深入理解Linux内核－I/O体系结构和设备驱动程序

系统总线：
1、链接CPU、RAM、I/O设备之间的数据流动。例如：PCI、ISA、EISA、MCA、SCSI、USB
2、任何I\O设备有且仅能链接一条总线。

I\O端口：
1、每个连接到I\O总线上的设备都有自己的I\O地址集，通常称为I\O端口。
2、一共提供了65536个8位的端口
3、可以讲2个8位的看作一个16位的（必须从偶数开始），2个16位的看作一个32位的端口（必须从4倍数开始）
4、对端口对读写命令 in、ins、out、outs
5、为了提高性能提供控制寄存器、状态寄存器、输入寄存器、输出寄存器

I\O接口：
1、专用I\O接口：专门用于一个特定的硬件设备；键盘接口、图形接口、磁盘接口、鼠标接口、网络接口
2、通用I\O接口：用来连接多个不同的硬件设备，通常是外部设备。并口、串口、PCMCIA接口、SCSI接口、USB

设备控制器：
1、复杂的设备需要，典型的是磁盘控制器，可以用来解析高级命令，转换成处理磁盘的低级磁盘操作。
2、简单的设备不需要，比如可编程中断控制器、可编程间隔定时器。
设备驱动程序模型：1、电源管理（控制设备电源线上不同的电压级别）

2、即插即用（配置设备时透明的资源分配）
3、热插拔（系统运行时支持设备的插入和移除）
4、内核全权负责所有硬件设备的电源管理，当计算机进入待机时，内核立即强制每个能够响应‘待机’状态的设备安装一定的顺序进入待机状态
5、为了满足上述功能，为系统中所有的总线、设备以及设备驱动程序提供了一个统一的视图，即设备驱动程序模型。

设备文件：
1、I\O设备可以被当作设备文件（device file）这种所谓的特殊文件来处理，即可以对其使用系统调用read、write
2、根据设备驱动程序的基本特性，设备文件可以分位两种块和字符
3、块设备的数据可以被随机访问，传输数据的时间少，且大致相同。例如硬盘、软盘、CD－ROM驱动器、DVD播放器等
4、字符设备的数据或者不可以被随机访问；或者可以但是访问随机数据的时间很大程度依赖数据在设备内的位置，例如磁带驱动器
5、一般设备文件名是无关紧要的，关键是设备类型、主设备号、次设备号
6、主设备号和次设备号最大为65536，Linux 2.6对其进行了扩展主设备号12位，次设备号20位
7、最好的解决方案时动态分配设备号；动态创建设备文件


设备驱动程序：
1、实现文件对象read方法的foo_read函数
2、处理中断的foo_interrupt函数
3、当用户在设备文件上发出read系统调用，一条命令被发往设备的控制寄存器，一段时间间隔后，设备把一个字节的数据放入输入寄存器，作为read系统调用的结果返回

直接访问内存（DMA）：
1、不经过CPU，设备直接和RAM互传数据
2、如果DMA和CPU同时访问同一内存，冲突由叫做内存仲裁器的硬件电路来解决
3、使用最多的是磁盘驱动器和其他需要一次传输大量字节的设备。
4、DMA的设置时间较长，少量数据时使用CPU效率更高
5、同步DMA由进程触发，例如播放电影、音乐；播放音乐时，将内存数据采用DMA传到声卡播放
6、异步DMA有硬件设备触发，例如网卡；网卡接收到数据，产生中断，将数据采用DMA方式传到内存

内核支持的I\O级别：
1、根本不支持：应用程序只能用适当的in、out汇编语言直接与设备I|O端口交互

2、最小支持： 内核不识别硬件设备，但是能识别I\O接口，用户程序将I\O接口视为能够读写字符流的顺序设备
3、扩展支持：内核能识别硬件，并处理I\O接口本身。这种设备可能没有对应的设备文件。

字符设备驱动程序：
1、比较简单，不涉及复杂到缓存策略，磁盘高速缓存
2、有些必须实现复杂到通信协议