【笔记】I/O总结王道强化视频笔记

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从中断控制器的角度来理解整个中断处理的过程
- - [复习处理器的中断处理机制](#复习处理器的中断处理机制)
  - **中断驱动I/O方式**
printf------从系统调用到I/O控制方式的具体实现1
scanf------中断方式下输入要给字符串的具体过程

从中断控制器的角度来理解整个中断处理的过程

深入理解中断机制------从中断控制器出发

当外设准备好时，便从CPU发出中断请求，CPU响应后，中止现行程序的执行，转入一个"中断服务程序"进行输入/出操作，实现主机和外设接口之间的数据传送，并启动外设工作。"中断服务程序"执行完后，返回原被中止的程序断点出继续执行。此时，外设和CPU并行工作。

复习处理器的中断处理机制

关中断：将中断允许标志清零。在psw中一个标志位（中断允许标志位）

中断发生时，处理器必须做以下基本处理:

① 保护断点和程序状态: 将返回原程序的断电和程序状态保存到堆栈中或特殊寄存器中。

PC=>堆栈或特殊寄存器

PSWR=>堆栈或特殊寄存器

（(PSW)：程序状态字

PSWR（PSW寄存器）：用于存放程序状态的寄存器。如x86的FLAGS）

② 识别中断事件

有两种不同的方式：软件识别 和硬件识别 （向量中断方式）

(1) 软件识别(MIPS采用)：设置一个异常状态寄存器（MIPS中为Cause寄存器），用于记录异常原因。操作系统使用一个统一的异常处理程序（MIPS的入口为0x8000 0180），该程序按优先级顺序查询异常状态寄存器，识别出异常事件。

(2) 硬件识别（向量中断）（80x86采用）：用专门的硬件查询电路按优先级顺序识别中断，得到一个"中断类型号"，根据此号，到中断向量表中读取对应的中断服务程序的入口地址。

PIC:可编程的硬件控制器，识别了中断事件之后，就会切换到某一个具体的中断服务程序执行。

③ 切换到具体的中断处理程序执行

中断控制器的基本结构：

问题一形成中断号（向量地址）送到什么线上
送到数据线上。
数据线不仅能传送指令还能传送向量地址
第二个问题何时采样
（当前指令周期结束后）每条指令执行的最后一个操作控制信号，就要求CPU去检测这个INTR是否有中断请求信号？那么CPU采样到这个INTR信号有效，就立即进入中断响应周期。
中断查询信号什么时候发出
在 CPU 进入中断响应周期后，CPU 会暂停当前正在执行的指令，并保存当前的执行状态（如程序计数器、寄存器等），以便在中断处理完成后能够恢复执行。*（经过了一个固定的延迟时间）*然后，CPU 会发出中断查询信号，以查询哪些中断请求是有效的且未被屏蔽的。*发出中断查询信号，这个信号的作用是触发系统中所有中断源的响应。*这个中断查询信号会发送给系统中的所有中断源，每个中断源都会根据自身的状态（是否有中断请求且未被屏蔽）来响应这个信号。如果某个中断源有有效的中断请求且未被屏蔽，它就会向判优电路发出信号。以便判优电路能够选择一个优先级最高的中断请求进行响应。
判优电路可以被看作是一个编码器，它将【多个中断请求信号】转换为一个【单一的中断向量号】，该向量号指向中断处理程序的入口地址。

CPU能不能检测到信号由中断处理优先级决定

响应顺序：A>B>C

处理顺序：C>B>A

它的完成的顺序就是先完成c，再完成b，

那么最后才完成a，它的响应的顺序是在执行a的过程当中，它先响应的b，然后后响应的c，

中断响应优先级：判优电路决定的
中断处理优先级：中断屏蔽字寄存器来决定的它。它是中断服务程序来设置的。能不能检测到中断请求信号有效。只有检测到中断请求信号又笑了才能进入到下一步。

