I/O

Basics¶

I/O 的种类¶

Polling：如果 I/O 设备忙，那么就 busy waiting。

Interrupt: 发出 I/O 请求之后，就不再管它，而是直接去执行代码；然后 I/O 请求收到回复之后，硬件发出中断，然后再去处理这个。

前者的问题在于如果 I/O 设备忙，那么需要一直等待；后者的问题在于，如果 I/O 请求很多，那么会造成程序一直在处理中断，根本没去运行代码。

DMA¶

DMA 是一种技术，旨在让 I/O 设备读写内存的时候，不需要经过 CPU。从而我们可以实现 CPU 执行和 I/O 过程异步进行。

如图，

使用 ioctl system call
trap 就会去告知对应的 device driver
Device driver 会通知相应的 drive controller
Drive controller 就会告知 DMA controller 开始 DMA transfer，直接将数据通过 PCIe bus 以及 CPU memory bus 写入 memory。此谓 direct memory access
写入完毕之后， DMA controller 就会给 CPU 发送 interrupt

Characters of I/O Devices¶

aspect	variation	example
data-transfer mode	character block	terminal disk
access method	sequential random	modem CD-ROM
transfer schedule	synchronous asynchronous	tape keyboard
sharing	dedicated sharable	tape keyboard
device speed	latency seek time transfer rate delay between operations
I/O direction	read only write only read-write	CD-ROM graphics controller disk

Broadly, I/O devices can be grouped by the OS into
- block I/O: read, write, seek
- character I/O (Stream)
- memory-mapped file access
- network sockets
OSs have usually an escape/back door that passes any I/O
commands from app to device
Linux's iocti call to send commands to a device driver

Synchronous I/O vs Asynchronous I/O

如图，左图是同步 I/O，右图是异步 I/O。

左图中，如果 I/O 硬件没有执行完毕，那么这个指令就不会返回；右图中，发出 I/O 命令之后，直接返回。

Kernel I/O Subsystem¶

宏内核包含了 I/O 子系统。这个系统可以做下面的事情：

spooling 就是输出缓存

I/O Protection¶

键盘事件肯定不是所有软件都能监听到的。可能只有处于焦点的软件才能监听到（否则就难免会出现密码泄露）。因此键盘事件必须是 privileged。

UNIX I/O Kernel Structure¶

Kernel source code

struct task_struct {
    // ...

    /* Filesystem information: */
    struct fs_struct        *fs;

    /* Open file information: */
    struct files_struct     *files;

    // ...
}

struct files_struct *files 就是 per-process open-file table:

/*
 * Open file table structure
 */
struct files_struct {
  /*
   * read mostly part
   */
    atomic_t count;
    bool resize_in_progress;
    wait_queue_head_t resize_wait;

    struct fdtable __rcu *fdt;
    struct fdtable fdtab;
  /*
   * written part on a separate cache line in SMP
   */
    spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
    unsigned int next_fd;
    unsigned long close_on_exec_init[1];
    unsigned long open_fds_init[1];
    unsigned long full_fds_bits_init[1];
    struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
};

其中，这个 struct file * fd_array 就是指向各种 record 的指针的 array。

I/O Request to Hardware¶

Consider reading a file from disk for a process: - determine device holding file - translate name to device representation - FAT, UNIX: major/minor - physically read data from disk into buffer - make data available to requesting process - return control to process

Lifecycle of An I/O Request

How to Reduce I/O Overhead¶

一句话：make devices smarter。

具体来说，能用 DMA 就用 DMA，设备的 controller 能够胜任就让它来负责——别所有东西都让 CPU 来决策。

Question: How to Register a Device on Linux¶

以 tty 为例：

可以大致看出，需要进行注册。因此，我们在热插拔设备的时候，就会产生中断，然后进行设备的注册和取消注册。

Linux I/O Implementation¶

`write`¶

write -> ... -> vfs_write -> (indirect call) tty_write

`ioctl`¶

ioctl -> vfs_ioctl -> (indirect call) tty_ioctl

I/O