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《趣谈linux操作系统》小结(二十六) - 输入输出系统

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输入输出系统

我们知道计算机由CPU、主板、硬盘、内存、鼠标、键盘、显示器、网卡等部件组成。 这里鼠标、键盘等是输入设备， 硬盘、显示器等是输出设备。网卡既是输入设备也算输出设备。这么多不同的设备，统一由输入输出系统来管理。

用设备控制器屏蔽设备差异

计算机的是操作系统， 操作系统的核心是内核。进程管理、内存管理、文件系统管理、输入输出系统的管理都是内核的功能。输入输出管理，需要跟不同的设备打交道，但是设备多种多样，内核只能提供一个统一的抽象接口来管理设备，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。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。

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。

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。

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。

设备完成操作后，CPU有两种方式可以获取通知。 第一种， 就是轮询寄存器的状态位。 第二种，设备通过中断通知CPU处理。

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。

中断有两种，一种软中断，例如代码调用 INT 指令触发，一种是硬件中断，就是硬件通过中断控制器触发的。

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有的设备需要读取或者写入大量数据。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。

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。

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用驱动程序屏蔽设备控制器差异

每种设备的控制器的寄存器、缓冲区等使用模式，指令都不同，操作系统需要通过驱动程序对接不同的设备控制器。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。就像下面图中的一样，不同的设备驱动程序，可以以同样的方式接入操作系统，而操作系统的其它部分的代码，也可以无视不同设备的区别，以同样的接口调用设备驱动程序。

驱动程序就像一个适配层， 向上对操作系统提供统一的接口，向下对接具体的设备控制器。所有设备驱动程序都要，按照同样的规则，实现同样的方法。

设备驱动程序是用来对接设备控制器的，中断处理也在设备驱动里面完成。

中断的触发最终会到达 CPU，会中断操作系统当前运行的程序，所以操作系统也要有一个统一的流程来处理中断，使得不同设备的中断使用统一的流程。

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。

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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。这一层通用块层，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。

用文件系统接口屏蔽驱动程序的差异

从硬件设备到设备控制器，到驱动程序，到通用块层，到文件系统，层层屏蔽不同的设备的差别，最终到这里涉及对用户使用接口，也要统一。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。对于设备文件，ls 出来的内容和我们原来讲过的稍有不同。

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# cd /dev

# ls -l
crw------- 1 root root      5,   1 Dec 14 19:53 console
crw-r----- 1 root kmem      1,   1 Dec 14 19:53 mem
crw-rw-rw- 1 root root      1,   3 Dec 14 19:53 null
crw-r----- 1 root kmem      1,   4 Dec 14 19:53 port
crw-rw-rw- 1 root root      1,   8 Dec 14 19:53 random
crw--w---- 1 root tty       4,   0 Dec 14 19:53 tty0
crw--w---- 1 root tty       4,   1 Dec 14 19:53 tty1
crw-rw-rw- 1 root root      1,   9 Dec 14 19:53 urandom
brw-rw---- 1 root disk    253,   0 Dec 31 19:18 vda
brw-rw---- 1 root disk    253,   1 Dec 31 19:19 vda1
brw-rw---- 1 root disk    253,  16 Dec 14 19:53 vdb
brw-rw---- 1 root disk    253,  32 Jan  2 11:24 vdc
crw-rw-rw- 1 root root      1,   5 Dec 14 19:53 zero

主设备号相同，表示它们使用同样的字符设备驱动。

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。可以通过lsmod查看。

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# lsmod
Module                  Size  Used by
iptable_filter         12810  1
bridge                146976  1 br_netfilter
vfat                   17461  0
fat                    65950  1 vfat
ext4                  571716  1
cirrus                 24383  1
crct10dif_pclmul       14307  0
crct10dif_common       12595  1 crct10dif_pclmul

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。

linux使用sysfs文件系统管理设备，在/sys目录下面，可以查找到设备的信息。

在 /sys 路径下有下列的文件夹：

  • /sys/devices 是内核对系统中所有设备的分层次的表示；
  • /sys/dev 目录下一个 char 文件夹，一个 block 文件夹，分别维护一个按字符设备和块设备的主次号码 (major:minor) 链接到真实的设备 (/sys/devices 下) 的符号链接文件；
  • /sys/block 是系统中当前所有的块设备；
  • /sys/module 有系统中所有模块的信息。

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。

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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。

行动，才不会被动!

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