linux输入输出系统

2020年5月12日下午7:44

职责：
1. 字面意思，告诉你如何控制设备
通信方式：
1. CPU 如何同控制器的寄存器和数据缓冲区进行通信呢？
  1. 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。
  2. 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。
2. 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。
  1. 第一种方式就是轮询等待，就是一直查，一直查，直到完成。
  2. 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。
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）。
1. 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。
2. 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。

职责：
1. 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。

职责：
1. 有的设备需要读取或者写入大量数据
2. 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。

职责：
1. 向上：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
2. 向下：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。
3. 既然设备驱动程序是用来对接设备控制器的，中断处理也应该在设备驱动里面完成。
工作流程：
1. 一般的流程是，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。咱们讲进程切换的时候说过，中断返回的那一刻是进程切换的时机。不知道你还记不记得，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。

职责：
1. 因为块设备类型非常多，而 Linux 操作系统里面一切是文件。我们也不想文件系统以下，就直接对接各种各样的块设备驱动程序，这样会使得文件系统的复杂度非常高。

职责：
1. 到通用设备层，我们只是对linux内核来说，屏蔽了设备的区别，但是对linux系统的使用者来说，目前还无法操作硬件
2. 这里我们就需要把文件系统当做是对用户态的封装接口
文件系统对设备的管理方式：
1. 特殊的文件系统：devtmpfs 建立与某个设备驱动程序的连接
  1. 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。
  2. 这个设备特殊文件_dev_sdb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。
2. 特殊的文件系统：sysfs 管理设备
  1. 管理设备的文件系统，也就是 /sys 路径下面的 sysfs 文件系统。它把实际连接到系统上的设备和总线组成了一个分层的文件系统。这个文件系统是当前系统上实际的设备数的真实反映。
  2. 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。