การจัดการอุปกรณ์อินพุตเอาต์พุตในระบบปฏิบัติการ Linux

1. ฮาร์ดแวร์ I/O และอินเทอร์เฟส

อุปกรณ์อินพุตเอาต์พุต (I/O Device) เป็นองค์ประกอบที่ทำให้คอมพิวเตอร์รับข้อมูลจากภายนอก (Input) และส่งข้อมูลออกไปยังภายนอก (Output) ได้ อุปกรณ์ I/O ติดต่อกับเครื่องผ่านอินเทอร์เฟสที่เป็นมาตรฐาน โดยมี Controller เป็นตัวกลางรับคำสั่งจาก CPU และสั่งงานอุปกรณ์จริงตาม Protocol ที่กำหนด

อินเทอร์เฟสที่ใช้บ่อย

อินเทอร์เฟส	ความเร็วสูงสุด	ประเภท	ตัวอย่างอุปกรณ์
USB 2.0	480 Mbps	Serial	Keyboard, Mouse, Flash drive
USB 3.2 Gen 2	10 Gbps	Serial	External SSD, Webcam
USB4 / Thunderbolt 4	40 Gbps	Serial	External GPU, Docking station
SATA III	6 Gbps	Serial	HDD, 2.5" SSD
NVMe (PCIe Gen 4 ×4)	64 Gbps	Parallel	M.2 SSD
PCIe Gen 4 ×16	256 Gbps	Serial Lane	GPU, Network card
Ethernet 1 Gbps	1 Gbps	Serial	LAN, Internet
HDMI 2.1	48 Gbps	Serial	Display 4K/8K

ประเภทของอุปกรณ์ I/O แบ่งตามวิธีการเข้าถึงข้อมูล

• Block Device: อ่าน/เขียนข้อมูลเป็นบล็อกขนาดคงที่ (มักเป็น 512 B หรือ 4 KB) เข้าถึงแบบสุ่มได้ เช่น HDD, SSD, USB Flash drive — Linux แสดงเป็นไฟล์ใน /dev/sda, /dev/nvme0n1

• Character Device: อ่าน/เขียนทีละไบต์เรียงตามลำดับ เช่น Keyboard, Mouse, Serial port — Linux แสดงเป็น /dev/tty, /dev/input/event0

• Network Device: ไม่มีไฟล์ใน /dev โดยตรง แต่เข้าถึงผ่าน Socket API เช่น eth0, wlan0

2. วิธีการสื่อสารระหว่าง CPU กับอุปกรณ์ I/O

CPU จำเป็นต้องสื่อสารกับอุปกรณ์ I/O เพื่อรับ-ส่งข้อมูลและคำสั่งควบคุม วิธีการสื่อสารหลักที่ใช้ในระบบปฏิบัติการมี 3 รูปแบบ

(1) Polling

CPU ตรวจสอบสถานะของอุปกรณ์อย่างต่อเนื่องโดยการอ่านค่าจาก Status Register จนกว่าอุปกรณ์จะพร้อม วิธีนี้ใช้งานง่าย เขียนโค้ดสั้น แต่ใช้ CPU เปลือง (Busy Waiting) จึงเหมาะกับ Embedded System ที่มีโพรเซสน้อยและต้องการ Latency ต่ำมาก

(2) Interrupt

อุปกรณ์จะส่งสัญญาณ Interrupt ไปยัง CPU เมื่อพร้อมส่ง/รับข้อมูล CPU จะหยุดงานปัจจุบันชั่วคราว เรียก Interrupt Service Routine (ISR) ของ Driver มาทำงาน จากนั้นกลับไปทำงานเดิม วิธีนี้มีประสิทธิภาพดี เพราะ CPU ทำงานอื่นไปก่อนได้ Linux จัดการ Interrupt ผ่าน /proc/interrupts

(3) DMA (Direct Memory Access)

