OS08 I/O与磁盘

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I/O、磁盘与固态硬盘

I/O设备的特征

I/O设备表现出显著的异构性，各种设备在速度、数据粒度、访问模式等方面存在巨大差异。操作系统需要提供标准化的接口来屏蔽这些硬件差异，为应用程序提供一致的访问方式。

设备可靠性是另一个重要考量因素。存储媒介和传输通道可能发生错误，因此需要在软件层面增强I/O操作的可靠性，通过错误检测和纠正机制来保证数据完整性。

设备行为具有不可预知性，且速度差异极大。从高速的系统总线、PCIe接口，到中速的SATA、以太网，再到慢速的硬盘、调制解调器，最后到极慢的鼠标和键盘，不同设备的性能特征需要不同的处理策略。

现代I/O系统架构

现代计算机系统通过总线层次结构连接各种I/O设备。典型的架构包括：

图像控制器连接显示器

IDE磁盘控制器管理磁盘设备

内存控制器负责cache和主内存的协调

SCSI控制器通过SCSI总线连接磁盘阵列

扩展总线接口连接键盘、拓展坞和USB设备等外围设备

总线本质上是一组线缆，为多个硬件设备之间的通信提供物理通道和数据传输协议。总线通常包含控制线、地址线和数据线，通过特定的握手协议来协调设备间的数据传输。一般来说，越靠近处理器的总线具有越高的带宽。

使用总线架构的主要优势在于可以用O(n)的连接复杂度替代设备间两两相连所需的O(n²)复杂度。然而，传统总线的一个主要限制是同一时刻只能处理一项事务，其他设备必须等待当前事务完成。

PCI总线演进

PCI（外围组件互连）是一种支持并行传输的总线标准。但并行总线存在信号同步、时钟偏移等问题，需要复杂的地址/数据复用机制。

PCIe（快速PCI）总线采用了根本性的变革，从并行总线转变为串行点对点连接。PCIe使用一簇高速串行线路，设备可以根据需要动态分配线路资源，实现了从时分复用到空分复用的转变。这种架构允许不同速度的设备独立运行，不再需要共享带宽。

