中断 | 固件 | I/O

我们就要结束本书通用 CS 的话题了。

这一章会把知识联系起来，看看整个计算机是如何作为一个系统来处理 I/O 和并发的。

总览

以下是从网卡读取数据的流程图：

![Simplified Overview](./images/AsyncBasicsSimplified.png)

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声明： 这原本是十分复杂的操作，但这里把事情简化了。我们跳过几步，将重点放在大多数人感兴趣的地方上。

1. 解读我们编写的代码

通过向 OS 发出一个系统调用来注册 (register) 一个 socket 。 在 macOS/Linux 上会得到 file descriptor ，而在 Windows 上得到 socket 。

然后是我们感兴趣的这个 socket 上的 read 事件。

2. 向操作系统注册事件

有三种不同的处理方式：

  1. 告诉 OS 我们对 Read 事件感兴趣，但我们希望等待线程的控制权让给 OS 来让 Read 事件发生。 然后 OS 通过存储寄存器状态挂起线程，再切换到其他线程。

    从我们的角度看，在有数据可读之前，这会阻塞线程。

  2. 告诉 OS 我们对 Read 事件感兴趣，但我们只希望获取任务的句柄，通过轮询 poll 来检查事件是否准备好。

    OS 不会挂起线程，所以这不会阻塞代码。

  3. 告诉 OS 我们可能对许多事件感兴趣，但我们希望订阅一个事件队列。 当轮询这个队列时，在一个或更多事件发生之前，会发生阻塞。

    当我们等待时间发生时，这会阻塞线程。

我的下一本书将是关于替代 C 的，因为它是一个非常有趣的处理 I/O 事件的模型， 这对于理解为什么 Rust 的并发抽象是这样建模的很重要。因此，这里不作详细介绍。

3. 网卡

我们会跳过一些对理解这个话题不太重要的步骤。

在网卡上有一个运行专用固件的微型控制器。我们可以想象这个微型控制器是在一个忙轮询检查是否有数据传入。

网卡处理其内部的确切方式很可能与此不同。 重点是，网卡上有一个非常简单但专门用于检查是否有传入事件的 CPU 。

一旦固件接收传入的数据，它就会发出硬件中断 (Hardware Interrupt) 。

4. 硬件中断

这是一个简化版的解释。如果你想深入了解，建议你阅读 Robert Mustacchi 的文章 Turtles on the wire: understanding how the OS uses the modern NIC 。

现代 CPU 有一组 Interrupt Request Lines （中断请求线） 来处理发生自外部设备的事件。 CPU 有一组固定的中断线。

硬件中断 (hardware interrupt) 是一种随时可以发生的电信号。 CPU 立刻中断其正常工作流程，通过存储其寄存器的状态并查找中断处理程序来处理中断。 中断处理程序 (interrupt handler) 在中断描述符表 (Interrupt Descriptor Table) 中定义。

5. 中断处理程序

中断描述符表 Interrupt Descriptor Table (IDT) 是 OS 或驱动程序为可能发生的中断而注册处理程序的表。 每个入口 (entry) 都指向一个特定中断的处理函数。网卡的处理函数通常由网卡的驱动程序 (driver) 注册和处理。

IDT 在图中看起来像存储在 CPU 上，而实际并不是。 IDT 位于主内存 (main memory) 的固定位置上。 CPU 只在它的某个寄存器上保存指向这个表的指针。

6. 写入数据

这一步很不一样，因为取决于 CPU 和网卡上的固件。 如果网卡和 CPU 支持直接内存访问（这在所有现代系统上应该都有）， 那么网卡会直接把数据写到一组 OS 已经在主内存设置的缓冲区。 在这样的系统上，网卡上的固件可能在数据写入内存时发出中断。 DMA 十分高效，因为在数据已经在内存时，才会通知 CPU 。 在旧系统上，CPU 需要投入资源来处理网卡的数据传输。

DMAC （Direct Memory Access Controller 直接存储器存取控制器） 会控制内存访问。 它不是 CPU 的一部分。我们已经够深入了，现在这些对我们来说不太重要，让我们继续往下。

7. 驱动程序

驱动程序 (driver) 通常处理 OS 与网卡之间的通信。 缓冲区已满时，网卡发出中断 (interrupt) 。然后 CPU 跳到中断的处理程序 (handler) 。 这种中断类型的中断处理程序是由驱动程序注册的，因此实际上是驱动程序处理这个事件， 然后通知内核数据已经准备好被读取。

8. 读取数据

根据我们是选择 A、B 还是 C 选项，OS 将：

  1. 唤起线程

  2. 在下一次轮询 poll 时返回 Ready

  3. 唤起线程，并返回一个 Read 事件给我们注册的处理程序

中断

有两种中断方式：

  1. 硬件中断 (Hardware Interrupts)
  2. 软件终端 (Software Interrupts)

它们具有不同的性质：

硬件中断

硬件中断由 IRQ (Interrupt Request Line) 发送电信号创建。这些硬件线路直接向CPU发送信号。

软件中断

从软件中断，而不是从硬件中断。 在硬件中断的情况下，CPU跳转到中断描述符表并运行指定中断的处理程序。

固件

固件 (firmware) 并没有得到我们大多数人的关注；然而，他们是我们所生活的世界的重要组成部分。 它们运行在各种各样的硬件上，并且有各种奇怪和奇特的方法使我们编写程序的计算机工作。

当我想到固件的时候，我会想到《星球大战》里的场景，他们走进酒吧，里面有各种奇怪而晦涩的生物。 我想象固件的世界是这样的，很少有人知道它们在一个特定的系统上做什么或者如何工作。

现在，固件需要微型控制器或类似的东西才能工作。甚至 CPU 也要有固件才能工作。 这意味着在我们的系统中有比我们编程所针对的内核还有更多的小 CPUs 。

为什么这很重要？好吧，你还记得并发是关于效率的吧？ 因为我们的系统中已经有很多 CPU 在为我们工作，所以我们的一个关注点是在编写代码时不要重复或复制这些工作。

如果网卡的固件不断地检查新数据是否到达，那么如果我们再重复地让 CPU 不断地检查新数据是否到达， 就将是相当浪费的。如果我们偶尔检查一下，或者在数据到达时及时通知，那就更好了。