assembly - 磁盘 IO 操作在内核级程序集中通常如何看待？

Question

在用户态中，执行磁盘 IO 就像链接 C 库一样简单，或者，如果您喜欢冒险，可以直接执行系统调用。我想知道内核本身是如何执行 IO 的。

换句话说，假设我在裸机上以特权模式运行应用程序。我将如何访问通过 SATA 连接连接的磁盘硬件？我是否从预先确定的地址执行加载？是否有某种与 io 相关的指令？

Answer 1

Linux 有一个函数调用跟踪器。我建议你跟踪一个 IO 请求。

警告:以下内容是我在不了解真实细节的情况下编写的。

基本上，您需要使用 PCI API 与磁盘设备对话以设置直接内存访问，因为您不想一次读取一个字节的磁盘 block (或以太网帧)。所以你告诉硬件某个内存区域(从地址 X 开始，长度为 N 字节)是 DMA 区域。您还设置了内存缓存，以知道该 RAM 区域中的数据可以在没有 CPU 写入的情况下更改，因此即使您是单处理器，它也是 volatile 的。

假设硬件一次只支持一个 DMA 事务。然后，您发送诸如“读取 512 字节扇区号 X(即磁盘的字节 X<<9 到 ((X+1)<<9)-1)之类的命令并将其放入 DMA 区域。当您完成，触发中断”。磁盘 Controller 做它的事情(它有一个 ARM CPU 和一切)，通过 PCI 与北桥集线器进行通信，并通过它到 RAM，绕过 CPU。当写入完成(或出错)时，将触发中断。当这种情况发生时，您等待(好吧，内核在您的进程休眠时运行其他进程)。数百万个 CPU 周期后(10 毫秒对于 2Ghz 芯片来说是永恒的)，中断触发。通知操作系统读取已完成。操作系统可以看到 RAM 中的数据。然后它要么将其复制到用户进程内存中，要么在共享页面中，用户进程可以从那里读取它。用户进程被恢复(好吧，放入准备运行队列并最终在调度程序感觉需要时运行)。

通过将数据复制到 DMA 空间并发送“将数据从 DMA 区域写入磁盘上的扇区号 X 并在完成时触发中断”命令来写入工作。然后，磁盘可能会在完成写入或从 RAM 读取数据后立即触发中断，在这种情况下 fsync 不会真正工作，并且您的数据库和文件系统会因电源故障而损坏。

操作系统 block 缓存在整个 4KB 内存页面上工作，因此它一次读取 8 个扇区，但想法是一样的。新磁盘具有适用于 4KB sectors 的 native API ，但想法是一样的。 USB 与 PCI 不同，但思路是一样的。各种高性能硬件都有聪明的 API 来加速这一切，同时有多个事务在进行中，并对它们的排序进行各种控制。

卸载 TCP/IP 的网络接口(interface)可能有一个围绕数据包而不是以太网帧的 API，因为 NIC 理解 TCP/IP header 。

真正是网络设备的 block 设备将转换隐藏在某处(部分在硬件中，部分在固件中，部分在软件中)。

在 Linux 中，对于我的硬件，我认为它是这样的:

当模块 sata_piix is loaded ，它告诉操作系统它支持的设备的 PCI 设备 ID，并回调操作系统应该使用的所有 described在一个结构中。通用 OS PCI 拓扑代码发现 ID 为 8086:27c0 的设备，ICH7并在 driver's table 中找到它所以操作系统决定这是该硬件的正确驱动程序。在该表中，驱动程序会发现它应该将此设备视为 an ICH6 SATA device ， 之后。由于驱动程序说它支持该设备，操作系统 registers带有驱动程序的设备。

从那里分配设备的控制区域和prepared . DMA is set up . PCI Bus Mastering is enabled (这允许 Controller 自行启动到 RAM 的 PCI 数据传输(当它有数据准备好时)，而不是等待 CPU 启动传输)。中断处理程序 are set up .

该代码是通用的，并按时间顺序支持多代硬件:

PIO

Single/Multi-word DMA

UDMA

SATA

AHCI

所以很难阅读。追踪会使事情变得容易得多。