如何理解操作系统中的设备控制与设备驱动程序？

发布时间：2024-11-21 22:22

如何安装驱动程序：设备管理器中找到需要更新的设备，点击更新驱动 #生活常识# #日常生活技巧# #基础电脑操作#

设备控制器

为了屏蔽设备之间的差异，每个设备都有一个叫设备控制器 的组件，比如硬盘有硬盘控制器、显示器有视频控制器等。

设备控制器里有芯片，它可执行自己的逻辑，也有自己的寄存器，用来与 CPU 进行通信，比如：

通过写入这些寄存器，操作系统可以命令设备发送数据、接收数据、开启或关闭，或者执行某些其他操作。

通过读取这些寄存器，操作系统可以了解设备的状态，是否准备好接收一个新的命令等。

实际上，控制器是有三类寄存器，它们分别是状态寄存器、 命令寄存器以及数据寄存器，如下图：

这三个寄存器的作用：

数据寄存器，存放CPU 向 I/O 设备写入需要传输的数据

命令寄存器，发送命令告知I/O设备进行输入/输出操作，任务完成后，会把状态寄存器里面的状态标记为完成。

状态寄存器，表示当前工作状态，如果已经在工作状态，CPU 再发送数据或者命令过来，都是没有用的，直到前面的工作已经完成，状态寄存标记成已完成，CPU 才能发送下一个字符和命令。

CPU 通过读写设备控制器中的寄存器控制设备，这可比 CPU 直接控制输入输出设备，要方便和标准很多。

另外，输入输出设备可分为两大类：块设备和字符设备。

块设备，把数据存储在固定大小的块中，每个块有自己的地址，硬盘、USB 是常见的块设备。

字符设备，以字符为单位发送或接收一个字符流，字符设备是不可寻址的，也没有任何寻道操作，鼠标是常见的字符设备。

块设备通常传输的数据量会非常大，于是控制器设立了一个可读写的数据缓冲区。

CPU 写入数据到控制器的缓冲区时，当缓冲区的数据囤够了一部分，才会发给设备。

CPU 从控制器的缓冲区读取数据时，也需要缓冲区囤够了一部分，才拷贝到内存。

那 CPU 是如何与设备的控制寄存器和数据缓冲区进行通信的？存在两个方法：

端口 I/O，每个控制寄存器被分配一个 I/O 端口，可以通过特殊的汇编指令操作这些寄存器，比如 in/out 类似的指令。

内存映射 I/O，将所有控制寄存器映射到内存空间中，这样就可以像读写内存一样读写数据缓冲区

I/O 控制方式

在前面我知道，每种设备都有一个设备控制器，控制器相当于一个小 CPU，它可以自己处理一些事情，但有个问题是，当 CPU 给设备发送了一个指令，让设备控制器去读设备的数据，它读完的时候，要怎么通知 CPU 呢？

控制器的寄存器一般会有状态标记位，用来标识输入或输出操作是否完成

第一种轮询等待的方法，让 CPU 一直查寄存器的状态，直到状态标记为完成。它会占用 CPU 的全部时间。

第二种中断的方法，通知操作系统数据已经准备好了。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。但中断的方式对于频繁读写数据的磁盘，并不友好，这样 CPU 容易经常被打断，会占用 CPU 大量的时间。

第三种 DMA 的方法，它可以使得设备在 CPU 不参与的情况下，能够自行完成把设备 I/O 数据放入到内存。那要实现 DMA 功能要有「DMA 控制器」硬件的支持。 CPU 当要读取磁盘数据的时候，只需给 DMA 控制器发送指令，然后返回去做其他事情，当磁盘数据拷贝到内存后，DMA 控制机器通过中断的方式，告诉 CPU 数据已经准备好了，可以从内存读数据了。仅仅在传送开始和结束时需要 CPU 干预。