DMA Controller เป็นชิปอิสระที่สามารถโอนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ I/O กับ RAM ได้โดยตรงโดยไม่ต้องผ่าน CPU ทำให้ CPU มีเวลาว่างไปทำงานอื่น เหมาะกับการโอนข้อมูลขนาดใหญ่ เช่น Disk I/O, Network, Graphics ทุกครั้งที่เสร็จ DMA จะส่ง Interrupt แจ้ง CPU

ตารางเปรียบเทียบ Polling / Interrupt / DMA

รายการ	Polling	Interrupt	DMA
ใช้ CPU	สูงมาก (busy wait)	ปานกลาง (เฉพาะ ISR)	ต่ำมาก
Latency	ต่ำมาก	ต่ำ	ปานกลาง
เหมาะกับ	Embedded, RT	งานทั่วไป	งานข้อมูลใหญ่
ตัวอย่าง	Microcontroller	Keyboard, Mouse	Disk, GPU, Network

3. Kernel I/O Subsystem ใน Linux

Linux Kernel มีระบบย่อย I/O ที่จัดการอุปกรณ์ทุกประเภทอย่างเป็นมาตรฐาน โดยใช้แนวคิด "ทุกอย่างเป็นไฟล์" (Everything is a file) ผ่าน VFS (Virtual File System) ทำให้โพรเซสในระดับผู้ใช้สามารถใช้ system call ที่เหมือนกัน เช่น open(), read(), write(), ioctl(), close() กับอุปกรณ์ทุกชนิด

ภาพรวมสถาปัตยกรรม I/O ใน Linux

┌────────────────────────────────────────────┐ │ User Process (open, read, write, ioctl) │ ├────────────────────────────────────────────┤ │ System Call Interface │ ├────────────────────────────────────────────┤ │ Virtual File System (VFS) │ ├──────────────────┬─────────────────────────┤ │ Block Layer │ Char/Net/USB Subsys │ │ + I/O Scheduler │ │ ├──────────────────┼─────────────────────────┤ │ Device Drivers │ Device Drivers │ │ (e.g. ahci, │ (e.g. usbhid, e1000, │ │ nvme, sd) │ snd_hda_intel) │ ├────────────────────────────────────────────┤ │ Hardware (PCIe, USB, SATA, NVMe, ...) │ └────────────────────────────────────────────┘

Filesystem พิเศษที่เกี่ยวข้องกับ I/O

• /dev: device node ที่ผู้ใช้เข้าถึงเพื่อสื่อสารกับอุปกรณ์ เช่น /dev/sda, /dev/ttyUSB0, /dev/input/event0

• /sys (sysfs): ข้อมูลและคุณสมบัติของ kernel object และอุปกรณ์ทั้งหมด เช่น /sys/class/block/, /sys/bus/usb/devices/

• /proc (procfs): ข้อมูล runtime ของระบบและโพรเซส เช่น /proc/interrupts, /proc/iomem, /proc/devices, /proc/partitions

• /run/udev: ฐานข้อมูล udev สำหรับ hot-plug devices

4. Device Driver และ Kernel Module ใน Linux

Device Driver ใน Linux เป็นซอฟต์แวร์ที่ช่วยให้ Kernel สื่อสารกับฮาร์ดแวร์ได้ ส่วนใหญ่ Driver จะเป็น Kernel Module (.ko) ที่สามารถโหลดและถอนโหลดได้ขณะระบบทำงาน (Loadable Kernel Module: LKM) Driver ที่ฝังในเคอร์เนล (Built-in) จะถูกคอมไพล์ติดมากับ vmlinuz เลย

คำสั่งจัดการ Kernel Module

Built-in driver vs Loadable Module

• Built-in: คอมไพล์เข้า kernel image โดยตรง โหลดทันทีเมื่อบูต ไม่สามารถ unload ได้ เหมาะกับ driver พื้นฐานที่ต้องใช้ในการบูต เช่น ahci, ext4

