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[26234] 2020-08-26_键盘敲入A字母时，操作系统期间发生了什么...

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
2020-08-26_键盘敲入A字母时，操作系统期间发生了什么... 键 盘 敲 入   A   字 母 时 ， 操 作 系 统 期 间 发 生 了 什 么 . . . L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 0 8 - 2 6 以 下 文 章 来 源 于 小 林 c o d i n g   ， 作 者 小 林 c o d i n g 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 小 林 小 林 c o d i n g 前 言 前 言 键 盘 可 以 说 是 我 们 最 常 使 用 的 输 入 硬 件 设 备 了 ， 但 身 为 程 序 员 的 你 ， 你 知 道 「 键 盘 敲 入 键 盘 敲 入   A   字 母 时 ， 操 作 系 字 母 时 ， 操 作 系 统 期 间 发 生 了 什 么 吗 统 期 间 发 生 了 什 么 吗 」 ？ 那 要 想 知 道 这 个 发 生 的 过 程 ， 我 们 得 先 了 解 了 解 「 操 作 系 统 是 如 何 管 理 多 种 多 样 的 的 输 入 输 出 设 备 」 的 ， 等 了 解 完 这 个 后 ， 我 们 再 来 看 看 这 个 问 题 ， 你 就 会 发 现 问 题 已 经 被 迎 刃 而 解 了 。 正 文 正 文 小 林 小 林 c o d i n g   . 图 解 得 了 技 术 ， 谈 吐 得 了 烟 火 。
设 备 控 制 器 我 们 的 电 脑 设 备 可 以 接 非 常 多 的 输 入 输 出 设 备 ， 比 如 键 盘 、 鼠 标 、 显 示 器 、 网 卡 、 硬 盘 、 打 印 机 、 音 响 等 等 ， 每 个 设 备 的 用 法 和 功 能 都 不 同 ， 那 操 作 系 统 是 如 何 把 这 些 输 入 输 出 设 备 统 一 管 理 的 呢 ? 为 了 屏 蔽 设 备 之 间 的 差 异 ， 每 个 设 备 都 有 一 个 叫 设 备 控 制 器 （ 设 备 控 制 器 （ D e v i c e   C o n t r o l ） ）   的 组 件 ， 比 如 硬 盘 有 硬 盘 控 制 器 、 显 示 器 有 视 频 控 制 器 等 。 计 算 机   I / O   系 统 结 构 因 为 这 些 控 制 器 都 很 清 楚 的 知 道 对 应 设 备 的 用 法 和 功 能 ， 所 以   C P U   是 通 过 设 备 控 制 器 来 和 设 备 打 交 道 的 。 设 备 控 制 器 里 有 芯 片 ， 它 可 执 行 自 己 的 逻 辑 ， 也 有 自 己 的 寄 存 器 ， 用 来 与   C P U   进 行 通 信 ， 比 如 ： 通 过 写 入 这 些 寄 存 器 ， 操 作 系 统 可 以 命 令 设 备 发 送 数 据 、 接 收 数 据 、 开 启 或 关 闭 ， 或 者 执 行 某 些 其 他 操 作 。 通 过 读 取 这 些 寄 存 器 ， 操 作 系 统 可 以 了 解 设 备 的 状 态 ， 是 否 准 备 好 接 收 一 个 新 的 命 令 等 。 实 际 上 ， 控 制 器 是 有 三 类 寄 存 器 ， 它 们 分 别 是 状 态 寄 存 器 （ 状 态 寄 存 器 （ S t a t u s   R e g i s t e r ） ） 、   命 令 寄 存 器 （ 命 令 寄 存 器 （ C o m m a n d R e g i s t e r ） ） 以 及 数 据 寄 存 器 （ 数 据 寄 存 器 （ D a t a   R e g i s t e r ） ） ， 如 下 图 ：
