找 到 块 的 开 始 ， 将 整 个 块 读 入 内 存 ， 修 改 数 据 ， 再 次 寻 找 到 块 的 开 头 处 ， 然 后 将 整 个 块 写 回 设 备 。 另 一 类   I / O   设 备 是 。 字 符 设 备 以 为 单 位 发 送 或 接 收 一 个 字 符 流 ， 而 不 考 虑 任 何 块 结 构 。 字 符 设 备 是 不 可 寻 址 的 ， 也 没 有 任 何 寻 道 操 作 。 常 见 的 字 符 设 备 有   打 印 机 、 网 络 设 备 、 鼠 标 、 以 及 大 多 数 与 磁 盘 不 同 的 设 备 打 印 机 、 网 络 设 备 、 鼠 标 、 以 及 大 多 数 与 磁 盘 不 同 的 设 备 。 每 个 设 备 特 殊 文 件 都 会 和   字 符 特 殊 文 件 字 符 设 备 驱 动
  相 关 联 。 每 个 驱 动 程 序 都 通 过 一 个     来 标 识 。 如 果 一 个 驱 动 支 持 多 个 设 备 的 话 ， 此 时 会 在 主 设 备 的 后 面 新 加 一 个     来 标 识 。 主 设 备 号 和 次 设 备 号 共 同 确 定 了 唯 一 的 驱 动 设 备 。 我 们 知 道 ， 在 计 算 机 系 统 中 ， C P U   并 不 直 接 和 设 备 打 交 道 ， 它 们 中 间 有 一 个 叫 作   的 组 件 ， 例 如 硬 盘 有 磁 盘 控 制 器 、 U S B   有   U S B   控 制 器 、 显 示 器 有 视 频 控 制 器 等 。 这 些 控 制 器 就 像 代 理 商 一 样 ， 它 们 知 道 如 何 应 对 硬 盘 、 鼠 标 、 键 盘 、 显 示 器 的 行 为 。 绝 大 多 数 字 符 特 殊 文 件 都 不 能 随 机 访 问 ， 因 为 他 们 需 要 使 用 和 块 特 殊 文 件 不 同 的 方 式 来 控 制 。 比 如 ， 你 在 键 盘 上 输 入 了 一 些 字 符 ， 但 是 你 发 现 输 错 了 一 个 ， 这 时 有 一 些 人 喜 欢 使 用     来 删 除 ， 有 人 喜 欢 用     来 删 除 。 为 了 中 断 正 在 运 行 的 设 备 ， 一 些 系 统 使 用     来 结 束 ， 但 是 现 在 一 般 使 用     来 结 束 。 2   网 络 网 络 I / O   的 另 外 一 个 概 念 是 ，   也 是 由   U N I X   引 入 ， 网 络 中 一 个 很 关 键 的 概 念 就 是   。 套 接 字 允 许 用 户 连 接 到 网 络 ， 正 如 邮 筒 允 许 用 户 连 接 到 邮 政 系 统 ， 套 接 字 的 示 意 图 如 下 设 备 驱 动 主 设 备 号 次 设 备 号 设 备 控 制 器 （ D e v i c e   C o n t r o l   U n i t ） b a c k s p a c e d e l c t r l - u c t r l - c 网 络 套 接 字 ( s o c k e t )
套 接 字 的 位 置 如 上 图 所 示 ， 套 接 字 可 以 动 态 创 建 和 销 毁 。 成 功 创 建 一 个 套 接 字 后 ， 系 统 会 返 回 一 个 ， 在 后 面 的 创 建 链 接 、 读 数 据 、 写 数 据 、 解 除 连 接 时 都 需 要 使 用 到 这 个 文 件 描 述 符 。 每 个 套 接 字 都 支 持 一 种 特 定 类 型 的 网 络 类 型 ， 在 创 建 时 指 定 。 一 般 最 常 用 的 几 种 可 靠 的 面 向 连 接 的 字 节 流 可 靠 的 面 向 连 接 的 数 据 包 不 可 靠 的 数 据 包 传 输 可 靠 的 面 向 连 接 的 字 节 流 会 使 用   在 两 台 机 器 之 间 建 立 连 接 。 能 够 保 证 字 节 从 一 台 机 器 按 照 顺 序 到 达 另 一 台 机 器 ， 系 统 能 够 保 证 所 有 字 节 都 能 到 达 。 