在中断处理过程中，当系统内有ABC三个（中断源），且它们的中断响应优先级为a>b>c，中断处理优先级为c>b>a时

当前状态：CPU正在执行中断源a的中断服务程序。

中断请求：同时，中断源b和c发出中断请求。

中断检测：

CPU在执行完一条指令后，检查中断请求信号寄存器（intr）。

由于中断处理优先级c>b>a，当前执行的中断服务程序a无法屏蔽b和c的中断请求。

因此，b和c的中断请求使intr寄存器有效。

中断响应：

CPU检测到有效的中断请求信号。

CPU发出中断查询信号，以确定要响应哪个中断源。

由中断响应优先级b>c决定，判优电路选择中断源b，并形成中断源b的向量地址送到CPU。

CPU响应并处理中断源b的中断。

中断服务程序执行：

CPU执行中断源b的中断服务程序。

在中断服务程序中，b设置新的屏蔽字，并保存现场。

如果系统支持多重中断，b的中断服务程序会开启中断。

多重中断处理（如果系统支持）：

在b的中断服务程序执行期间，CPU检测到中断源c的中断请求有效（因为c的处理优先级高于b，且此时未被屏蔽）。

CPU响应并处理中断源c的中断。

执行c的中断服务程序。

恢复与返回：

c的中断服务程序执行完毕后，返回到b的中断服务程序继续执行。

b的中断服务程序执行完毕后，最终返回到原来的中断源a的中断服务程序或主程序。

完成顺序：

响应顺序：在执行a的过程中，先响应b，后响应c（由中断响应优先级决定）。

完成顺序：先完成c，再完成b，最后完成a（由中断处理优先级和多重中断处理机制决定）。

中断驱动I/O方式

中断过程
- 中断响应(硬件实现)
- 中断处理(软件实现)
中断响应
中断响应是指主机发现外部中断请求，中止现行程序的执行，到调出中断服务程序这一过程。
(1)中断响应的条件
- CPU处于开中断状态
- 在一条指令执行完
- 至少要有一个未被屏蔽的中断请求

问题：中断响应的时间点和异常处理的时间点是否相同，为什么？

中断一定是在一条指令执行结束后开始宣询有无中断请求，有的话立即响应，所以一定是在指令执行完时响应中断，而"异常"发生在指令执行过程中，所以不能等到指令执行完才进行异常处理，（缺页异常、非法操作码）

中断响应过程：

当CPU决定响应中断时，会执行一系列操作，包括关中断（以防止新的中断干扰当前中断处理）、保存断点（即保存下一条将要执行的指令的地址）和程序状态（如寄存器内容），然后识别中断源并跳转到相应的中断服务程序。

典型的中断处理(三阶段)：

先行段(准备阶段)
- 保护现场及旧屏蔽字（通用寄存器当中的内容，中断返回需要恢复旧的屏蔽字）
- 查明原因（软件识别中断时）
- 设置新屏蔽字
- 开中断（多重中断需要）
本体段（具体的中断处理程序）
结束段(恢复阶段)
- 关中断
- 恢复现场及旧屏蔽字
- 清"中断请求"
- 开中断
- 中断返回

异常处理过程：

不同的中断源会调用不同的中断服务程序进行处理。

不同的异常类型也会触发不同的异常处理程序进行响应。

多重本断和中断处理优先权的动态分配

多重中断的概念
在一个中断处理(即执行中断服务程序)过程中，若又有新的中断请求发生，而新中断优先级高于正在执行的中断，则应立即中止正在执行的中断服务程序，转取处理新的中断。这种情况为多重中断，也称中断嵌套。

中断优先级的概念:
中断响应优先级 ----由查询程序或硬联排队线路决定的优先权，反映多个中断同时请求时选择哪个响应。
中断处理优先级----由各自的中断屏蔽字来动态设定，反映本中断与其它中断间的关系。

当我们正在执行用户程序时，假设中断源2和4同时发出中断请求。由于此时系统没有执行其他中断服务程序，因此这两个中断源都没有被屏蔽，它们会同时被送往硬件排队器进行排队。

在决定先响应哪个中断请求时，我们需要依据中断响应优先级。由于中断源2的优先级高于中断源4，因此CPU会首先响应中断源2的中断请求。在执行中断源2的中断服务程序过程中，我们需要先保存现场、旧的屏蔽字，并设置新的屏蔽字。

在具体的中断处理前，我们需要先开启中断。但需要注意的是，一旦开启中断，CPU会立即检测到当前系统中的其他中断请求，即中断源4的请求。由于中断源4的优先级仍然高于当前正在处理的中断源2（但低于已经决定先响应的2，这里指的是在开启中断后的即时检测），且此时没有其他更高优先级的中断请求，因此CPU会立即转到中断源4的中断服务程序去执行。等待中断源4执行完毕后，CPU会返回到中断源2的中断服务程序环境中，继续执行其剩余部分。