典型的PCI架构层次：

通过Host Bridge将PCI0总线与CPU相连

PCI1总线通过PCI Bridge与PCI0相连

PCI1连接各种PCI扩展槽、USB控制器和SATA控制器

处理器与设备的通信机制

CPU通过总线与设备控制器进行通信。控制器提供一组寄存器供CPU读写，有些控制器还包含内存用于缓冲请求。

处理器访问设备寄存器有两种主要方式：

端口映射I/O：使用专用的in/out指令访问独立的I/O地址空间

内存映射I/O：将控制器的寄存器和内存映射到处理器的物理地址空间中，使用普通的load/store指令访问

以内存映射的显示控制器为例：

硬件在系统启动时将控制寄存器和显示内存（帧缓冲区）映射到物理地址空间

处理器通过直接写入帧缓冲区来更新显示内容

通过写入图形命令队列来发起复杂的图形操作

通过写入控制寄存器来触发特定的硬件功能

Intel I/O架构

现代Intel平台采用分层I/O架构：

IMC：集成内存控制器，直接连接处理器和内存

DMI：直接媒体接口，连接处理器和PCH

PCH：平台控制中枢，通过DMI与处理器通信，集中管理各种I/O设备

I/O设备的分类特征

数据粒度

字节设备：一次传输单个字节（如键盘）

块设备：一次传输整个数据块（如磁盘、网卡）

访问特征

顺序访问设备：必须按顺序访问（如磁带）

随机访问设备：支持任意位置访问，启动传输的开销固定（如磁盘、CD）

事件通知机制

设备完成操作或发生错误时需要通知操作系统，主要有两种机制：

中断驱动I/O：设备在需要时触发中断，CPU陷入内核处理

优点：能及时响应不可预测的事件

缺点：频繁的中断处理开销较大

轮询I/O：操作系统周期性地检查设备状态寄存器

优点：处理开销低

缺点：对于不常使用的设备会造成CPU周期浪费

实际系统中通常结合使用这两种机制，根据设备特性进行优化。

数据传输机制

程序控制I/O：所有数据都通过处理器的in/out/load/store指令传输

优点：硬件简单，编程直观

缺点：大量数据传输时会占用大量处理器周期

直接内存访问：DMA控制器可以直接访问内存总线，无需处理器介入

优点：解放处理器，提高系统整体性能

缺点：需要额外的DMA控制器硬件

设备驱动程序

设备驱动是内核中与特定设备交互的代码模块，主要职责包括：

实现标准设备接口

为操作系统I/O子系统提供统一的访问方式

通过ioctl系统调用支持设备特定配置

设备驱动通常分为两部分：

上半部分：在系统调用路径中执行，实现标准的设备无关操作（如open、close、read、write），可能挂起调用线程

下半部分：作为中断处理程序运行，响应设备中断，处理输入数据或准备下一个输出块，可能在I/O完成时唤醒等待的线程

I/O请求的生命周期

用户程序发起I/O请求

陷入内核I/O子系统，向设备驱动发送请求，可能阻塞进程

驱动上半部分处理请求，向控制器发送指令

控制器执行硬件I/O操作，完成后触发中断

驱动下半部分处理中断，存储输入数据或更新状态

驱动上半部分确认I/O完成，向I/O子系统报告状态变化

I/O子系统向用户进程返回数据或错误信息

I/O子系统设计目标

I/O子系统的核心目标是提供通用接口，屏蔽各种设备的巨大差异。这些接口由具体的设备驱动实现：

块设备接口（磁盘、磁带、DVD）

支持数据块级别的访问

提供open/read/write/seek等标准操作

支持原始I/O或文件系统访问

支持内存映射文件访问

字符设备接口（键盘、鼠标、串口）

支持单字符级别的访问

提供get/put基本操作

支持行编辑等高级功能

网络设备接口（以太网、无线网、蓝牙）

提供socket接口

支持管道、FIFO、流等通信抽象

用户层I/O时序处理

应用程序处理I/O请求时序有三种主要模式：

阻塞式接口：发起I/O请求时使进程休眠，直到操作完成

非阻塞式接口：立即返回，指示已传输的字节数，可能返回"暂无数据"

异步式接口：传入用户缓冲区指针，内核在后台完成操作后通知用户

存储设备概述

现代计算机系统主要使用两种类型的存储设备：传统的机械硬盘和新兴的固态硬盘。

机械硬盘

机械硬盘以其大容量和低成本优势，仍然是大量数据存储的主要选择。它支持块级别的随机访问，但在顺序访问时性能表现更佳。

硬盘物理结构

硬盘的基本传输单位是扇区。多个扇区组成磁道，相同半径的磁道堆叠形成柱面。磁道宽度约1微米，磁道间有保护区域防止错位读写。

由于外圈磁道更长，现代硬盘采用分区记录技术，将磁盘表面划分为多个区域，每个区域内磁道包含相同数量的扇区。

先进技术

SMR技术通过重叠磁道（类似瓦片排列）提高存储密度，但写入时需要先擦除相邻磁道，导致随机写入性能下降，适合冷数据存储。

柱面概念指读写头位置不变时，通过磁盘旋转可访问的所有磁道区域。

磁盘访问时序

磁盘访问时间由三部分组成：

寻道时间：移动读写头到目标磁道，通常4-6ms

旋转延迟：等待目标扇区旋转到读写头下，取决于磁盘转速（如3600/7200RPM）

传输时间：实际数据传输时间，通常50-250MBps

提高磁盘效率的关键在于最小化寻道和旋转时间，尽可能实现顺序访问。

磁盘可靠性技术

扇区纠错码：检测和纠正读取错误

扇区替换：用备用扇区永久替换损坏扇区

滑动替换：将后续扇区整体后移，保持连续性

磁道偏斜：偏移相邻磁道起始扇区，优化跨磁道连续访问

固态硬盘

固态硬盘在价格和性能之间提供了良好的平衡，支持块级随机访问，读性能优异但写性能相对较差。

发展历程

1995年：出现基于电池供电DRAM的早期SSD

2009年：广泛采用NAND闪存技术

现代SSD：数据组织为4KB的页，多个页（通常4-64个）组成块

性能特征

SSD读取性能：

SATA SSD：300-600MB/s

NVMe SSD：3500-7000MB/s（PCIe 4.0/5.0）

读取延迟：10-100μs，包括排队延迟、控制器处理时间和数据传输时间

SSD写入特性：

必须按块擦除后才能写入，无法直接覆盖单个页

擦除操作耗时0.2-1.7ms

控制器维护空闲块池优化写入性能

写入比读取慢约10倍，擦除比写入慢约10倍

寿命管理与优化技术

寿命限制：每个闪存块有有限的擦写周期（SLC：10万次，MLC：1万次，TLC：1-3千次，QLC更低）

关键优化技术：

闪存转换层：维护逻辑地址到物理地址的动态映射，实现磨损均衡

写时复制：新数据写入空闲页，更新映射表，标记旧页无效

垃圾回收：合并有效数据，回收无效页，整理存储空间

优缺点总结

优点：

低延迟、高吞吐量

无机械部件、轻量、静音

高数据密度

读取性能极佳

缺点：

价格相对较高

写入和擦除开销大

使用寿命有限

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