这 三 个 寄 存 器 的 作 用 ： 数 据 寄 存 器 ， C P U   向   I / O   设 备 写 入 需 要 传 输 的 数 据 ， 比 如 要 打 印 的 内 容 是 「 H e l l o 」 ， C P U   就 要 先 发 送 一 个   H   字 符 给 到 对 应 的   I / O   设 备 。 命 令 寄 存 器 ， C P U   发 送 一 个 命 令 ， 告 诉   I / O   设 备 ， 要 进 行 输 入 / 输 出 操 作 ， 于 是 就 会 交 给   I / O   设 备 去 工 作 ， 任 务 完 成 后 ， 会 把 状 态 寄 存 器 里 面 的 状 态 标 记 为 完 成 。 状 态 寄 存 器 ， 目 的 是 告 诉   C P U   ， 现 在 已 经 在 工 作 或 工 作 已 经 完 成 ， 如 果 已 经 在 工 作 状 态 ， C P U   再 发 送 数 据 或 者 命 令 过 来 ， 都 是 没 有 用 的 ， 直 到 前 面 的 工 作 已 经 完 成 ， 状 态 寄 存 标 记 成 已 完 成 ， C P U   才 能 发 送 下 一 个 字 符 和 命 令 。 C P U   通 过 读 、 写 设 备 控 制 器 中 的 寄 存 器 来 控 制 设 备 ， 这 可 比   C P U   直 接 控 制 输 入 输 出 设 备 ， 要 方 便 和 标 准 很 多 。 另 外 ，   输 入 输 出 设 备 可 分 为 两 大 类   ： 块 设 备 （ 块 设 备 （ B l o c k   D e v i c e ） ） 和 字 符 设 备 （ 字 符 设 备 （ C h a r a c t e r   D e v i c e ） ） 。 块 设 备 ， 把 数 据 存 储 在 固 定 大 小 的 块 中 ， 每 个 块 有 自 己 的 地 址 ， 硬 盘 、 U S B   是 常 见 的 块 设 备 。 字 符 设 备 ， 以 字 符 为 单 位 发 送 或 接 收 一 个 字 符 流 ， 字 符 设 备 是 不 可 寻 址 的 ， 也 没 有 任 何 寻 道 操 作 ， 鼠 标 是 常 见 的 字 符 设 备 。 块 设 备 通 常 传 输 的 数 据 量 会 非 常 大 ， 于 是 控 制 器 设 立 了 一 个 可 读 写 的 数 据 缓 冲 区 数 据 缓 冲 区 。 C P U   写 入 数 据 到 控 制 器 的 缓 冲 区 时 ， 当 缓 冲 区 的 数 据 囤 够 了 一 部 分 ， 才 会 发 给 设 备 。 C P U   从 控 制 器 的 缓 冲 区 读 取 数 据 时 ， 也 需 要 缓 冲 区 囤 够 了 一 部 分 ， 才 拷 贝 到 内 存 。
这 样 做 是 为 了 ， 减 少 对 设 备 的 操 作 次 数 。 那   C P U   是 如 何 与 设 备 的 控 制 寄 存 器 和 数 据 缓 冲 区 进 行 通 信 的 ？ 存 在 两 个 方 法 ： 端 口   I / O ， 每 个 控 制 寄 存 器 被 分 配 一 个   I / O   端 口 ， 可 以 通 过 特 殊 的 汇 编 指 令 操 作 这 些 寄 存 器 ， 比 如 类 似 的 指 令 。 内 存 映 射   I / O ， 将 所 有 控 制 寄 存 器 映 射 到 内 存 空 间 中 ， 这 样 就 可 以 像 读 写 内 存 一 样 读 写 数 据 缓 冲 区 。 I / O   控 制 方 式 在 前 面 我 知 道 ， 每 种 设 备 都 有 一 个 设 备 控 制 器 ， 控 制 器 相 当 于 一 个 小   C P U ， 它 可 以 自 己 处 理 一 些 事 情 ， 但 有 个 问 题 是 ， 当   C P U   给 设 备 发 送 了 一 个 指 令 ， 让 设 备 控 制 器 去 读 设 备 的 数 据 ， 它 读 完 的 时 候 ， 要 怎 么 通 知 C P U   呢 ？ 