除 了 数 据 包 之 间 的 分 界 之 外 ， 第 二 种 类 型 和 第 一 种 类 型 是 类 似 的 。 如 果 发 送 了   3   次 写 操 作 ， 那 么 使 用 第 一 种 方 式 的 接 受 者 会 直 接 接 收 到 所 有 字 节 ； 第 二 种 方 式 的 接 受 者 会 分   3   次 接 受 所 有 字 节 。 除 此 之 外 ， 用 户 还 可 以 使 用 第 三 种 即 不 可 靠 的 数 据 包 来 传 输 ， 使 用 这 种 传 输 方 式 的 优 点 在 于 高 性 能 ， 有 的 时 候 它 比 可 靠 性 更 加 重 要 ， 比 如 在 流 媒 体 中 ， 性 能 就 尤 其 重 要 。 以 上 涉 及 两 种 形 式 的 传 输 协 议 ， 即     和   ， T C P   是   ， 它 能 够 传 输 可 靠 的 字 节 流 。   是   文 件 描 述 符 ( f i l e   d e s c r i p t o r ) 管 道 T C P U D P 传 输 控 制 协 议 U D P
， 它 只 能 够 传 输 不 可 靠 的 字 节 流 。 它 们 都 属 于   T C P / I P   协 议 簇 中 的 协 议 ， 下 面 是 网 络 协 议 分 层 可 以 看 到 ， T C P   、 U D P   都 位 于 网 络 层 上 ， 可 见 它 们 都 把   I P   协 议   即     作 为 基 础 。 一 旦 套 接 字 在 源 计 算 机 和 目 的 计 算 机 建 立 成 功 ， 那 么 两 个 计 算 机 之 间 就 可 以 建 立 一 个 链 接 。 通 信 一 方 在 本 地 套 接 字 上 使 用     系 统 调 用 ， 它 就 会 创 建 一 个 缓 冲 区 ， 然 后 阻 塞 直 到 数 据 到 来 。 另 一 方 使 用     系 统 调 用 ， 如 果 另 一 方 接 受   c o n n e c t   系 统 调 用 后 ， 则 系 统 会 在 两 个 套 接 字 之 间 建 立 连 接 。 s o c k e t   连 接 建 立 成 功 后 就 像 是 一 个 管 道 ， 一 个 进 程 可 以 使 用 本 地 套 接 字 的 文 件 描 述 符 从 中 读 写 数 据 ， 当 连 接 不 再 需 要 的 时 候 使 用     系 统 调 用 来 关 闭 。 3   L i n u x   I / O   系 统 调 用 系 统 调 用 L i n u x   系 统 中 的 每 个   I / O   设 备 都 有 一 个 与 之 关 联 ， 什 么 是 特 殊 文 件 呢 ？ 用 户 数 据 报 协 议 互 联 网 协 议 l i s t e n c o n n e c t c l o s e 特 殊 文 件 ( s p e c i a l   f i l e )
在 操 作 系 统 中 ， 特 殊 文 件 是 一 种 在 文 件 系 统 中 与 硬 件 设 备 相 关 联 的 文 件 。 特 殊 文 件 也 被 称 为   。 特 殊 文 件 的 目 的 是 将 设 备 作 为 文 件 系 统 中 的 文 件 进 行 公 开 。 特 殊 文 件 为 硬 件 设 备 提 供 了 借 口 ， 用 于 文 件   I / O   的 工 具 可 以 进 行 访 问 。 因 为 设 备 有 两 种 类 型 ， 同 样 特 殊 文 件 也 有 两 种 ， 即 字 符 特 殊 文 件 和 块 特 殊 文 件 对 于 大 部 分   I / O   操 作 来 说 ， 只 用 合 适 的 文 件 就 可 以 完 成 ， 并 不 需 要 特 殊 的 系 统 调 用 。 然 后 ， 有 时 需 要 一 些 设 备 专 用 的 处 理 。 在   P O S I X   之 前 ， 大 多 数   U N I X   系 统 会 有 一 个 叫 做     的 系 统 调 用 ， 它 用 于 执 行 大 量 的 系 统 调 用 。 