0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

【i.MX6ULL】驱动开发9——Linux I/O模型分析并进来类比

码农爱学习 来源:码农爱学习 作者:码农爱学习 2022-05-26 09:05 次阅读

前面两篇介绍按键的文章,无论是用GPIO来读取,还是用中断的方式,其应用程序通过循环读取的方式获取按键值,都会使得CPU的占用率很高。本篇先来介绍Linux中几种的I/O模型,以后使用这类方式进行按键值的读取,可以极大降低CPU的使用率。

1 Linux中的I/O模型

这里以网络I/O为例进行分析,网络IO的本质是socket的读取,socket在linux系统被抽象为流,对于一次IO访问,以read为例,当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:

等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)

将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

网络I/O的模型,可以分为五种,这里先分类列出:

pYYBAGKOSqSASDN6AACJ9PwMXcs037.png

2 五种I/O模型分析

2.1 阻塞式I/O模型

阻塞式I/O模型是最常用、最简单的模型。阻塞就是进程被休息, CPU处理其它进程去了。

应用程序进行recefrom系统调用,操作系统收到recefrom系统调用请求,经过两个阶段:

等待数据准备好

内核将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区

这两个阶段完成后调用返回,应用程序解除阻塞

poYBAGKOSq2AAMoKAAHyp_gqMGE018.png

2.2 非阻塞式I/O模型

非阻塞就是轮询的方式,在这种模型中, I/O操作不会立即完成,recefrom操作可能会返回一个错误代码,说明这个命令不能立即满足。

对于第一个阶段:

等待数据准备好

在这个阶段系统调用会立刻返回一个错误状态,不会阻塞,应用程序需要不断轮询,直到内核缓冲区数据准备好

对于第二个阶段:

内核将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区

这个阶段应用程序的调用会被阻塞,直到拷贝完成,应用程序的系统调用返回。

pYYBAGKOSrWAUg0mAANTbNQJfAc286.png

2.3 I/O复用模型

由于非阻塞I/O方式需要不断轮询,会消耗大量的CPU时间,而后台又可能有多个任务在同时轮询,为此,人们就想到了一种方式:循环查询多个任务的完成状态,只要有任何一个任务完成,就去处理它。

IO多路复用有两个特别的系统调用select、poll

select可以等待多个socket,能实现同时对多个IO端口进行监听,当其中任何一个socket的数据准好了,就能返回进行可读,然后进程再进行recvform系统调用,将数据由内核拷贝到用户进程,这个过程是阻塞的。

pYYBAGKOSryAOrhdAAM9xQ4USq4878.png

2.4 信号驱动式I/O模型

应该程序进行Read系统调用,进程继续运行不会阻塞,立即返回,等待内核缓冲区数据准备好后,通过SIGIO信号通知应用程序,应用程序再进行Read系统调用,内核将内核缓冲区中的数据拷贝到用户缓冲区,调用完成。

pYYBAGKOSsOAXnU-AALULi-Hvlo252.png

2.5 异步I/O模型

相对于同步IO,异步IO不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后,无论内核数据是否准备好,都会直接返回给用户进程,然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了,内核直接复制数据给进程,然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段,进程都是非阻塞的

pYYBAGKOSsqAcEXGAAIuiv9GPbQ941.png

3 模型对比

3.1 阻塞I/O与非阻塞I/O对比

简单理解为需要做一件事能不能立即得到返回应答,如果不能立即获得返回,需要等待,那就阻塞了,否则就可以理解为非阻塞。详细区别如下图所示:

pYYBAGKOStKASMagAABRY-knMlQ399.png

3.2 同步I/O与异步I/O对比

实际上同步与异步是针对应用程序内核的交互而言的。

同步过程中进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否完成。

异步过程中进程触发IO操作以后,直接返回,做自己的事情,IO交给内核来处理,完成后内核通知进程IO完成。

同步与异步如下图所示:

poYBAGKOStmALg6jAAApIKov2tA307.png

对于Liunx的五种I/O模型,其实主要在等待数据和数据复制这两个时间段不同。

pYYBAGKOSuCASWPTAAOYfSyT4SA440.png

4 各种I/O模型的生活场景式类比

4.1 类比1-饭店点菜

我们去餐厅吃饭,会经过以下几个步骤:首先根据菜单点菜,然后等待厨房准备好,接着服务员上菜。在这个场景中,等待厨房准备菜肴等同于等待数据,服务员上菜等同于将数据从内核复制到用户空间,你就是用户态进程了,服务员和饭店看作是内核态的进程。

阻塞式I/O模型:只点一个菜,然后在餐桌上开始等待,在这个过程中什么事都不干,等服务员把菜上到桌子上之后才开始大快朵颐。

非阻塞式I/O模型:只点一个菜,然后开始等待,啥事都不做,等了一会儿然后就去问服务员,“我的菜好了吗?”,没好接着等待,过了一会儿然后又跑去问....重复这个过程,直到服务员说“亲,你的菜好了,我现在给您送桌上去”,然后你坐在桌子上,等待服务员把饭菜送到你的餐桌上,才开始吃饭。

