Chap 6: Appendix: Storage, Networks and Other Peripherals⚓︎

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开怀一笑

"The difficulties in assessing and designing I/O systems have often relegated I/O to second class status..courses in every aspect of computing, from programming to computer architecture often ignore I/O or give it scanty coverage...textbooks leave the subject to near the end, making it easier for students and instructors to skip it!"

~~纯粹在骂自己~~

Introduction to I/O Devices⚓︎

设计输入 / 输出设备(I/O devices) 需要考虑一下因素：

可扩展性(expandability)
恢复力(resilience)
性能(performance)
- I/O 设备的性能难以评估，在不同情况下需要用不同的方法测量
- 决定因素：设备与系统之间的连接、内存层级、操作系统等
- 衡量指标：
  - 吞吐量 (throughput)（即 I/O 的带宽 (bandwidth)）：两种衡量方式：
    - 特定时间内在系统内传输的数据
    - 单位时间内的 I/O 操作数
  - 响应时间

典型的 I/O 设备连接模型

I/O 设备的三大特性：

行为：输入（仅读一次）、输出（仅写一次，不可读）或存储（可重读或重写）
搭档：I/O 设备的另一端可以是机器，也可以是人类
数据（传输）速率 (data rate)：比如 I/O 设备与主存或处理器之间传输数据时的峰值速率

下表展示了不同 I/O 设备的三大特性的数据：

阿姆达尔定律

Disk Storage and Dependability⚓︎

见 Chap 5 最后的 Supplements。

Buses and Other Connections⚓︎

总览：

总线(bus)：共用的通信连接（包含一根或多条线路）

总线包含两类线路：
- 控制线路：信号的请求 (request) 和确认 (acknowledgement)，并表明数据线路上信息的类型
- 数据线路：在源和目的之间传递信息（数据、地址、复杂命令等）
总线事务 (transaction)：发送地址，以及接收或发送数据
- 输出操作
- 输入操作
总线类型：
- 处理器 - 内存：较高的速度，个性化设计
- 底板 (backplane)：高速，标准化设计
- I/O：低速，不同设备，标准化
同步 (synchronous) 和异步 (asynchronous)
- 同步总线：使用时钟和固定的协议，快而小，但是所有设备需要保持相同的运作速率，且为避免时钟偏斜 (clock skew) 问题，总线需要短一些
- 异步总线：不用时钟，而采用握手协议 (handshaking protocol)——一种用于协调异步总线传输的串行步骤，下面介绍具体过程：
  1. 当ReadReq处于高电平时，内存从数据总线中读取地址，执行读操作，然后抬高Ack的电平，告诉设备它看到了ReadReq信号
  2. I/O 设备看到Ack处于高电平后，将ReadReq置于低电平状态
  3. 内存看到ReadReq处于低电平后，将Ack置于低电平状态
  4. 当内存完成数据读取后，它将数据放在数据线路上，并抬高DataRdy的电平
  5. I/O 设备看到DataRdy处于高电平后，将从总线中读取数据，然后抬高Ack电平来表明 I/O 设备完成对数据的读取
  6. 内存看到Ack处于高电平后，将DataRdy置于低电平状态
  7. I/O 设备看到DataRdy处于低电平后，将Ack置于低电平状态，表明完成了整个传输过程
- 两者的性能比较：
例子

问题分析

同步异步
总线仲裁(bus arbitration)
- 如果不加任何控制，许多设备都期望获得对控制 / 数据总线的控制权，以便实现自己这部分的数据传递，这样显然会出乱子
- 因此需要用一个总线控制器(bus master) 来发起和控制所有的总线请求
例子

单个控制器在总线事务中的初始化
- 方案：
  - 菊式链 (daisy chain) 仲裁
  - 集中 (centralized) 并行仲裁
  - 自选 (self selection)
  - 冲突检测 (collision detection)
- 为设备分配总线需要考虑的因素：总线优先级、公平性 (fairness)
增加带宽 (bandwidth)

例子

题目分析

4 字大小的块 16 字大小的块

Interface⚓︎

I/O 系统的三大特征：

多个程序共用 (share)I/O 系统
通常使用中断(interrupt) 来实现 I/O 操作的信息传递 (communicate)
- 必需的传递类型有：
  - OS 必须能够为 I/O 设备提供命令(commands)
    - 内存映射 I/O：部分的内存地址空间会被分配给 I/O 设备，且lw和sw指令能够访问 I/O 端口
    - 特殊 I/O 指令
      - 输入：in al, port
      - 输出：out port, al
    - 命令端口、数据端口
      - 状态寄存器（记录完成位 (done bit)、错误位 (error bit) 等）
      - 数据寄存器、命令寄存器
  - 当 I/O 设备完成操作或遇到错误时，必须通知(notify)OS
  - 数据必须在内存和 I/O 设备之间传输
对 I/O 设备的底层控制较为复杂

处理器与 I/O 设备之间的通信：

轮询(polling)：处理器周期性地检查状态位，观察当前是否需要进行下一步 I/O 操作
- 缺点：浪费大量的处理器时间
中断(interrupt)
- 中断驱动的 I/O 模式：它的优点是并发操作 (concurrent operation)
直接内存访问(direct memory access, DMA)：设备控制器直接向 / 从内存传输数据，不需要处理器的介入
- DMA 传输模式
  1. 首先处理器通过提供一些信息来设置 DMA 模式，具体包括：设备 ID、操作、待传输数据的内存源地址和目标地址、需要传输的字节数等
  2. DMA 开始执行操作，并对总线进行仲裁。若某个请求需要在总线上多次传输数据，那么 DMA 单元生成下一个内存的地址，并发起下一次传输
  3. 一旦 DMA 传输完成，控制器向处理器发起中断，随后检查是否发生错误
- 这种方式可以使 CPU 和 I/O并行工作，互不干扰