随 着 时 间 的 发 展 ， P O S I X   对 其 进 行 了 整 理 ， 把   i o c t l   的 功 能 划 分 为 面 向 终 端 设 备 的 独 立 功 能 调 用 ， 现 在 已 经 变 成 独 立 的 系 统 调 用 了 。 下 面 是 几 个 管 理 终 端 的 系 统 调 用 系 统 调 用 系 统 调 用 描 述 描 述 t c g e t a t t r 获 取 属 性 t c s e t a t t r 设 置 属 性 c f g t e t i s p e e d 获 取 输 入 速 率 c f g e t o s p e e d 获 取 输 出 速 率 c f s e t i s p e e d 设 置 输 入 速 率 c f s e t o s p e e d 设 置 输 出 速 率 4   L i n u x   I O   实 现 实 现 L i n u x   中 的   I O   是 通 过 一 系 列 设 备 驱 动 实 现 的 ， 每 个 设 备 类 型 对 应 一 个 设 备 驱 动 。 设 备 驱 动 为 操 作 系 统 和 硬 件 分 别 预 留 接 口 ， 通 过 设 备 驱 动 来 屏 蔽 操 作 系 统 和 硬 件 的 差 异 。 当 用 户 访 问 一 个 特 殊 的 文 件 时 ， 由 文 件 系 统 提 供 此 特 殊 文 件 的 主 设 备 号 和 次 设 备 号 ， 并 判 断 它 是 一 个 块 特 殊 文 件 还 是 字 符 特 殊 文 件 。 主 设 备 号 用 于 标 识 字 符 设 备 还 是 块 设 备 ， 次 设 备 号 用 于 参 数 传 递 。 每 个   都 有 两 部 分 ： 这 两 部 分 都 是 属 于   L i n u x   内 核 ， 也 都 运 行 在 内 核 态 下 。 上 半 部 分 运 行 在 调 用 者 上 下 文 并 且 与   L i n u x   其 他 部 分 交 互 。 下 半 部 分 运 行 在 内 核 上 下 文 并 且 与 设 备 进 行 交 互 。 驱 动 程 序 可 以 调 用 内 存 分 配 、 定 时 器 管 理 、 D M A   控 制 等 内 核 过 程 。 可 被 调 用 的 内 核 功 能 都 位 于   设 备 文 件 ( d e v i c e   f i l e ) i o c t l 驱 动 程 序 驱 动 程 序   -   内 核 接 口
  的 文 档 中 。 I / O   实 现 指 的 就 是 对 字 符 设 备 和 块 设 备 的 实 现 块 设 备 实 现 块 设 备 实 现 系 统 中 处 理 块 特 殊 文 件   I / O   部 分 的 目 标 是 为 了 使 传 输 次 数 尽 可 能 的 小 。 为 了 实 现 这 个 目 标 ， L i n u x   系 统 在 磁 盘 驱 动 程 序 和 文 件 系 统 之 间 设 置 了 一 个     ， 如 下 图 所 示 在   L i n u x   内 核   2 . 2   之 前 ， L i n u x   系 统 维 护 着 两 个 缓 存 ：   和   ， 因 此 ， 存 储 在 一 个 磁 盘 块 中 的 文 件 可 能 会 在 两 个 缓 存 中 。 2 . 2   版 本 以 后   L i n u x   内 核 只 有 一 个 统 一 的 缓 存 一 个     把 这 些 融 合 在 一 起 ， 实 现 了 磁 盘 、 数 据 块 、 缓 冲 区 和 数 据 页 之 间 必 要 的 转 换 。 那 么 什 么 是 通 用 数 据 块 层 ？ 高 速 缓 存 ( c a c h e ) 页 面 缓 存 ( p a g e   c a c h e ) 缓 冲 区 缓 存 ( b u f f e r   c a c h e ) 通 用 数 据 块 层 ( g e n e r i c   b l o c k   l a y e r )
