磁盘IO操作如何通常在内核级程序集中查找？

Question

在用户空间中，执行磁盘IO与链接C库一样容易，或者如果您喜欢冒险，可以直接执行系统调用。我想知道内核本身如何执行IO。

换句话说，假设我假设在特权模式下运行裸机上的应用程序。我如何访问通过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IO请求。

警告：以下是我自己写的，没有真正知道真实的细节。

基本上，你需要使用PCI API交谈的磁盘设备设置直接内存访问，因为你不想在每次读取磁盘块（或以太网帧）一个字节。所以你告诉硬件一些内存区（从地址X开始，长度为N字节）是DMA区。您还可以设置内存缓存，以便知道该区域内的数据可以在没有CPU写入的情况下进行更改，因此即使您是单处理器也是易变的。

假设硬件一次只支持一个DMA事务。然后，你发送的命令，如“读取512字节扇区数X（即字节×< < 9通过（（X + 1）< < 9）在盘的-1），放入DMA区域。当你完成，发出中断“。磁盘控制器做它的事情（它有一个ARM CPU和所有东西），通过PCI跨接到北桥集线器，并通过它到RAM，绕过CPU。当写入完成（或错误输出）时，中断触发。发生这种情况时，您等待（当进程休眠时，内核运行其他进程）。数百万的CPU周期后（10毫秒是2Ghz芯片的永久性），中断触发。通知操作系统读取已完成。操作系统可以在RAM中看到数据。然后它将其复制到用户进程内存中，或者它位于共享页面中，并且用户进程可以从那里读取它。用户进程被恢复（当然，放在准备运行的队列中，并最终在调度器感觉到时运行）。

通过将数据复制到DMA空间和传输命令“完成后从DMA区域中的数据写入扇区号X磁盘和火灾中断”写入工作。然后，磁盘可能会在完成写入操作或从RAM读取数据后立即触发中断，在这种情况下，fsync不会真正起作用，并且数据库和文件系统会因电源故障而损坏。

OS块缓存适用于整个4KB RAM的页面，所以每次读取8个扇区，但这个想法是一样的。新磁盘有一个本地API，与4KB sectors一起使用，但这个想法是一样的。 USB与PCI不同，但这个想法是相同的。各种高性能硬件都具有巧妙的API，可以加快这些速度，同时有多个事务处理以及对它们的排序进行各种控制。

卸载TCP/IP的网络接口可能有围绕数据包的API而不是以太网帧，因为NIC理解TCP/IP标头。

确实是网络设备的块设备隐藏翻译的某处（硬件部分，固件部分，软件部分）。

在Linux中，我的硬件，我觉得是这样的：

当模块sata_piix is loaded，它告诉设备的PCI设备ID支持和callsbacks操作系统应该使用的操作系统，在所有described结构。通用OS PCI拓扑代码发现ID为8086：27c0，ICH7的设备，并在driver's table中找到它，因此操作系统认为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在稍后将此设备视为an ICH6 SATA device。由于驱动程序声称它支持该设备，因此该驱动程序的设备为OS registers。

从那里分配设备的控制区域和prepared。 DMA is set up。 （这允许控制器自己启动PCI数据传输到RAM（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。

的代码是通用的，并支持硬件的许多代，按时间顺序排列：

1. PIO
2. Single/Multi-word DMA
3. UDMA
4. SATA
5. AHCI

所以很难阅读。跟踪会使它更容易。

Answer 2

这取决于很多东西。我对ARM的了解不多，但我会想象有一些outportb指令可以让你通过总线发送数据。与I/O设备通信是供应商特定的，但通常内核可能会对设备的寄存器进行映射（在GPU帧缓冲区的情况下），或者只是通过I/O设备可以识别的总线发送请求（通常是设备特定的） 。并且请求通常只是包含起始扇区，长度和告诉总线I/O转移到的地址的序列化结构信息。

如果你想在内核（Linux的例子）已经有创建的I/O结构，并提交到特定的设备，所以你不需要做自己的功能做这种事情。如果你正在编写你自己的操作系统，我会建议看一看Linux源代码，其中有许多体系结构的汇编级别的例子。