计算机I/O设备学习

Linux内核源码有一半是由驱动组成，驱动在Linux完成其强大功能中扮演重要角色，而在开发自己的系统时，有时会发现无法在现有代码中找到支持特定的硬件的驱动，这是就需要自己动手写一些小程序来完成。

I/O设备

I/O设备一般包括两部分：设备控制器和设备本身。控制器是插在电路板上的一块芯片或一组芯片，这块电路板物理的控制设备。它从操作系统接收命令，例如，从设备读数据并且完成数据的处理。例如磁盘控制器。

I/O驱动

每类设备控制器都是不同的，所以，需要不同的软件进行控制。专门与控制器对话，发出命令并接收响应的软件，称为设备驱动程序。每个控制器厂家必须为所支持的操作系统提供相应的设备驱动程序。例如，一台扫描仪会配有用于windows2000，windowsXP，Vista以及Linux的设备驱动程序。
为了能够使用设备驱动程序，必须把设备驱动程序装入到操作系统中，这样它可以在内核态中运行。有三个途径：

1. 将驱动程序与内核重新链接，然后重启操作系统
2. 在一个操作系统文件中设置一个入口，并通知该文件需要一个设备驱动程序，然后重启系统，在系统启动时，操作系统去寻找所需的设备驱动程序并装载之windows就是这样
3. 操作系统能够运行在接收新的设备驱动程序并立即将其安装好，无需重启操作系统。热插拔设备，都需要动态可装载设备驱动程序。
   每个设备控制器都有少量的用于通信的寄存器，所有设备寄存器的集合构成了I/O端口空间。
   在有些计算机中，设备寄存器被映射到操作系统的地址空间，这样，它们就可以像普通存储字一样读取和写入。在这样的计算机中，不需要专门的I/O指令，用户程序可以被硬件阻挡在外
   在另一些计算机中，设备寄存器被放入一个专门的I/O端口空间中，每个寄存器都有一个端口地址。在这些机器中，提供在内核态中可使用的专门的in和out指令，供设备驱动程序读写这些寄存器用。不占用地址空间。

I/O设备的中断调用

1. 设备驱动程序通过写设备寄存器通知设备控制器做什么，然后，设备控制器启动该设备。当设备控制器传送完毕被告知的要进行读写的字节数量后
2. 使用特定的总线发信号给中断控制器芯片。如果中断控制器已经准备好中断，他会在CPU芯片的一个管脚上声明，这就是第三步
3. 第四步中，中断控制器把该设备的编号放在总线上，这样CPU可以读总线，并且知道哪个设备刚刚完成了操作
4. 一旦CPU决定取中断，通常程序计数器和PSW就被压入当前堆栈中，并且CPU被切换到用户态。设备编号可以成为部分内存的一个引用，用于寻找该设备中断处理程序的地址。这部分称为中断向量。
5. 中断处理程序开始后，它取走已入栈的程序计数器和PSW，并保存，然后查询设备的状态。全部完成之后，它返回到先前运行的用户程序尚未执行的指令

Linux设备的分类：

• 字符设备：字符设备是以字符为单位输入输出数据的设备，一般不需要使用缓冲区而直接对它进行读写。如打印机，显示终端
• 块设备：是以一定大小的数据块为单位输入输出数据的，一般要使用缓冲区在设备与内存之间传送数据。如磁盘，光盘等。
• 网络设备：网络设备是通过网络传输数据的设备，一般指与通信网络连接的网络适配器（网卡）等。如以太网卡，Linux使用套接口（socket）以文件I/O方式提供了对网络数据的访问。

设备驱动程序的作用：

• 对设备进行初始化
• 启动或停止设备的运行
• 把设备上的数据传送到内存
• 把数据从内存传送到设备
• 检测设备状态

其具有以下特点：

• 驱动程序是与设备相关的
• 驱动程序的代码由内核统一管理
• 驱动程序在具有特级权的内核态下运行
• 设备驱动程序是输入输出子系统的一部分
• 驱动程序是为某个进程服务的，其执行过程仍处在进程运行的过程中，即处于进程上下文中。
• 若驱动程序需要等待设备的某种状态，它将阻塞当前进程，把进程加入到该种设备的等待队列中。

识别设备：
对设备的识别使用设备类型，主设备号，次设备号。

1. 串口设备是cu
2. 并口设备是lp
3. IDE普通硬盘是hd：PATA并口硬盘基本上已经淘汰。SATA串口硬盘接口是7脚的。
4. SCIS硬盘是sd：用作服务器的应用。
5. 软盘是fp

对应设备操作分为三类：
7. open（）：启动
8. close（）：停止
9. read（）：读取数据
10. write（）：输出数据

设备的控制方式：

1. 查询等待方式
2. 中断方式
3. DMA方式