通 用 数 据 块 层 是 一 个 内 核 的 组 成 部 分 ， 用 于 处 理 对 系 统 中 所 有 块 设 备 的 请 求 。 通 用 数 据 块 主 要 有 以 下 几 个 功 能 将 数 据 缓 冲 区 放 在 内 存 高 位 处 ， 当   C P U   访 问 数 据 时 ， 页 面 才 会 映 射 到 内 核 线 性 地 址 中 ， 并 且 此 后 取 消 映 射 实 现   机 制 ， 磁 盘 数 据 可 以 直 接 放 入 用 户 模 式 的 地 址 空 间 ， 而 无 需 先 复 制 到 内 核 内 存 中 管 理 磁 盘 卷 ， 会 把 不 同 块 设 备 上 的 多 个 磁 盘 分 区 视 为 一 个 分 区 。 利 用 最 新 的 磁 盘 控 制 器 的 高 级 功 能 ， 例 如   D M A   等 。 c a c h e   是 提 升 性 能 的 利 器 ， 不 管 以 什 么 样 的 目 的 需 要 一 个 数 据 块 ， 都 会 先 从   c a c h e   中 查 找 ， 如 果 找 到 直 接 返 回 ， 避 免 一 次 磁 盘 访 问 ， 能 够 极 大 的 提 升 系 统 性 能 。 如 果 页 面   c a c h e   中 没 有 这 个 块 ， 操 作 系 统 就 会 把 页 面 从 磁 盘 中 调 入 内 存 ， 然 后 读 入   c a c h e   进 行 缓 存 。 c a c h e   除 了 支 持 读 操 作 外 ， 也 支 持 写 操 作 ， 一 个 程 序 要 写 回 一 个 块 ， 首 先 把 它 写 到   c a c h e   中 ， 而 不 是 直 接 写 入 到 磁 盘 中 ， 等 到 磁 盘 中 缓 存 达 到 一 定 数 量 值 时 再 被 写 入 到   c a c h e   中 。 L i n u x   系 统 中 使 用     来 保 证 减 少 磁 头 的 反 复 移 动 从 而 减 少 损 失 。 I / O   调 度 器 的 作 用 是 对 块 设 备 的 读 写 操 作 进 行 排 序 ， 对 读 写 请 求 进 行 合 并 。 L i n u x   有 许 多 调 度 器 的 变 体 ， 从 而 满 足 不 同 的 工 作 需 要 。 最 基 本 的   L i n u x   调 度 器 是 基 于 传 统 的   。 L i n u x   电 梯 调 度 器 的 主 要 工 作 流 程 就 是 按 照 磁 盘 扇 区 的 地 址 排 序 并 存 储 在 一 个   中 。 新 的 请 求 将 会 以 链 表 的 形 式 插 入 。 这 种 方 法 可 以 有 效 的 防 止 磁 头 重 复 移 动 。 因 为 电 梯 调 度 器 会 容 易 产 生 饥 饿 现 象 。 因 此 ， L i n u x   在 原 基 础 上 进 行 了 修 改 ， 维 护 了 两 个 链 表 ， 在     内 维 护 了 排 序 后 的 读 写 操 作 。 默 认 的 读 操 作 耗 时   0 . 5 s ， 默 认 写 操 作 耗 时   5 s 。 如 果 在 最 后 期 限 内 等 待 时 间 最 长 的 链 表 没 有 获 得 服 务 ， 那 么 它 将 优 先 获 得 服 务 。 字 符 设 备 实 现 字 符 设 备 实 现 和 字 符 设 备 的 交 互 是 比 较 简 单 的 。 由 于 字 符 设 备 会 产 生 并 使 用 字 符 流 、 字 节 数 据 ， 因 此 对 随 机 访 问 的 支 持 意 义 不 大 。 一 个 例 外 是 使 用   零 拷 贝 I O   调 度 器 L i n u x   电 梯 调 度 器 ( L i n u x   e l e v a t o r   s c h e d u l e r ) 双 向 链 表 最 后 日 期 ( d e a d l i n e ) 行 规 则 ( l i n e   d i s c i p l i n e s )
