本文将介绍操作系统对持久性的支持。

一、I/O 设备

1. 系统架构

典型系统的架构如图：

• CPU 通过某种内存总线或互联电缆连接到系统内存
• 显卡或者其它高性能 I/O 设备通过常规的 I/O 总线连接到系统
• SCSI、SATA、USB 接口的设备通过外围 I/O 总线连接到系统

之所以这么做的原因是：考虑物理布局及造价成本。

首先，越快的总线越短，高性能的内存总线没有足够的空间连接太多设备；其次，高性能总线的造假非常贵。

因此，系统的设计采用分层架构，让要求高性能的设备离 CPU 更近，让要求较低的设备离 CPU 更远。

2. 标准设备及其接口

一个标准设备可以拆分如下：

• 硬件接口

  • 状态寄存器：用于读取并查看设备的当前状态
  • 命令寄存器：用于通知设备执行某个具体任务
  • 数据寄存器：用于将数据传给设备或从设备读取数据

  同软件一样，硬件也需要一些接口，让系统软件可以对它进行控制

• 内部接口

3. 交互 - 轮询

操作系统通知设备进行某项工作，并通过轮询的方式查询设备的处理状态，交互流程如下：

• 操作系统反复读取状态寄存器，直到设备处于可以接受命令的就绪状态
• 操作系统发送数据至数据寄存器
• 操作系统将命令写入命令寄存器
• 操作系统再次反复读取状态寄存器，直到设备执行完成命令

4. 交互 - 中断

通过中断这一机制，操作系统与设备交互时不再需要轮询，交互流程如下：

• 操作系统通知设备进行某项工作
• 操作系统让对应进程睡眠，切换进程进行其它任务
• 当设备完成工作后，会抛出一个硬件中断，硬件中断将引发 CPU 跳转执行操作系统预先定义好的中断处理程序，该程序将唤醒处于睡眠状态的进程

5. 中断和轮询的优劣

中断并非总是比轮询好。

如果设备的速度较快，使用轮询，通常几次轮询就可以返回结果；使用中断，线程切换、中断处理都需要消耗不少的代价。

如果设备的速度较慢，此时使用中断更好。

由于无法预知设备的速度，可以考虑使用混合策略，先尝试轮询一小段时间，若未完成再使用中断。

二、简单文件系统

1. 文件系统的组成

简单文件系统由两部分组成：

• 数据结构
• 访问方法

2. 数据结构

简单文件系统的数据结构主要包含以下几个部分：

• S：superblock；超级块，包含某些特定信息，例如文件系统类型、inode 表起始位置等
• i、d：inode 位图、数据位图；用于指示 inode、数据块是否空闲
• inodes：inode 表；用于存放每个文件的信息，包括文件放置于哪些数据块、文件大小、所有者、访问权限、修改时间等
• 数据区域：用于存放用户数据的区域

3. 访问方法

(1) 读取文件

• 打开文件：

  • 接收 open 指令

  • 查找文件的 inode，将其读入内存

    由于文件、文件夹的数据结构是树形的，因此查找是逐层查找

  • 在 inode 中读取文件的基本信息（权限信息、文件大小、数据块等）

  • 文件状态标为已打开

• 读取文件：

  • 接收 read 指令
  • 从文件中读取

(2) 写入文件

• 打开文件：

  同上

• 写入文件：

  • 读取数据位图，获取未被使用的数据块
  • 将数据块的新使用情况写入数据位图
  • 将数据块的新信息写入 inode
  • 将数据写入数据块

参考

• 操作系统导论