接下来，当中断源2的执行过程中，中断源1、3和5同时发出中断请求。根据中断处理优先级（1>5>2>3），中断源2能够屏蔽掉中断源3的请求，但无法屏蔽中断源1和5的请求。因此，这两个请求会被送往硬件排队器进行排队。

由中断响应优先级决定，CPU会先执行中断源1的中断服务程序。由于中断源1的优先级最高，因此它不会被中断源5打断。等待中断源1执行完毕后，CPU会返回到中断源2的中断服务程序环境中。一旦返回到此环境，由于中断源5的优先级高于中断源2（但此时是在中断源2恢复执行后的检测），CPU会立即响应中断源5的中断请求，并执行其中断服务程序。

等待中断源5执行完毕后，CPU再次返回到中断源2的中断服务程序环境中。此时，所有中断源1、4、5的中断服务程序都已执行完毕。系统中只剩下中断源3发出的中断请求。**由于中断源2的优先级高于中断源3，因此中断源3的请求被中断源2屏蔽。**等待中断源2执行完毕后，CPU会先返回到用户程序环境中。

在用户程序环境下，CPU才能够检测到中断源3发出的中断请求，并立即响应它，执行中断源3的中断服务程序。等待中断源3执行完毕后，CPU最终返回到用户程序继续执行。

在开启中断后，CPU会立即检测到当前系统中的其他中断请求。
中断屏蔽是指CPU在处理某个中断时，能够屏蔽掉其他低优先级的中断请求。
在处理完所有中断请求后，CPU需要返回到用户程序继续执行。需要理解这一步骤的必要性和作用。

printf------从系统调用到I/O控制方式的具体实现1

printf("Hello World");

用户层I/O软件

库函数
系统调用命令
假脱机（Spooling）系统

第一阶段的工作：由库函数完成

// printf在函数库中展开后的代码
char buf[20]; //申请一个字符数组

将字符串"Hello World"填入buf中;
write(1，buf，8);//实际的系统调用命令

执行系统调用的操作：

传递系统调用参数
执行陷入指令
执行相应的服务程序
返回用户态

中断隐指令完成：保存断点和程序状态字、将CPU模式改为内核态

操作系统完成：保存通用寄存器的内容和执行系统调用服务例程

字符串输出最终是由内核中的sys_write系统调用例程实现

sys_write可用三种I/O方式实现:程序查询、中断和DMA

轮询方式下输出一个字符串(程序查询)

I/O设备(包括设备控制器)将自己的状态放到状态寄存器中
- 显示器忙、未就绪等都是状态
OS阶段性地查询状态寄存器中的特定状态，以决定下一步动作
- 如:未"就绪"时，则一直"等待"
例如:sys write进行字符串打印的程序段大致过程如下
copy_string_to kernel(strbuf,kernelbuf,n);/ 将字符串复制到内核缓冲区，系统调用write位于内核态，需要把用户缓冲区的内容复制到内核空间。
内存共享

cpp 复制代码

for (i=0; i < n; i++){ // 对于每个打印字符循环执行
while ( printer status != READY);//等待直到显示器状态为"就绪"

*printer_data port=kernelbuf[i];//向数据端口输出一个字符
*printer_control_port=START;// 发送"启动输出"命令
return_to_user();//返回用户态

如何判断就绪?如何"等待"?

读取状态寄存器，判断特定位（1-就绪;0-未就绪)是否为1

等待:读状态、判断是否为1？不是，则继续读状态、判断......

I/O接口（I/O控制器）的结构

通过I/O控制寄存器发送命令字来向设备发送命令

通过从状态寄存器读取状态字来获取外设或I/O控制器的状态信息

通过I/O控制器发送或读取数据来和外设进行数据交换

将I/O控制器中CPU能够访问的各类寄存器称为I/O端口

对外设的访问通过向I/O端口发命令、读状态、读/写数据来进行。

就绪的含义：

显示器控制器的数据缓冲中内容已经被取走，现为"空"，可接受新的打印字符。由显示器控制器自动设置。

特点:

简单易控制、外围接口控制逻辑少
CPU与外设串行工作，效率低、速度慢，适合于慢速设备.
查询开销极大(CPU完全在等待"外设完成")
工作方式:完全串行或部分串行，CPU用100%的时间为I/O服务!

