内核缓冲区、用户缓冲区、中断服务
让我们深入探讨用户缓冲区、内核缓冲区（为了清晰起见，我们将重点关注一个内核缓冲区，因为存在许多具有不同用途的内核缓冲区）以及它们与中断服务例程（ISR）之间的关系。
1. 用户缓冲区:
-
用途： 用户缓冲区驻留在进程的用户空间内存中。它是程序直接访问和操作的内存区域。可以把它想象成程序处理数据的“工作区”。这些数据可能是来自文件的输入、要处理的数据或将要输出到文件或显示器的数据。
-
访问： 操作系统 (OS) 保护用户缓冲区免受其他进程以及内核本身的直接访问。这种保护对于安全性和防止恶意程序破坏彼此的数据至关重要。访问严格通过系统调用控制。
-
示例： 想象一个程序从磁盘读取数据。程序分配一个用户缓冲区。然后，操作系统通过系统调用将数据从磁盘（通过内核与磁盘控制器的交互）复制到此用户缓冲区，从而使程序可以访问数据。
2. 内核缓冲区（一个示例）：
-
用途： 内核缓冲区驻留在内核空间中，这是一个只有内核才能访问的受保护的内存区域。它们充当硬件设备和用户进程之间的中介。此示例重点关注用于输入/输出 (I/O) 操作的缓冲区。用于各种任务（例如，网络缓冲、页面缓存）存在不同的内核缓冲区。
-
访问： 只有内核才能直接访问和修改内核缓冲区。这确保了数据完整性和系统稳定性。用户进程通过将数据在用户缓冲区和内核缓冲区之间移动的系统调用间接访问数据。
-
示例： 使用相同的磁盘读取示例，数据最初到达内核缓冲区。发生这种情况是因为内核的设备驱动程序处理低级 I/O。驱动程序管理将数据从磁盘控制器传输到其专用内核缓冲区。只有在数据安全地位于此内核缓冲区之后，操作系统才会通过系统调用将数据复制到用户指定的缓冲区。
3. 与中断服务例程 (ISR) 的关系：
ISR 对于用户缓冲区、内核缓冲区和设备交互之间的相互作用至关重要。
-
ISR 的作用： ISR 由硬件中断触发。这些中断信号事件，例如磁盘读取操作的完成、网络接口上的数据到达或按键按下。当设备完成 I/O 操作时，它会生成一个中断。此中断会导致 CPU 执行相关的 ISR。
-
ISR 和内核缓冲区： ISR 通常在内核内运行并直接与内核缓冲区交互。例如，磁盘控制器的 ISR 可能会将从磁盘读取的数据直接复制到指定的内核缓冲区。ISR 负责处理设备交互的低级细节，防止 CPU 不断轮询设备以查看是否完成。
-
ISR 和用户缓冲区（间接）： ISR 本身很少直接与用户缓冲区交互。相反，它向内核发出信号，表明 I/O 操作已完成，数据已准备好在内核缓冲区中。然后，内核调度一个进程将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（通常通过系统调用）。内核还可以更新数据结构（例如，文件描述符）以指示 I/O 操作已完成并且数据可访问。
总结：
交互按以下顺序进行：
- 用户进程： 请求 I/O 操作（例如，从磁盘读取）。
- 内核： 启动操作，涉及相应的设备驱动程序。
- 设备驱动程序/硬件： 执行 I/O 操作，并将数据存储在内核缓冲区中。完成后，会生成中断。
- ISR： 执行相应ISR，确认中断并确保内核缓冲区中数据的完整性。
- 内核（ISR 之后）： 将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。这可能涉及上下文切换。
- 用户进程： 现在可以访问和处理其用户缓冲区中的数据。
使用内核缓冲区提供了一层抽象和保护。它可以防止用户进程直接访问硬件，并允许内核有效且安全地管理资源访问和数据传输。ISR 对于使这种异步 I/O 顺利工作至关重要，允许系统在等待 I/O 操作完成时处理其他任务。