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Linux源码阅读笔记14-IO体系结构与访问设备

news 2026/1/11 23:18:24

IO体系结构

与外设通信通常称为输入输出，一般缩写为I/O。在实现外设IO的时候，内核必须处理三个可能出现的问题：

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。

硬件设备可以以多种方式连接到主板上，主板上的扩展槽或者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。

系统总线

尽管外设的范围看上去是无线的，但是他们不直接连接到CPU，而是通过总线连接起来。总线负责设备与CPU之间及各个设备之间的通信。有代表性的总线有：

PCI（Peripheral Component Interconnect）
ISA（Industrial Standard Architecuture）
SBus
IEEE 1394
SCSI（Small Computer System Interface）
USB（Universal Serial Bus）
并口与串口（Parallel and Sreial Interface）

与外设交互

与外设通信方法，有几种方法可以与连接到系统的硬件通信

IO端口：使用IA-32和很多其他体系结构都有IO端口，在这种情况下，内核发送数据给IO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，可能用于管理所有IO地址。IO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，这样会引起混淆。在IA-32体系结构上，端口地址空间由2的16次方个不同的8位地址组成，通过0x0到0xFFFF之间的数字唯一标识。
IO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IO端口进行内存地址映射，将特殊外设的端口地址映射到普通内存中。
轮询和中断：轮询（polling）策略比较健达，只需要重复询问设备数据是否可用，如果可以则处理器取回数据；中断策略比较好，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识别，内核对使用每个中断提供一个服务例程。

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：将硬盘和CD记录机连接到SCSI接口，但图形卡就行）。

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其他任何存储介质上的数据段，而是建立了与某个设备驱动程勋的连接，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。
/dev目录下的一些成员，特别在访问权限上，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，而是增加另外两个值，分别是主设备号和次设备号。
/dev/hda，/dev/hdb，/dev/sda，/dev/sdb：hda（一般是IDE接口的硬盘，sda一般是指sata接口的硬盘）。
热插拔消息：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文件系统导出用户到用户层，内核还像用户空间发送一条热插拔消息。
网卡和其他设备：字符设备和块设备不是内核管理的全部设备类别。网卡在内核重具有特殊地位，它无法融入到分类方案当中，事实很明显：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。套接字是一个抽象层，对所有网卡提供抽象视图。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。

字符设备、块设备和其他设备

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。

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，此类设备支持按字节/字符读取。比如：调度解调器就是典型的字符设备。
块设备：应用可以随机访问设备数据，程序自行确定数据的位置。比如：硬盘就是块设备，应用程序可以寻址磁盘上的任何位置，并由此读取数据。

设备驱动程序

用于系统连接的输入/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由设备文件与设备通讯，是的能够按照适当方式在设备上读取/写入数据。

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32位整数，包括主设备号+次设备号，主设备号位高12位，次设备号位低20位。

设备文件需要设备号才能创建，设备驱动也需要设备号才能装载，设备文件是通过主设备号找到它的驱动；设备驱动利用次设备号才知道他要操作的是具体哪个设备。

设备文件查询

标识设备文件查询

ls -l /dev

查询/dev目录中与sda硬盘相关的其他设备文件：

ls -l /dev/sda*

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，内核的支持也是对必须的，否则就无法判断系统上有哪些设备可用。