控 制 器 的 寄 存 器 一 般 会 有 状 态 标 记 位 ， 用 来 标 识 输 入 或 输 出 操 作 是 否 完 成 。 于 是 ， 我 们 想 到 第 一 种 轮 询 等 轮 询 等 待 待 的 方 法 ， 让   C P U   一 直 查 寄 存 器 的 状 态 ， 直 到 状 态 标 记 为 完 成 ， 很 明 显 ， 这 种 方 式 非 常 的 傻 瓜 ， 它 会 占 用 C P U   的 全 部 时 间 。 那 我 们 就 想 到 第 二 种 方 法   — —   中 断 中 断 ， 通 知 操 作 系 统 数 据 已 经 准 备 好 了 。 我 们 一 般 会 有 一 个 硬 件 的 中 断 控 制 中 断 控 制 器 器 ， 当 设 备 完 成 任 务 后 触 发 中 断 到 中 断 控 制 器 ， 中 断 控 制 器 就 通 知   C P U ， 一 个 中 断 产 生 了 ， C P U   需 要 停 下 当 前 手 里 的 事 情 来 处 理 中 断 。 另 外 ， 中 断 有 两 种 ， 一 种 软 中 断 软 中 断 ， 例 如 代 码 调 用 指 令 触 发 ， 一 种 是 硬 件 中 断 硬 件 中 断 ， 就 是 硬 件 通 过 中 断 控 制 器 触 发 的 。 但 中 断 的 方 式 对 于 频 繁 读 写 数 据 的 磁 盘 ， 并 不 友 好 ， 这 样   C P U   容 易 经 常 被 打 断 ， 会 占 用   C P U   大 量 的 时 间 。 对 于 这 一 类 设 备 的 问 题 的 解 决 方 法 是 使 用   D M A （ （ D i r e c t   M e m o r y   A c c e s s ） ）   功 能 ， 它 可 以 使 得 设 备 在 C P U   不 参 与 的 情 况 下 ， 能 够 自 行 完 成 把 设 备   I / O   数 据 放 入 到 内 存 。 那 要 实 现   D M A   功 能 要 有   「 D M A   控 制 器 」 硬 件 的 支 持 。 i n / o u t I N T
D M A   的 工 作 方 式 如 下 ： C P U   需 对   D M A   控 制 器 下 发 指 令 ， 告 诉 它 想 读 取 多 少 数 据 ， 读 完 的 数 据 放 在 内 存 的 某 个 地 方 就 可 以 了 ； 接 下 来 ， D M A   控 制 器 会 向 磁 盘 控 制 器 发 出 指 令 ， 通 知 它 从 磁 盘 读 数 据 到 其 内 部 的 缓 冲 区 中 ， 接 着 磁 盘 控 制 器 将 缓 冲 区 的 数 据 传 输 到 内 存 ； 当 磁 盘 控 制 器 把 数 据 传 输 到 内 存 的 操 作 完 成 后 ， 磁 盘 控 制 器 在 总 线 上 发 出 一 个 确 认 成 功 的 信 号 到   D M A 控 制 器 ； D M A   控 制 器 收 到 信 号 后 ， D M A   控 制 器 发 中 断 通 知   C P U   指 令 完 成 ， C P U   就 可 以 直 接 用 内 存 里 面 现 成 的 数 据 了 ； 可 以 看 到 ，   C P U   当 要 读 取 磁 盘 数 据 的 时 候 ， 只 需 给   D M A   控 制 器 发 送 指 令 ， 然 后 返 回 去 做 其 他 事 情 ， 当 磁 盘 数 据 拷 贝 到 内 存 后 ， D M A   控 制 机 器 通 过 中 断 的 方 式 ， 告 诉   C P U   数 据 已 经 准 备 好 了 ， 可 以 从 内 存 读 数 据 了 。 仅 仅 在 传 送 开 始 和 结 束 时 需 要   C P U   干 预 。 设 备 驱 动 程 序 虽 然 设 备 控 制 器 屏 蔽 了 设 备 的 众 多 细 节 ， 但 每 种 设 备 的 控 制 器 的 寄 存 器 、 缓 冲 区 等 使 用 模 式 都 是 不 同 的 ， 所 以 为 了 屏 蔽 「 设 备 控 制 器 」 的 差 异 ， 引 入 了 设 备 驱 动 程 序 设 备 驱 动 程 序 。
