【操作系统】设备驱动

article/2025/11/8 2:19:46

本文为学习李治军老师《操作系统原理、实现与实践》第八章的总结，主要讲述显示器、键盘设备驱动。

参考资料：

哈工大李治军老师操作系统mooc视频；
实践项目解析。

第八章设备驱动

设备驱动的基本原理

外设工作原理
- 从CPU开始：CPU发送命令（给外设中的寄存器），最终表现为执行指令“out ax, 端口号”；
- 从外设开始：外设在工作完成后或出现状态变化时产生中断，CPU 通过中断处理程序完成后续工作；
文件视图
- 不论什么样的外设，操作系统都将其统一抽象成一个文件，程序员通过文件接口open, read, write, close来使用外设；
- 不同的设备对应不同的设备文件：/dev/xxx；
- 上层用户使用外设的基本结构：
```
int fd = open(“/dev/xxx”);//打开外设文件
for (int i = 0; i < 10; i++) {
write(fd,i,sizeof(int));//向外设文件写入
}
close(fd);//关闭外设文件
```
补充：设备文件（参考IO设备）
- 操作系统把一切外设都映射为文件，被称作设备文件(如磁盘文件)，常见的设备文件又分为三种：
  1.字符设备如键盘，鼠标，串口等(以字节为单位顺序访问)；
  
  2.块设备如磁盘驱动器，磁带驱动器，光驱等(均匀的数据库访问)；
  
  3.网络设备如以太网，无线，蓝牙等(格式化报文交换)；

显示器的驱动

显示器和键盘构成了终端设备 dev/tty，显示器只写，键盘只读；

以printf为例：

printf()调用系统调用write(1, buf, count)；

write 的内核实现是 sys_write：找到所写文件的属性，根据设备文件中存放的设备属性信息分支到相应的操作命令；

分支1：根据文件属性（是否是字符设备）；

//在linux/fs/read_write.c中
int sys_write(unsigned int fd, char *buf,int cnt)
{ inode = file->f_inode;if(S_ISCHR(inode->i_mode))return rw_char(WRITE,inode->i_zone[0], buf,cnt); ...

分支2：在rw_char中根据不同的读写函数：

//在linux/fs/char_dev.c中
int rw_char(int rw, int dev, char *buf, int cnt)
{ 
//以主设备号MAJOR(dev)为索引从函数表crw_table中找到和终端设备对应的读写函数rw_ttyx并调用crw_ptr call_addr=crw_table[MAJOR(dev)];call_addr(rw, dev, buf, cnt); ...
}

分支3：根据读/写操作：

//根据是设备读操作还是设备写操作调用相应的函数
static int rw_ttyx(int rw, unsigned minor, char *buf, int count)
{ return ((rw==READ)? tty_read(minor,buf): tty_write(minor,buf));
}

printf是输出所以调用tty_write(minor,buf)实现输出：先将内容写到缓冲区里，由操作系统统一将队列中的内容输出到显示器上，如果缓冲区已满，就睡眠等待；
```
在linux/kernel/tty_io.c中
int tty_write(unsigned channel,char *buf,int nr)
{ struct tty_struct *tty;tty=channel+tty_table;sleep_if_full(&tty->write_q); //输出就是放入队列...
}
```

如果输出完成或写队列满

int tty_write(unsigned channel,char *buf,int nr)
{ ...tty->write(tty);//用tty中write函数指针来进行真实的显示器输出
}

最终调用con_write向终端写数据，核心代码为：
```
mov c, al
mov attr, ah
mov ax, [pos] ;显存和内存独立编址用out，显存和内存混合编址用mov
```
其中pos为开机后当前光标所在的显存地址；

printf()输出函数的完整文件视图路线
- printf -> write -> sys_write -> rw_char -> rw_ttyx ->tty_write -> write_q -> con_write -> “mov ax, [pos]”

键盘的驱动

从键盘中断开始
- 设置键盘中断号，按下键盘会产生 0x21 号中断，执行keyboard_interrupt中的inb $0x60,%al；
```
void con_init(void) //应为键盘也是console的一部分
{ set_trap_gate(0x21, &keyboard_interrupt); }//在kernel/chr_drv/keyboard.S中
.globl _keyboard_interrupt
_keyboard_interrupt:
inb $0x60,%al //从端口0x60读扫描码
call key_table(,%eax,4) //根据扫描码调用不同处理函数key_table()来处理各个按键
... 
push $0 
call _do_tty_interrupt
```
  - key_table是一个函数数组，在其中调用do_self()函数处理显示字符，其他特殊按键由func 等其他函数来处理；
- do_self函数
  - 从键盘对应的ASCII码表（key_map中以当前案件的扫描码为索引找到当前案件的ASCII码）；
  - 找到 tty 结构体中的 read_q 队列，键盘和显示器使用同一个 tty 结构体 tty_table[0]，只是键盘使用的读队列，而显示器使用的写队列；
  - 将 ASCII 码放到缓冲队列 read_q 中；
- 字符回显，先调用 do_tty_interrupt 返回文件视图（与显示器输出中将字符先放在缓冲队列 write_q 中再显示到屏幕上同理）
```
void do_tty_interrupt(int tty) {copy_to_cooked(tty_table + tty);
}
void copy_to_cooked(struct tty_struct *tty) {GETCH(tty->read_q, c);PUTCH(c, tty->secondary);...wake_up(...)；
}
```
- copy_to_cooked从read_q中取出字符并放在tty->secondary队列中，唤醒等待在该队列中的进程；
- 对于键盘，用户发起的文件操作是scanf，scanf调用sys_read，根据printf类似的分支，最终调用tty_read；
- tty_read：一旦tty->secondary有内容了，scanf会将队列中的字符诸葛取出来并复制到用户内存，从设备开始的路线最后回到了文件操作scanf；
键盘操作的完整文件视图：
- keyboard_interrupt -> inb 0x60, al -> do_self -> read_q -> copy_to_cooked -> secondary -> wake_up -> tty_read -> rw_char ->sys_read ->read ->scanf；