。 一 个 行 规 可 以 和 终 端 设 备 相 关 联 ， 使 用     结 构 来 表 示 ， 它 表 示 与 终 端 设 备 交 换 数 据 的 解 释 器 ， 当 然 这 也 属 于 内 核 的 一 部 分 。 例 如 ： 行 规 可 以 对 行 进 行 编 辑 ， 映 射 回 车 为 换 行 等 一 系 列 其 他 操 作 。 什 么 是 行 规 则 ？ 行 规 是 某 些 类   U N I X   系 统 中 的 一 层 ， 终 端 子 系 统 通 常 由 三 层 组 成 ： 上 层 提 供 字 符 设 备 接 口 ， 下 层 硬 件 驱 动 程 序 与 硬 件 或 伪 终 端 进 行 交 互 ， 中 层 规 则 用 于 实 现 终 端 设 备 共 有 的 行 为 。 网 络 设 备 实 现 网 络 设 备 实 现 网 络 设 备 的 交 互 是 不 一 样 的 ， 虽 然     也 会 产 生 字 符 流 ， 因 为 它 们 的   特 性 是 他 们 不 易 与 其 他 字 符 设 备 在 同 一 接 口 下 集 成 。 网 络 设 备 驱 动 程 序 会 产 生 很 多 数 据 包 ， 经 由 网 络 协 议 到 达 用 户 应 用 程 序 中 。 5   L i n u x   中 的 模 块 中 的 模 块 U N I X   设 备 驱 动 程 序 是 被 到 内 核 中 的 。 因 此 ， 只 要 系 统 启 动 后 ， 设 备 驱 动 程 序 都 会 被 加 载 到 内 存 中 。 随 着 个 人 电 脑   L i n u x   的 出 现 ， t t y _ s t r u c t 网 络 设 备 ( n e t w o r k   d e v i c e s ) 异 步 ( a s y n c h r o n o u s ) 静 态 加 载
这 种 静 态 链 接 完 成 后 会 使 用 一 段 时 间 的 模 式 被 打 破 。 相 对 于 小 型 机 上 的   I / O   设 备 ， P C   上 可 用 的   I / O   设 备 有 了 数 量 级 的 增 长 。 绝 大 多 数 用 户 没 有 能 力 去 添 加 一 个 新 的 应 用 程 序 、 更 新 设 备 驱 动 、 重 新 连 接 内 核 ， 然 后 进 行 安 装 。 L i n u x   为 了 解 决 这 个 问 题 ， 引 入 了     机 制 。 可 加 载 是 在 系 统 运 行 时 添 加 到 内 核 中 的 代 码 块 。 当 一 个 模 块 被 加 载 到 内 核 时 ， 会 发 生 下 面 几 件 事 情 ： 第 一 ， 在 加 载 的 过 程 中 ， 模 块 会 被 动 态 的 重 新 部 署 。 第 二 ， 系 统 会 检 查 程 序 程 序 所 需 的 资 源 是 否 可 用 。 如 果 可 用 ， 则 把 这 些 资 源 标 记 为 正 在 使 用 。 第 三 步 ， 设 置 所 需 的 中 断 向 量 。 第 四 ， 更 新 驱 动 转 换 表 使 其 能 够 处 理 新 的 主 设 备 类 型 。 最 后 再 来 运 行 设 备 驱 动 程 序 。 在 完 成 上 述 工 作 后 ， 驱 动 程 序 就 会 安 装 完 成 ， 其 他 现 代   U N I X   系 统 也 支 持 可 加 载 机 制 。 ● 输 入 m 获 取 文 章 目 录 推 荐 推 荐 ↓ ↓ ↓ 运 维 运 维 更 多 推 荐 更 多 推 荐 《 《 2 5 个 技 术 类 公 众 微 信 个 技 术 类 公 众 微 信 》 》 涵 盖 ： 程 序 人 生 、 算 法 与 数 据 结 构 、 黑 客 技 术 与 网 络 安 全 、 大 数 据 技 术 、 前 端 开 发 、 J a v a 、 P y t h o n 、 W e b 开 发 、 安 卓 开 发 、 i O S 开 发 、 C / C + + 、 . N E T 、 L i n u x 、 数 据 库 、 运 维 等 。 可 加 载 ( l o a d a b l e   m o d u l e )
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