设 备 控 制 器 不 属 于 操 作 系 统 范 畴 ， 它 是 属 于 硬 件 ， 而 设 备 驱 动 程 序 属 于 操 作 系 统 的 一 部 分 ， 操 作 系 统 的 内 核 代 码 可 以 像 本 地 调 用 代 码 一 样 使 用 设 备 驱 动 程 序 的 接 口 ， 而 设 备 驱 动 程 序 是 面 向 设 备 控 制 器 的 代 码 ， 它 发 出 操 控 设 备 控 制 器 的 指 令 后 ， 才 可 以 操 作 设 备 控 制 器 。 不 同 的 设 备 控 制 器 虽 然 功 能 不 同 ， 但 是 设 备 驱 动 程 序 会 提 供 统 一 的 接 口 给 操 作 系 统 设 备 驱 动 程 序 会 提 供 统 一 的 接 口 给 操 作 系 统 ， 这 样 不 同 的 设 备 驱 动 程 序 ， 就 可 以 以 相 同 的 方 式 接 入 操 作 系 统 。 如 下 图 ：
前 面 提 到 了 不 少 关 于 中 断 的 事 情 ， 设 备 完 成 了 事 情 ， 则 会 发 送 中 断 来 通 知 操 作 系 统 。 那 操 作 系 统 就 需 要 有 一 个 地 方 来 处 理 这 个 中 断 ， 这 个 地 方 也 就 是 在 设 备 驱 动 程 序 里 ， 它 会 及 时 响 应 控 制 器 发 来 的 中 断 请 求 ， 并 根 据 这 个 中 断 的 类 型 调 用 响 应 的 中 断 处 理 程 序 中 断 处 理 程 序 进 行 处 理 。 通 常 ， 设 备 驱 动 程 序 初 始 化 的 时 候 ， 要 先 注 册 一 个 该 设 备 的 中 断 处 理 函 数 。
我 们 来 看 看 ， 中 断 处 理 程 序 的 处 理 流 程 ： 1 .   在   I / O   时 ， 设 备 控 制 器 如 果 已 经 准 备 好 数 据 ， 则 会 通 过 中 断 控 制 器 向   C P U   发 送 中 断 请 求 ； 2 .   保 护 被 中 断 进 程 的   C P U   上 下 文 ； 3 .   转 入 相 应 的 设 备 中 断 处 理 函 数 ； 4 .   进 行 中 断 处 理 ； 5 .   恢 复 被 中 断 进 程 的 上 下 文 ； 通 用 块 层 对 于 块 设 备 ， 为 了 减 少 不 同 块 设 备 的 差 异 带 来 的 影 响 ， L i n u x   通 过 一 个 统 一 的 通 用 块 层 通 用 块 层 ， 来 管 理 不 同 的 块 设 备 。 通 用 块 层 是 处 于 文 件 系 统 和 磁 盘 驱 动 中 间 的 一 个 块 设 备 抽 象 层 ， 它 主 要 有 两 个 功 能 ： 第 一 个 功 能 ， 向 上 为 文 件 系 统 和 应 用 程 序 ， 提 供 访 问 块 设 备 的 标 准 接 口 ， 向 下 把 各 种 不 同 的 磁 盘 设 备 抽 象 为 统 一 的 块 设 备 ， 并 在 内 核 层 面 ， 提 供 一 个 框 架 来 管 理 这 些 设 备 的 驱 动 程 序 ； 第 二 功 能 ， 通 用 层 还 会 给 文 件 系 统 和 应 用 程 序 发 来 的   I / O   请 求 排 队 ， 接 着 会 对 队 列 重 新 排 序 、 请 求 合 并