I/O复用模型:你点了很多菜,然后开始等待,某个时刻其中一个菜或者多个菜厨房里同时好了,服务员跑过来说,“亲,您的有些菜好了,要现在上桌么?”, 你回答,现在就上,于是服务员上一个菜(服务员一次只能上一个菜),你就吃完一个,上一个你就吃完一个。。。

信号驱动式I/O模型:只点一个菜,然后给服务员留下手机,告诉他菜准备好了打个电话给你,先不要上菜,然后你就出去玩耍了,等到菜好了,服务员手机通知你,你立马回到了餐厅,对服务员说“你现在可以上菜了”,于是你在餐桌上等待服务员把菜送上来,然后吃饭。

异步I/O模型:只点一个菜,然后给服务员留下手机,告诉他菜准备好了先上菜,菜上桌了打电话给你,然后你就出去玩耍了,等到菜上桌了,服务员手机通知你,你立马回到了餐桌,开始吃饭。

该例子出自: https://segmentfault.com/a/1190000016359495

4.2 类比2-钓鱼

有A,B,C,D四个人在钓鱼。

阻塞式I/O模型:A用的是最老式的鱼竿,所以呢,得一直守着,等到鱼上钩了再拉杆;

非阻塞式I/O模型:B的鱼竿有个功能,能够显示是否有鱼上钩,所以呢,B就和旁边的MM聊天,隔会再看看有没有鱼上钩,有的话就迅速拉杆;

I/O复用模型:C用的鱼竿和B差不多,但他想了一个好办法,就是同时放好几根鱼竿,然后守在旁边,一旦有显示说鱼上钩了,它就将对应的鱼竿拉起来;

异步I/O模型:D是个有钱人,干脆雇了一个人帮他钓鱼,一旦那个人把鱼钓上来了,就给D发个短信。

该例子出自: https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

4.3 类比3-银行存钱汇款

阻塞式I/O模型:你去一个银行柜台存钱。首先,你会将存钱的单子填好,交给柜员,之后,你就坐在柜台前等。柜员办好以后会给你一个回执,表示办好了,然后你就可以拿着回执干其它的事了。注意,这时如果你马上去查账,存的钱已经打到你的账户上了。

非阻塞式I/O模型:这次不是去银行存钱,而是去银行汇款。同样的,你也需要填写汇款单然后交给柜员,柜员进行一些简单的手续处理就能够给你回执。但是,你拿到回执并不意味着钱已经打到了对方的账上。事实上,一般汇款的周期大概是24个小时左右,如果你要以存钱的模式来汇款的话,意味着你需要在银行等24个小时,这显然是不现实的。

I/O复用模型:比如说一个银行柜台,现在有10个人想存钱。这10个人都填好存款单,然后都提交给柜台,提交完之后所有的10个人就在银行大厅等待。这时候会专门有个人,他会了解存款单处理的情况,一旦有存款单处理完毕,他会将回执交给相应的正在大厅等待的人,这个拿到回执的人就可以去干其他的事情了。而前面提到的这个专人,就对应于select函数。

异步I/O模型:现在某银行新开通了一项存钱业务。用户之需要将存款单交给柜台,然后无需等待就可以离开了。柜台办好以后会给用户发送一条短信,告知交易成功。这样用户不需要在柜台前进行长时间的等待,同时,也能够得到确切的消息知道交易完成。

该例子出自: https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/4270633

5 总结

本篇介绍了Linux中的五种I/O模型:阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O复用模型、信号驱动式I/O模型、异步I/O模型,并通过生活中实际的场景进来类比。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 嵌入式
    +关注

    关注

    5082

    文章

    19117

    浏览量

    304958
  • Linux
    +关注

    关注

    87

    文章

    11301

    浏览量

    209408
  • GPIO
    +关注

    关注

    16

    文章

    1204

    浏览量

    52070
  • i.MX6
    +关注

    关注

    1

    文章

    37

    浏览量

    16302
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    【迅为电子】i.MX6UL和i.MX6ULL芯片区别与开发板对比

    【迅为电子】i.MX6UL和i.MX6ULL芯片区别与开发板对比
    的头像 发表于 11-28 14:31 349次阅读
    【迅为电子】<b class='flag-5'>i.MX6</b>UL和<b class='flag-5'>i.MX6ULL</b>芯片区别与<b class='flag-5'>开发</b>板对比

    【新品】i.MX6ULL工业嵌入式核心板!NXP低功耗MPU,LCD显示

    核心板新品上市ECK20-6Y2XA系列核心板是亿佰特基于NXPCortex-A7内核i.MX6ULL处理器精心设计的,采用邮票孔连接的低成本、低功耗、高性价比、高可靠性的嵌入式核心板。可广泛应用于工业控制、HMI、IoT等领域。
    的头像 发表于 11-15 01:04 189次阅读
    【新品】<b class='flag-5'>i.MX6ULL</b>工业嵌入式核心板!NXP低功耗MPU,LCD显示

    i.MX Linux开发实战指南—基于野火i.MX系列开发

    电子发烧友网站提供《i.MX Linux开发实战指南—基于野火i.MX系列开发板.pdf》资料免费下载
    发表于 10-10 17:23 11次下载

    在NXP源码基础上如何适配ELF 1开发板的UART功能

    UART即通用异步收发器,是一种支持全双工串行通信协议的接口。在i.MX6ULL处理器平台上,该处理器原生支持多达8路的UART接口,提供了丰富的串行通信能力。 针对ELF 1开发板,实际引出了4路
    的头像 发表于 09-29 11:49 344次阅读
    在NXP源码基础上如何适配ELF 1<b class='flag-5'>开发</b>板的UART功能

