第三part持久化，开始讲设备I/O了。

体系结构

整个I/O的体系结构基本如图。

• CPU通过一些专门的高速线路，直接连接显卡和内存
• 再通过DMI（Direct Media Interface），与专门的IO芯片相连
• 其他设备通过与IO芯片相连，以此连接到CPU（如网络的PCIE，USB的键鼠，eSATA硬盘）

硬件连接相关

硬件如何和OS交互？

硬件设备通过遵守某种规范的协议与OS进行交互，硬件本身会有一些寄存器位或者自己的芯片，通过寄存器位的数据进行出入参以及指令的控制，并由硬件的芯片去执行具体的操作。

除了通过寄存器交互外，还有一种交互方式，即内存映射，在内存中直接映射一块内存区域，这块内存区域对应了这个设备的内存，OS和设备通过这部分内存，来完成通信以及交互。

硬件和OS交互的性能

硬件和OS交互的话，最基本的话就是通过上图的那个方式，通过轮询status获取硬件设备的可读可写状态，然后从Data写入参数或者读取返回，通过Command写入需要硬件去执行的指令。

优化：

OS如何通过Status来感知设备状态？朴素的方式就是轮询，但是轮询会带来大量的CPU空转，所以解决方案就是：使用中断。

操作系统可以在发起IO后直接继续CPU操作，等待设备发起中断，以此来再去进行后续操作（而不是轮询等待IO完成），这样CPU计算和IO就可以并行执行了。

再次优化：

在IO比较快的情况下，频繁的中断又会有大量的上下文切换开销，所有我们又可以使用老思路来优化：两阶段，我们先进行一定次数的轮询，然后再进入等待中断。

再次优化-DMA：

更进一步，在最普遍的场景下（即内存落盘），是需要CPU持续从内存中搬运数据并写到磁盘中的，面对这种情况，工程师们设计了一个专门用于搬运的硬件-DMA（Direct Memory Access直接内存访问）。DMA是一种特殊的设备，专门用于将内存中指定位置的内存，写入到硬盘的指定位置中去，借住DMA设备，CPU在需要进行类似大量落盘的操作时，可以丢给DMA一个指令，自己继续去进行计算工作了。

驱动

连接OS和硬件设备之间的程序，我们称之为驱动这个概念应该基本都有认识，下到键盘鼠标耳机，上到网卡显卡声卡，操作系统装完机的第一件事基本都是先装驱动。

驱动的体系结构

驱动的规范也分几层

• 应用和操作系统之间，即API到Generic Block Interface，这层是用户api到操作系统之间的规范定义，由操作系统提供了标准的接口，然后再包装成一些易用的API给用户程序去使用
• 操作系统与实际驱动程序之间，这一层是操作系统将一些实际驱动程序提供的能力，封装成操作系统通用的接口

为什么这么设计？我们可以举个例子：

• 文件系统对通用规范发起操作，不需要知道实际读写的是什么设备
• 各种磁盘设备（比如HDD和SDD），他们实现各自驱动以满足操作系统的通用规范，以此来使得文件系统可以使用通用规范对他们进行读写
• 同时，通用规范可以通过接口的定义控制，来使得一些程序可以访问更加特殊的功能，例如一些程序需要进行磁盘碎片整理，或者获取某些设备的一些参数。

驱动的实现的例子

这里直接贴设计和代码，挺好理解的，就是针对设备的寄存器以及指令，实现操作系统的接口

设备的定义

上面是设备的定义，可以看到几个寄存器，其中有表示状态的，有表示错误的，有表示指令的

根据定义去实现接口

上图是部分简单的实现，一般来说一个驱动需要实现以下功能：

• Wait for drive to be ready. 等待设备就续
• Write parameters to command registers 将参数（入参，比如需要访问的扇区、块、访问的大小）写到寄存器
• Start the I/O. 通过指令寄存器，发起io申请
• Data transfer (for writes): 等待设备读写完成
• Handle interrupts. 处理中断
• Error handling. 处理异常