深入理解驱动程序.pdf

深入理解驱动程序 一直以来，发现很多搞上层软件的朋友没有时间了解 CPU、编 译 器、操作系统等底层技术，偶恰好在计算机微体系结构与集成电路 实验 室，有幸接触到这些底层的东东，所以想写一些自己以前学这些 东东的 感想，以消除对底层技术不熟悉的朋友对底层技术的神秘感， 同时想和 搞底层技术的朋友切磋切磋， 共同提高。当然偶所谈的内容 都不是先进 或深奥的，而是最直观和最容易理解的，偶所写的文章不 是阐述各个专 题的专著，而是入门读物，希望读者读完偶的文章后具 有读懂各个专题 专著的能力。 闲话少说，让我们切入正题。我们从驱动程序出发，慢慢讲 解 计算机的各个部分是如何各自为政， 而又互相协作，从而完全各种 复杂 功能的。本文的题目虽然叫《深入理解驱动程序》，但其实 文不 对题” 本文不具体阐述如何编写驱动程序，而是从体系结构的观点 着手，力争 用通俗易懂的语言阐述各种外设的共同特点， 使读者具备 举一反三、融会贯通、驾驭各种外设的能力。另外，笔者喜欢从不同 的 角度分析同一个问题，所以行文中难免出现重复的内容，累赘的阐 述， 笔者正是希望通过这种重复和累赘来加深读者对所述内容的理 解。计算 机发展到今天，其外设早已是五花八门，象硬盘、软盘、光 盘、U盘、 鼠标、键盘、声卡、网卡、SD卡、手柄等等，真是层出 不穷。五花八 门的外设给我们带来便利的同时也带来了许多问题， 比 如：主板上的接口个数有限，怎样保证各种离奇古怪的外设能连接主 板 并跟主机通信？怎样保证 CPU能一个不漏地控制外设工作？ CPU能够 控制什么样的外设？ CPU对外设的控制能达到什么程度？怎样 保证CPU不会误操作外设？怎样保证外设之间不会 打架”互相干 扰？ 外设怎样向CPU报告处理结果？多个进程怎样共享外设？高级 语言怎 样支持驱动程序的编写？外设怎样给 CPU提供配置信息等 等，这些问题是否让各位看官头大了？不要紧张，且听我慢慢道来。 首先，讲讲外设的基本构成。每个外设都有一个控制器，这个控 制 器是数字电路，控制器里有一些叫 寄存器”的存储单元，这些东东 的物 理结构跟内存单元不一样，但作用跟内存单元一样，都能保存信 息。寄 存器各有各的作用，比如：软驱、硬盘上有保存磁头号、磁道 号、扇区 号等参数的寄存器，这些寄存器的值告诉硬盘这次读磁盘操 作要读的是 哪个盘面哪个磁道哪个扇区的数据。根据寄存器的作用， 可将寄存器分 为两类，分别叫控制寄存器和状态寄存器。 控制寄存器 用来告诉外设： CPU要求它干什么活以及它干活时需要的参数；状 态寄存器用于外设向 CPU报告外设目前的状态，比如，外设目前在 干什么活，在干活的过程 中是否发生了错误， 外设是否还有能力接受 新任务等等，状态寄存器没 有能力主动告诉 CPU外设当前的状态， 而是被动地等待着CPU来取状 态信息，CPU把状态寄存器的值读出 来就能知道外设当前的工作状态。 当然，外设也有主动报告 CPU的 能力一一中断。寄存器有的是只写的，有的是只读的，还有的是可读 可 写的。一般而言，控制寄存器是只写或可读可写的，状态寄存器是 只读 的。除了控制器外，大多数外设还有一个用来具体干活的模拟电 路，如 硬盘有控制磁头移动、盘片转动的模拟电路，打印机有控制打 印纸滚动，控制喷墨或打印针击打打印纸的模拟电路， MP3有数模 转换器和功率放大器等等。控制器和模拟电路通常是集成在一块芯片 里，这种集成电路叫数模混合电路。数模混合电路是目前 IT领域颇 具挑战性的技术之一，如果某天你能设计数模混合电路了， 那么恭喜 你，这辈子你再也不用愁吃穿住行了！当然，也有纯数字电路的外设， 如DMA控制器。以前的外设由于技术不成熟，其控制器、模拟电路、 电机等部件是分离的，现在大多数外设把控制器、模拟电路及电机、 盘 片（如果有的话）等等各个部件集成在一起，如硬盘。有的外设只 是把 控制器、模拟电路及电机集成在一起，盘片是可移动的，如光驱、 软 驱。这种把控制器、模拟电路及电机等部件集成在