Linux输入与输出设备的管理

计算机系统中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。这些控制器就像代理商一样，它们知道如何应对硬盘、鼠标、键盘、显示器的行为。

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。这就相当于你和代理商的标准产品交付。

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。

CPU 如何同控制器的寄存器和数据缓冲区进行通信呢？

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。区域 ioremap，就是做这个的。

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。第一种方式就是轮询等待，就是一直查，一直查，直到完成。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。

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。

有的设备需要读取或者写入大量数据。如果所有过程都让 CPU 协调的话，就需要占用 CPU 大量的时间，比方说，磁盘就是这样的。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。实现 DMA 机制需要有个 DMA 控制器帮你的 CPU 来做协调。

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。

设备控制器不属于操作系统的一部分，但是设备驱动程序属于操作系统的一部分。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，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。

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。

中断处理一般流程是，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。中断返回的那一刻是进程切换的时机。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。

对于设备文件， ls -l 在 /dev 下面执行的时候，首先是第一位字符。如果是字符设备文件，则以 c 开头，如果是块设备文件，则以 b 开头。其次是这里面的两个号，一个是主设备号，一个是次设备号。主设备号定位设备驱动程序，次设备号作为参数传给启动程序，选择相应的单元。

在 Linux 上面，如果一个新的设备从来没有加载过驱动，也需要安装驱动。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。可以用命令 lsmod，查看有没有加载过相应的内核模块。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。

一旦有了驱动，我们就可以通过命令 mknod 在 /dev 文件夹下面创建设备文件。

mknod filename type major minor

其中 filename 就是 /dev 下面的设备名称，type 就是 c 为字符设备，b 为块设备，major 就是主设备号，minor 就是次设备号。一旦执行了这个命令，新创建的设备文件就和上面加载过的驱动关联起来，这个时候就可以通过操作设备文件来操作驱动程序，从而操作设备。

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。

有了文件系统接口之后，我们不但可以通过文件系统的命令行操作设备，也可以通过程序，调用 read、write 函数，像读写文件一样操作设备。但是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。