中断驱动方式下输出一个字符串

绿色部分是CPU和外设并行工作的时间

程序切换，响应中断是由硬件完成的，

就是执行中断隐指令。执行中断隐指令的时间又是绿色部分的这段时间。就是CPU和外设。程序切换，响应中断是由硬件完成的，

就是执行中断隐指令。

Q1:以上过程中，设备驱动程序在哪些过程中体现的?是以单独的进程的形式存在的吗?

Q2:以上过程中，设备驱动程序和中断处理程序全部在同一个进程中运行吗 ?

设备驱动程序一定有一部分是在发起系统调用的进程A当中执行的。而中断处理程序则不一定是在进程A中执行，取决于CPU响应中断时正在执行哪个进程。

Q3:以上过程中，如果不采用内核缓冲区，直接使用用户缓冲区会发生什么问题?

系统调用write位于内核态，需要把用户缓冲区中的内容复制到内核空间。

中断服务程序在运行的时候，是在进程B的资源平台上，进程B的页表与进程A的页表是不同的，而用户缓冲区buf进程A中的地址，它不能用进程B的页表来进行地址映射。而内核缓冲区中的数据，无论是进程A还是进程B，它们的内核地址空间中的内容都是相同的，因此能顺利的访问。

为什么有开中断?是在哪里进行关中断的?

在系统调用入内核态的时候，进行了关中断，所以此时有对应的关中断。

此程序段和轮巡方式下的sys write程序段最本质的区别在哪里

中断方式下，仅仅是把第一个字符放数据寄存器中然后就不管了，至于这个字符何时打印出来，以及剩余的字符如何打印出来就不是系统调用函数的任务了。
剩余的那些字符在哪里处理呢?

当然是在中断服务程序当中
什么时候调出中断服务程序呢?

当第一个字符输出完成之后，然后外设会向CPU发出一个中断请求，然后调出相应的中断服务程序。当显示器完成了第一个字符的输出之后，这个时候调出中断服务程序。

中断服务程序

sys_write 是如何调出来的?

系统调用
中断服务程序是如何调出来的?

外设完成任务!然后向CPU发出中断请求

总结：完成字符串输出需要两个函数：

system_write
中断服务程序

过程：

用户进程A执行write，触发系统调用，进入内核态
把第一个字符"H"送到显示器的设备控制器。控制器命令显示器输出这个字符，与此同时，进程A被阻塞，调度另一个进程B执行
当"H"输出之后，控制器发出一个中断给CPU，并跳转到相应的中断处理程序，在中断处理程序中，进行后续的字符输出。

当"H"输出之后，控制器发出一个中断给CPU，并跳转到相应的中断处理程序，在中断处理程序进行后续的字符输出。

注意此时并没有发生进程的切换，仍然是进程B在运行，但执行的指令(中断服务程序)实际上是在做进程A的工作，是在帮助进程A完成此次I/O!

中断服务程序与设备驱动程序之间的关系

如果题目当中同时出现了中断服务程序和设备驱动程序，那么这里的中断服务程序垂解为中断总控程序!

如果题目当中只有中断服务程序，那么一般情况下，此时中断服务程序应该理解1，2，3，4，5，6整个过程。

数据传输过程：

计组里面强调是中断处理程序

而在操作系统里面，它强调的是设备驱动程序

DMA方式下输出一个字符串

DMA优先权高：

dma控制器当中的数据，如果不被及时的取出，那么就容易被后续的数据给它冲刷掉，但是CPU里面的数据，因为它是有通用寄存器的数据可以暂存在CPU里面的通用寄存器。

DMA控制器接受到"启动"命令后，控制总线进行DMA传送。通常用周期挪用法":设备每准备好一个数据，挪用一次"存储周期"，使用一次总线事务进行数据传送，计数器减1。计数器为0时，发送DMA结束中断请求。

驱动程序：

scanf------中断方式下输入要给字符串的具体过程

中断驱动方式下输入一个字符串

基本思想:

首先是用户进程A执行，它执行了scanf函数，然后进入系统调用，然后到标准接口read函数，然后再到驱动程序foo read函数，这些都是普通的函数调用，都是在进程A的资源平台上运行的。接下来，在foo read函数中，在使用outb指令启动了这次I/O操作后，进程A就会被阻塞起来。然后进行进程切换，调度另一个进程B去运行。当B在运行时，如果I/O操作完成，就会发生一次中断，把进程B打断并跳转到中断处理程序foo interruptible去执行，然后在这里再去唤醒进程A。

通过sys_read字符输入核心程序段和中断处理程序foo_interruptible执行