• Loadable Module (.ko): อยู่ใน /lib/modules/$(uname -r)/ เลือกโหลด/ถอนได้ขณะใช้งาน เหมาะกับ driver ที่ไม่จำเป็นในการบูต เช่น usbhid, snd_hda_intel

ระบบโหลดโมดูลอัตโนมัติ

Linux ใช้ udev ร่วมกับ kmod ตรวจจับอุปกรณ์ใหม่และโหลดโมดูลที่เหมาะสมโดยอัตโนมัติ ผ่านการดู modalias ของอุปกรณ์

5. udev: ระบบจัดการอุปกรณ์แบบ Dynamic

udev เป็นระบบที่ Linux ใช้สร้าง device node ใน /dev แบบ Dynamic ตามอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อจริง ดูแลโดย systemd-udevd ความสามารถหลัก ได้แก่

• สร้าง/ลบ device node ใน /dev อัตโนมัติเมื่ออุปกรณ์เพิ่ม/ถอด

• ตั้งชื่อสัญลักษณ์ (symbolic name) ให้กับอุปกรณ์ เช่น /dev/disk/by-uuid/, /dev/disk/by-label/

• กำหนดสิทธิ์ (mode, owner, group) ของ device node

• รันสคริปต์เมื่ออุปกรณ์ถูกเชื่อมต่อหรือถอด (Hot-plug actions)

คำสั่งและเครื่องมือ udev ที่ใช้บ่อย

ตัวอย่าง udev rule: ตั้งชื่อ USB drive ตาม Serial Number

# ไฟล์: /etc/udev/rules.d/99-mydrive.rules

เมื่อต่อ USB drive ตามเงื่อนไขนี้ Linux จะสร้างลิงก์ /dev/mydrive ชี้ไปยังอุปกรณ์จริงโดยอัตโนมัติ

6. Block Layer และ I/O Scheduler

Block Layer ของ Linux เป็นชั้นกลางระหว่าง Filesystem กับ Driver ของอุปกรณ์ Storage มีบทบาทในการรวบรวมคำขออ่าน/เขียน จัดลำดับ (Scheduling) และส่งต่อให้ Driver Linux สมัยใหม่ใช้ Multi-Queue Block Layer (blk-mq) เพื่อรองรับ NVMe และ SSD ที่มี Queue ภายในหลายช่อง

อัลกอริทึม I/O Scheduler ใน Linux

Scheduler	เหมาะกับ	จุดเด่น
none (noop)	NVMe SSD	ไม่จัดเรียง ใช้ลำดับเดิม Overhead น้อย
mq-deadline	SATA SSD, Mixed	รับประกันเวลาตอบสนอง เหมาะกับ Database
kyber	Multi-queue device	Latency-aware ปรับตัวเองอัตโนมัติ
bfq	Desktop, HDD	Budget Fair Queueing แบ่ง bandwidth อย่างยุติธรรม

ดูและเปลี่ยน I/O Scheduler

# คงค่าถาวรด้วย udev rule

# /etc/udev/rules.d/60-ioschedulers.rules

ACTION=="add|change", KERNEL=="sd[a-z]*", ATTR{queue/scheduler}="bfq"

ACTION=="add|change", KERNEL=="nvme[0-9]*n[0-9]*", ATTR{queue/scheduler}="none"

7. การตรวจสอบอุปกรณ์ I/O บน Linux

(1) lspci — อุปกรณ์บนบัส PCI/PCIe

(2) lsusb — อุปกรณ์ USB

(3) lsblk — อุปกรณ์ Block (Storage)

(4) lshw — รายงานฮาร์ดแวร์รวม

(5) dmesg — log ของ Kernel

(6) inxi — สรุปฮาร์ดแวร์ระดับ Power User

5.8 การวัดประสิทธิภาพและวินิจฉัย I/O

เครื่องมือมาตรฐาน

ตัวชี้วัดสำคัญใน iostat -dx

• rrqm/s, wrqm/s: คำขออ่าน/เขียนที่ถูก merge ต่อวินาที

• r/s, w/s: คำขออ่าน/เขียนต่อวินาที (IOPS)

