I/O体系结构

本帖最后由东吴于 2024-10-7 15:00 编辑

一、I/O体系结构

与外设的通信通常称之为输入输出，一般缩写为I/O。在实现外设的I/O时。内核必须处理3个可能出现的问题：

必须根据具体的设备类型和模型，使用各种方法对硬件寻址。

内核必须向用户应用程序和系统工具提供访问各种设备的方法。但凡有可能，都应当采用统一的方案，确保程序设计的工作量不会过多，同时保证应用程序能够在不考虑特定硬件方法的情况下进行互操作。

用户空间需要知道内核中有哪些设备可用。

外设寻址的分层模型

硬件设备可能以多种方式连接到系统，主板上的扩展槽或外部连接器最常见的方法，当然，扩展硬件也可以直接集成到主板上。

1、系统总线

所有计算机都拥有一条系统总线，连接大部分内部硬件设备。总线负责设备与CPU之间及各个设备之间的通信。如PCI、ISA、SBus、IEEE394、SCSI、USB、并口与串口为代表性的总线。

2、与外设交互

与外设通信的方法，有几种方法可以与连接到系统的硬件通信

2.1 I/O端口

每个连接到 I/O 总线上的设备都有自己的 I/O 地址集，通常称为 I/O 端口。使用IA-32（英特尔32位架构）和很多其它体系结构都有I/O端口，在这种情况下，内核发送数据给I/O控制器。数据的目标设备通过唯一的端口号标识，数据被传输到设备进行处理。处理器管理一个独立的虚拟地址空间，可以用于管理所有I/O地址。I/O地址空间不关联到普通的系统内核。因为端口也可以映射到内存中，会引起混淆。在IA-32体系结构上，端口地址空间由2的16次方（64000）个不同8位地址组成，通过0x0到0xFFFF之间的数字唯一的标识。

2.2 I/O内存映射

程序员必须寻址很多设备，与内存的处理方式类似。因此现在处理器提供对I/O端口进行内存映射，将特殊外设的端口地址映射到普通内存中。

2.3 轮询和中断

轮询(polling)策略：只需要重复询问设备数据是否可用，如果可用，则处理器取回数据。CPU 轮询设备的状态寄存器，直到寄存器的值表明 I/O 操作已经完成。

中断策略：每个CPU都提供中断线，可由各个系统设备共享，每个中断通过唯一号码标识，内核对使用的每个中断提供一个服务例程。当 I/O 控制器能够通过 IRQ 线发出 I/O 操作结束的信号，中断模式才能被使用。

3、通过总线控制设备

并非所有设备都是直接通过I/O语句寻址，也有通过总线系统访问的。具体的方式与所使用的总线和设备相关。并非所有设备类别都可以连接到所有总线系统（比如：将硬盘CD记录机连接到SCSI接口，但图形卡就行）。

二、访问设备

设备特殊文件（设备文件）用于访问扩展设备。这些文件并不关联到硬盘或任何其他的存储介质上的数据段，而是建立了与某个设备驱动程序的连接，以支持与扩展设备的通信。就应用程序而言，普通文件和设备文件的处理有一定差别。二者都是可以通过同样的库函数处理。

1、字符设备、块设备和其它设备

根据外设与系统之间交换数据的方法，可以将设备分为几种类别。有些设备非常适合于面向字符的数据交换，因为数据传输量很低。其他的设备则更适合于处理包含固定数目字节的数据块。内核会区分字符设备和块设备。

标识设备文件（查询：uisrc@ubuntu:~$ ls -l /dev）

1.1 /dev目录下一些成员，特别在访问权限上面，访问之前的字母是b或c,分别代表块设备和字符设备；设备文件没有文件长度，而增加另外俩个值，分别是主设备号和从设备号。

查询/dev目录中与sda硬盘有关的其他设备文

1.2 /dev/had，/dev/hdb，/dev/sda，/dev/sdb：hda(一般指IDE接口有硬盘，sda一般指sata接口硬盘)

动态创建设备文件

/dev中的设备结点一般是在基于磁盘的文件系统中静态创建的。随着支持设备越来越多，必须安置和管理越来越多的项，典型发布版大约包含20000项。几乎所有的发布版都将/dev内容的管理工作切换到udevd，这是一个守护进程，允许从用户层动态创建设备文件。

udevd基本思想，即使从用户层管理设备文件，内核的支持也是绝对必须的，否则就无法判断系统上有哪些设备可用。

1.3 热插拔消息：新设备

每当内核检测到一个设备时，都会创建一个内核对象kobject。该对象借助于sysfs文件系统导出到用户层，内核还向用户空间发送一个热插拔消息。

1.4 网卡及其它设备

字符设备和块设备不是内核管理的全部设备类别。网卡在内核中具有特殊地位，它无法融入到分类方案当中，网卡没有设备文件。相反，用户程序必须使用套接字与网卡通信。套接字就是一个抽象层，对所有网卡提供一个抽象视图。标准库的网络相关函数调用socketcall系统调用与内核通信交互。进而访问网卡。

1.5 字符设备与块设备

字符设备:提供连续的数据流，应用程序可以顺序读取，通常不支持随机存取，相反，此类设备支持字节/字符读取。比如：调度解调器是典型的字符设备。

块设备：应用可以随机访问设备数据，程序可自行确定读取数据的位置。比如：硬盘是块设备，应用程序可以寻址硬盘上的任何位置，并由此读取数据。

1.6 设备驱动程序

用于与系统连接的输入/输出装置通信，如硬盘、软驱、各种接口、声卡等。设备驱动程序的任务在于支持应用程序经由设备文件与设备通信，使得能够按照适当的方式在设备上读取/写入数据。

1.7 设备号

设备号，就是系统分配一个编号，设备号是一个无符号的32位整型，包括主设备号+次设备号，主设备号为高12位，次设备号为低20位。

设备文件需要设备号才能够创建，设备驱动也需要设备号才载装载，设备文件正是通过主设备号找到它的驱动；设备驱动是利用次设备号才知道它要操作的具体是哪个设备。

2、字符设备

2.1 设备号

主设备号是用来标识与设备文件相连的驱动程序，主设备号用来反映设备类型；次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，并区分同类型的设备。

2.2 字符设备管理框架

2.3 字符设备数据结构

Linux内核中，使用struct dev结构体来描述一个字符设备

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