用设备控制器屏蔽设备差异

CPU 并不直接和设备打交道，它们中间有一个叫作设备控制器（Device Control Unit）的组件，例如硬盘有磁盘控制器、USB 有 USB 控制器、显示器有视频控制器等。

控制器其实有点儿像一台小电脑。它有它的芯片，类似小 CPU，执行自己的逻辑。它也有它的寄存器。这样 CPU 就可以通过写这些寄存器，对控制器下发指令，通过读这些寄存器，查看控制器对于设备的操作状态。

输入输出设备我们大致可以分为两类：块设备（Block Device）和字符设备（Character Device）:

  • 块设备将信息存储在固定大小的块中，每个块都有自己的地址。硬盘就是常见的块设备。
  • 字符设备发送或接收的是字节流。而不用考虑任何块结构，没有办法寻址。鼠标就是常见的字符设备。

CPU 如何同控制器的寄存器和数据缓冲区进行通信呢？

  • 每个控制寄存器被分配一个 I/O 端口，我们可以通过特殊的汇编指令（例如 in/out 类似的指令）操作这些寄存器。
  • 数据缓冲区，可内存映射 I/O，可以分配一段内存空间给它，就像读写内存一样读写数据缓冲区。如果你去看内存空间的话，有一个原来我们没有讲过的区域 ioremap，就是做这个的。

当你给设备发了一个指令，让它读取一些数据，它读完的时候，怎么通知你呢？

  • 控制器的寄存器一般会有状态标志位，可以通过检测状态标志位，来确定输入或者输出操作是否完成。
    • 第一种方式就是轮询等待
    • 第二种方式，就是可以通过中断的方式

为了响应中断，我们一般会有一个硬件的中断控制器，当设备完成任务后触发中断到中断控制器，中断控制器就通知 CPU，一个中断产生了，CPU 需要停下当前手里的事情来处理中断。

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DMA 功能, 允许设备在 CPU 不参与的情况下，能够自行完成对内存的读写。实现 DMA 机制需要有个 DMA 控制器帮你的 CPU 来做协调

  • DMA 自动处理好数据, 利用中断通知 CPU, CPU 可直接使用准备好的数据了 (内存中)

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用驱动程序屏蔽设备控制器差异

类似公司的渠道管理部门。

设备控制器不属于操作系统的一部分，但是设备驱动程序属于操作系统的一部分。
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设备驱动程序应该有统一的接口:

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中断处理在设备驱动里面完成.

操作系统也要有一个统一的流程来处理中断:

  • 一个设备驱动程序初始化的时候，要先注册一个该设备的中断处理函数。

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  • 对于块设备来讲，在驱动程序之上，文件系统之下，还需要一层通用设备层。
    • 将与块设备相关的通用逻辑放在这一层，维护与设备无关的块的大小，然后通用块层下面对接各种各样的驱动程序

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用文件系统接口屏蔽驱动程序的差异

然我们操作设备，都是基于文件系统的接口，也要有一个统一的标准:

  • 首先要统一的是设备名称。所有设备都在 /dev/ 文件夹下面创建一个特殊的设备文件。这个设备特殊文件也有 inode，但是它不关联到硬盘或任何其他存储介质上的数据，而是建立了与某个设备驱动程序的连接。

硬盘设备这里有一点绕。假设是 /dev/sdb，这是一个设备文件。这个文件本身和硬盘上的文件系统没有任何关系。这个设备本身也不对应硬盘上的任何一个文件，/dev/sdb 其实是在一个特殊的文件系统 devtmpfs 中。但是当我们将 /dev/sdb 格式化成一个文件系统 ext4 的时候，就会将它 mount 到一个路径下面。例如在 /mnt/sdb 下面。这个时候 /dev/sdb 还是一个设备文件在特殊文件系统 devtmpfs 中，而 /mnt/sdb 下面的文件才是在 ext4 文件系统中，只不过这个设备是在 /dev/sdb 设备上的。

  1. $ ls -l /dev
  • c 字符设备文件
  • b 块设备文件
  • 主设备号: 定位设备驱动程序
  • 次设备号: 作为参数传给启动程序，选择相应的单元。
  1. cat /dev/urandom | od -x

如果 Linux 操作系统新添加了一个设备，应该做哪些事情呢？

  • 安装驱动
    • Linux 的驱动程序已经被写成和操作系统有标准接口的代码，可以看成一个标准的内核模块。在 Linux 里面，安装驱动程序，其实就是加载一个内核模块。
  1. # lsmod, 查看内核模块
  2. Module                  Size  Used by
  3. iptable_filter         12810  1
  4. bridge                146976  1 br_netfilter
  5. vfat                   17461  0
  6. fat                    65950  1 vfat
  7. ext4                  571716  1
  8. cirrus                 24383  1
  9. crct10dif_pclmul       14307  0
  10. crct10dif_common       12595  1 crct10dif_pclmul
  12. # 安装模块
  13. insmod openvswitch.ko
  15. # 创建设备文件
  16. mknod filename type major minor
  • filename 就是 /dev 下面的设备名称
  • type 就是 c 为字符设备，b 为块设备
  • major 就是主设备号
  • minor 就是次设备号。

一旦执行了这个命令，新创建的设备文件就和上面加载过的驱动关联起来，这个时候就可以通过操作设备文件来操作驱动程序，从而操作设备。

总结

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精彩评论

刘強

老师，可不可以这么理解。假设硬盘被格式化为ext 文件系统。如果我们直接读写裸设备，相当于绕过ext文件系统的这部分代码直接让驱动程序指挥硬盘。当然这种指挥由于没有一定的规则，没有什么意义。而把文件系统挂载到某个目录下后，我们访问这个目录，相当于特定于ext文件系统的这部分代码代替我们刚才的“瞎指挥”，还是通过驱动程序操作裸设备，现在由于有了特定文件系统的规则，所以就能读写文件了。 这么理解文件系统 驱动程序 裸设备之间的关系，对吗？

作者回复: 是的，裸写肯定会写坏