等 方 式 ， 也 就 是   I / O   调 度 ， 主 要 目 的 是 为 了 提 高 磁 盘 读 写 的 效 率 。 L i n u x   内 存 支 持   5   种   I / O   调 度 算 法 ， 分 别 是 ： 没 有 调 度 算 法 先 入 先 出 调 度 算 法 完 全 公 平 调 度 算 法 优 先 级 调 度 最 终 期 限 调 度 算 法 第 一 种 ， 没 有 调 度 算 法 ， 是 的 ， 你 没 听 错 ， 它 不 对 文 件 系 统 和 应 用 程 序 的   I / O   做 任 何 处 理 ， 这 种 算 法 常 用 在 虚 拟 机   I / O   中 ， 此 时 磁 盘   I / O   调 度 算 法 交 由 物 理 机 系 统 负 责 。 第 二 种 ， 先 入 先 出 调 度 算 法 ， 这 是 最 简 单 的   I / O   调 度 算 法 ， 先 进 入   I / O   调 度 队 列 的   I / O   请 求 先 发 生 。 第 三 种 ， 完 全 公 平 调 度 算 法 ， 大 部 分 系 统 都 把 这 个 算 法 作 为 默 认 的   I / O   调 度 器 ， 它 为 每 个 进 程 维 护 了 一 个 I / O   调 度 队 列 ， 并 按 照 时 间 片 来 均 匀 分 布 每 个 进 程 的   I / O   请 求 。 第 四 种 ， 优 先 级 调 度 算 法 ， 顾 名 思 义 ， 优 先 级 高 的   I / O   请 求 先 发 生 ，   它 适 用 于 运 行 大 量 进 程 的 系 统 ， 像 是 桌 面 环 境 、 多 媒 体 应 用 等 。 第 五 种 ， 最 终 期 限 调 度 算 法 ， 分 别 为 读 、 写 请 求 创 建 了 不 同 的   I / O   队 列 ， 这 样 可 以 提 高 机 械 磁 盘 的 吞 吐 量 ， 并 确 保 达 到 最 终 期 限 的 请 求 被 优 先 处 理 ， 适 用 于 在   I / O   压 力 比 较 大 的 场 景 ， 比 如 数 据 库 等 。 存 储 系 统   I / O   软 件 分 层 前 面 说 到 了 不 少 东 西 ， 设 备 、 设 备 控 制 器 、 驱 动 程 序 、 通 用 块 层 ， 现 在 再 结 合 文 件 系 统 原 理 ， 我 们 来 看 看 L i n u x   存 储 系 统 的   I / O   软 件 分 层 。 可 以 把   L i n u x   存 储 系 统 的   I / O   由 上 到 下 可 以 分 为 三 个 层 次 ， 分 别 是 文 件 系 统 层 、 通 用 块 层 、 设 备 层 。 他 们 整 个 的 层 次 关 系 如 下 图 ：
这 三 个 层 次 的 作 用 是 ： 文 件 系 统 层 ， 包 括 虚 拟 文 件 系 统 和 其 他 文 件 系 统 的 具 体 实 现 ， 它 向 上 为 应 用 程 序 统 一 提 供 了 标 准 的 文 件 访 问 接 口 ， 向 下 会 通 过 通 用 块 层 来 存 储 和 管 理 磁 盘 数 据 。 通 用 块 层 ， 包 括 块 设 备 的   I / O   队 列 和   I / O   调 度 器 ， 它 会 对 文 件 系 统 的   I / O   请 求 进 行 排 队 ， 再 通 过   I / O 调 度 器 ， 选 择 一 个   I / O   发 给 下 一 层 的 设 备 层 。 设 备 层 ， 包 括 硬 件 设 备 、 设 备 控 制 器 和 驱 动 程 序 ， 负 责 最 终 物 理 设 备 的   I / O   操 作 。 有 了 文 件 系 统 接 口 之 后 ， 不 但 可 以 通 过 文 件 系 统 的 命 令 行 操 作 设 备 ， 也 可 以 通 过 应 用 程 序 ， 调 用 、 函 数 ， 就 像 读 写 文 件 一 样 操 作 设 备 ， 所 以 说 设 备 在   L i n u x   下 ， 也 只 是 一 个 特 殊 的 文 件 。 但 是 ， 除 了 读 写 操 作 ， 还 需 要 有 检 查 特 定 于 设 备 的 功 能 和 属 性 。 于 是 ， 需 要 r e a d w r i t e
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