    使用TPS6521815 PMIC为NXP i.MX 6ULL6UltraLite供电

    电子发烧友网站提供《使用TPS6521815 PMIC为NXP i.MX 6ULL6UltraLite供电.pdf》资料免费下载
    发表于 09-13 09:44 1次下载
    使用TPS6521815 PMIC为NXP <b class='flag-5'>i.MX</b> <b class='flag-5'>6ULL</b>、<b class='flag-5'>6</b>UltraLite供电

    如何在NXP源码基础上适配ELF 1开发板的PWM功能

    本次源码适配项目是在NXP i.MX6ULL EVK评估板所搭载的Linux内核源码(版本为Linux-imx_4.1.15)基础上进行的,主要目标是通过调整功能接口引脚配置,使其适应ELF 1
    的头像 发表于 09-10 10:00 928次阅读
    如何在NXP源码基础上适配ELF 1<b class='flag-5'>开发</b>板的PWM功能

    【正点原子i.MX93开发板试用连载体验】01 - 开箱报告

    前言 感谢正点原子和电子发烧友论坛提供的这次机会让我有机会体验正点原子i.MX93开发板,奔着正点名字的教程齐全来的,希望可以借这个机会好好学习一下。 开箱 包装还是挺精致的,好评。 板子
    发表于 06-27 21:53

    Linux平台移植音频芯片实战记录

    本文详细记录在NXP I.MX6ULL+Linux平台下进行WM8960音频芯片移植的过程,其他平台操作方法类似,希望为大家提供帮助。
    的头像 发表于 05-17 14:28 1075次阅读
    <b class='flag-5'>Linux</b>平台移植音频芯片实战记录

    浅析在NXP I.MX6ULL+Linux平台下进行WM8960音频芯片移植的过程

    本文详细记录在NXP I.MX6ULL+Linux平台下进行WM8960音频芯片移植的过程,其他平台操作方法类似,希望为大家提供帮助。
    的头像 发表于 05-17 11:33 1280次阅读
    浅析在NXP <b class='flag-5'>I.MX6ULL+Linux</b>平台下进行WM8960音频芯片移植的过程

    正点原子i.MX93开发

    我计划申请正点原子i.MX93开发板,因为我希望利用其强大的NXP i.MX9352处理器进行中高端嵌入式Linux开发。这款处理器具备双核
    发表于 05-16 14:57

    米尔NXP i.MX 93开发板限量6折!赋能入门级边缘处理市场

    NXP在处理器板块耕耘多年,从早期的i.MX6i.MX7→i.MX8,再到最新的i.MX9都已经有一条完整的生态链以及很多客户基础。i.MX
    的头像 发表于 04-29 08:01 565次阅读
    米尔NXP <b class='flag-5'>i.MX</b> 93<b class='flag-5'>开发</b>板限量<b class='flag-5'>6</b>折!赋能入门级边缘处理市场

    基于飞凌嵌入式i.MX6ULL核心板的电梯智能物联网关方案

    使用飞凌嵌入式FETMX6ULL-S核心板作为智能电梯物联网关的主控平台,为智能电梯的变革提供了强有力的威廉希尔官方网站 支持。
    的头像 发表于 03-22 10:45 1505次阅读
    基于飞凌嵌入式<b class='flag-5'>i.MX6ULL</b>核心板的电梯智能物联网关方案

    适用于 NXP i.MX 6ULL6ULZ 和 6UltraLite的TPS6521835电源管理IC数据表

    电子发烧友网站提供《适用于 NXP i.MX 6ULL6ULZ 和 6UltraLite的TPS6521835电源管理IC数据表.pdf》资料免费下载
    发表于 03-01 09:10 0次下载
    适用于 NXP <b class='flag-5'>i.MX</b> <b class='flag-5'>6ULL</b>、<b class='flag-5'>6</b>ULZ 和 <b class='flag-5'>6</b>UltraLite的TPS6521835电源管理IC数据表

    嵌入式学习-ElfBoard ELF 1-gpio模拟i2c的方法

    /linux-4.1.15-elf1$ make zImage 二、设备树修改设备树路径:linux-4.1.15-elf1/arch/arm/boot/dts/imx6ull-elf1-emmc.dts(1)将
    发表于 02-22 15:17

    FANUC外部I/O点数不够用了怎么办?可以扩展I/O点数吗?

    FANUC外部I/O点数不够用了怎么办?可以扩展I/O点数吗? 扩展FANUC的外部I/O点数是
    的头像 发表于 02-18 15:21 1884次阅读