• rkB/s, wkB/s: ปริมาณข้อมูลอ่าน/เขียนต่อวินาที

• await: เวลาเฉลี่ยที่ใช้รอคำขอเสร็จ (ms) ค่ายิ่งต่ำยิ่งดี

• %util: เปอร์เซ็นต์ของเวลาที่อุปกรณ์ busy ค่าใกล้ 100% แสดงว่า saturate

9. การเชื่อมต่ออุปกรณ์เข้ากับระบบไฟล์ (mount/unmount)

Linux ใช้การ mount เพื่อแนบ Filesystem ของอุปกรณ์เข้ากับโครงสร้างไดเรกทอรีของระบบ ในระบบสมัยใหม่ Desktop Environment จะ mount USB drive อัตโนมัติผ่าน udisks2 และวางใน /media/<user>/<label> หรือ /run/media/<user>/<label>

คำสั่ง mount พื้นฐาน

ทำ mount อัตโนมัติเมื่อบูตด้วย /etc/fstab

# เพิ่มบรรทัดใน /etc/fstab:

UUID=1234-ABCD /mnt/usb vfat defaults,noatime,nofail 0 0

10. ตัวอย่าง Workflow เมื่อเชื่อมต่อ USB Flash drive

1. ผู้ใช้เสียบ USB drive เข้าพอร์ต

2. USB Host Controller (เช่น xhci_hcd) ตรวจพบและส่ง Interrupt ไปยัง CPU

3. Kernel USB Core เริ่ม enumerate ขออ่าน Descriptor (Vendor/Product ID, Class)

4. Kernel เลือก driver ที่ตรง เช่น usb-storage และเรียก probe()

5. Driver สร้างอุปกรณ์ /dev/sdX และ partition /dev/sdX1

6. udev สร้าง symlink ใน /dev/disk/by-uuid/, /dev/disk/by-label/

7. udisks2 แจ้ง Desktop ให้ mount อัตโนมัติที่ /media/<user>/<label>

8. ผู้ใช้สามารถใช้ไฟล์ผ่าน File Manager หรือ Terminal ได้

11. การติดตั้งและจัดการเครื่องพิมพ์ด้วย CUPS

Linux ใช้ CUPS (Common UNIX Printing System) เป็นระบบจัดการการพิมพ์มาตรฐาน รองรับเครื่องพิมพ์ทั้งแบบ USB, Network และ Bluetooth

# เปิด http://localhost:631 เพื่อตั้งค่าผ่าน Web UI

12. การวินิจฉัยปัญหาอุปกรณ์ I/O ที่พบบ่อย

อาการ	แนวทางวินิจฉัย
USB ไม่ถูกตรวจพบ	dmesg \| tail / lsusb / ดูพอร์ตและสาย / ลองเปลี่ยนพอร์ต / ตรวจ /sys/bus/usb/
ไดรฟ์ตรวจพบแต่ mount ไม่ได้	lsblk -f ดู FS / dmesg ดู error / fsck / รองรับ NTFS ต้องมี ntfs-3g
Wi-Fi ใช้งานไม่ได้	lspci -nnk ดู driver / rfkill list / iwconfig / journalctl -u NetworkManager
เครื่องพิมพ์ไม่พิมพ์	lpstat -p ดูสถานะ / lpq ดูคิว / systemctl status cups / log /var/log/cups/
ดิสก์ I/O ช้า	iostat -dx 1 / iotop / smartctl ดู SMART / ตรวจ I/O scheduler / ดู %util, await
ไดรเวอร์ขาดหาย	lspci -nnk / lsusb -v / ค้น modalias / ติดตั้ง linux-firmware / โหลด module ด้วย modprobe
เสียงไม่ออก	pavucontrol / aplay -l / lsmod \| grep snd / unmute alsamixer
Kernel oops/panic เกี่ยวกับ I/O	journalctl -k / dmesg --level=err / ตรวจ HW (RAM/Storage)