计算机系统中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。这些控制器就像代理商一样,它们知道如何应对硬盘、鼠标、键盘、显示器的行为。
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。
CPU 对于寄存器的读写,可比直接控制硬件,要标准和轻松很多。这就相当于你和代理商的标准产品交付。
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)。
由于块设备传输的数据量比较大,控制器里往往会有缓冲区。CPU 写入缓冲区的数据攒够一部分,才会发给设备。CPU 读取的数据,也需要在缓冲区攒够一部分,才拷贝到内存。
CPU 如何同控制器的寄存器和数据缓冲区进行通信呢?
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,就是一直查,一直查,直到完成。当然这种方式很不好,于是我们有了第二种方式,就是可以通过中断的方式,通知操作系统输入输出操作已经完成。
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。
有的设备需要读取或者写入大量数据。如果所有过程都让 CPU 协调的话,就需要占用 CPU 大量的时间,比方说,磁盘就是这样的。这种类型的设备需要支持 DMA 功能,也就是说,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。
CPU 只需要对 DMA 控制器下指令,说它想读取多少数据,放在内存的某个地方就可以了,接下来 DMA 控制器会发指令给磁盘控制器,读取磁盘上的数据到指定的内存位置,传输完毕之后,DMA 控制器发中断通知 CPU 指令完成,CPU 就可以直接用内存里面现成的数据了。
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。操作系统的内核代码可以像调用本地代码一样调用驱动程序的代码,而驱动程序的代码需要发出特殊的面向设备控制器的指令,才能操作设备控制器。
设备驱动程序中是一些面向特殊设备控制器的代码。不同的设备不同。但是对于操作系统其它部分的代码而言,设备驱动程序应该有统一的接口。
中断处理一般流程是,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。中断返回的那一刻是进程切换的时机。中断的时候,触发的函数是 do_IRQ。这个函数是中断处理的统一入口。在这个函数里面,我们可以找到设备驱动程序注册的中断处理函数 Handler,然后执行它进行中断处理。
对于设备文件, ls -l 在 /dev 下面执行的时候,首先是第一位字符。如果是字符设备文件,则以 c 开头,如果是块设备文件,则以 b 开头。其次是这里面的两个号,一个是主设备号,一个是次设备号。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。
在 Linux 上面,如果一个新的设备从来没有加载过驱动,也需要安装驱动。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。可以用命令 lsmod,查看有没有加载过相应的内核模块。如果没有安装过相应的驱动,可以通过 insmod 安装内核模块。内核模块的后缀一般是 ko。
一旦有了驱动,我们就可以通过命令 mknod 在 /dev 文件夹下面创建设备文件。
mknod filename type major minor
其中 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。
在 /sys 路径下有下列的文件夹:
有了 sysfs 以后,我们还需要一个守护进程 udev。当一个设备新插入系统的时候,内核会检测到这个设备,并会创建一个内核对象 kobject 。 这个对象通过 sysfs 文件系统展现到用户层,同时内核还向用户空间发送一个热插拔消息。udevd 会监听这些消息,在 /dev 中创建对应的文件。
有了文件系统接口之后,我们不但可以通过文件系统的命令行操作设备,也可以通过程序,调用 read、write 函数,像读写文件一样操作设备。但是有些任务只使用读写很难完成,例如检查特定于设备的功能和属性,超出了通用文件系统的限制。所以,对于设备来讲,还有一种接口称为 ioctl,表示输入输出控制接口,是用于配置和修改特定设备属性的通用接口。
此文章为11月Day11学习笔记,内容来源于极客时间《趣谈Linux操作系统》,推荐该课程。