设备控制器与驱动程序
复习
- 工作集与内存抖动：程序频繁缺页时为什么会忙着换页却不再做事
- 写时复制：先共享页面，真正修改时再复制
- 内存分配与碎片：操作系统怎样切分、回收和整理内存
TL;DR
- 设备五花八门，接口、速度、控制方式全不一样
- 设备控制器：设备一侧的“处理器”，负责具体地操控硬件
- 驱动程序：内核里的一段代码，把标准请求翻译成该设备能懂的命令
- 两者配合，用统一接口把硬件差异藏起来
正文
内存这条线告一段落。接下来，程序要和外界打交道：键盘、屏幕、硬盘、网卡……可这些设备千差万别，操作系统怎么统一地“使唤”它们？
设备这一侧：控制器
先看设备本身。现代设备一般不是“裸”的，它带一个小小的设备控制器（device controller）。
- 控制器是设备一侧的“小处理器”，真正懂得怎么驱动硬件
- 键盘控制器知道怎么扫描按键，硬盘控制器知道怎么读写盘片
- CPU 并不直接和硬件的电信号打交道，而是和控制器打交道
也就是说，CPU 下达的是“给我读这个扇区”这类较高级的命令，具体怎么在盘片上找、怎么转、怎么读，由控制器自己完成。
内核这一侧：驱动程序
CPU 这一侧，也得有个“翻译”。不同控制器的寄存器、命令格式各不相同，如果每个程序都自己处理，简直就是灾难。
于是内核里为每类设备准备一段代码，叫驱动程序（device driver）：
- 它知道这个设备怎么发命令、怎么查状态、怎么取数据
- 它把内核的统一请求（比如“读”），翻译成该设备能懂的具体操作
- 对上层，它只暴露标准的接口
统一接口
有了控制器和驱动，操作系统就能对上层提供一个统一接口。程序只要调用“读”“写”“打开”这样的通用操作，不必关心底下是哪种设备：
程序：read(某个设备, 数据)
│
▼
内核统一接口
│
▼
相应设备的驱动程序 ──> 设备控制器 ──> 硬件
硬盘、键盘、网卡，在程序眼里都可以“读”和“写”，尽管它们的内部天差地别。又是加一层：用统一的抽象，罩住混乱的硬件。
那么，一次具体的读写，CPU 和控制器是怎么配合完成的？下一章，我们看三种越来越省事的配合方式。
思考题
设备控制器和驱动程序，一个在设备里，一个在内核里。为什么这个“翻译”工作要拆成两半？只留一半行不行？
小结
知识点
- 设备控制器：设备一侧操控硬件的“小处理器”
- 驱动程序：内核里翻译标准请求的代码
- 统一接口隐藏设备差异
- CPU 通过控制器与驱动访问设备
参考资料
- Wikipedia(zh)：设备控制器：device controller
- Wikipedia(zh)：驱动程序：device driver
思考题答案（仅供参考）
因为两侧关心的东西不同：控制器贴近硬件，负责时序、电气和机械细节，这些是每种硬件独有的，只能由硬件厂商来实现；驱动贴近操作系统，负责把统一的请求翻译成该控制器的命令，还得融入内核的资源管理和错误处理。如果把翻译全塞进设备，设备就得懂操作系统的内部规矩，很难通用；全塞进内核，内核又得为每种硬件写不同代码，不堪重负。分成两半，各自管好自己那一层，才能既通用又可行。
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设计师 | 南国微雪