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3. 设备

CPU执行指令除了访问内存之外还要访问很多设备(Device),如键盘、鼠标、硬盘、显示器等,那么它们和CPU之间如何连接呢?如下图所示。

图 17.4. 设备

设备

有些设备像内存芯片一样连接到处理器的地址总线和数据总线,正因为地址线和数据线上可以挂多个设备和内存芯片所以才叫“总线”,但不同的设备和内存芯片应该占不同的地址范围。访问这种设备就像访问内存一样,按地址读写即可,但和访问内存不同的是,往一个地址写数据只是给设备发一个命令,数据不一定要保存,而从一个地址读数据也不一定是读先前保存在这个地址的数据,而是得到设备的当前状态。设备中可供读写访问的单元通常称为设备寄存器(注意和CPU寄存器不是一回事),操作设备的过程就是读写这些设备寄存器的过程,比如向串口发送寄存器里写数据,串口设备就会把数据发送出去,读串口接收寄存器的值,就可以读取串口设备接收到的数据。

还有一些设备集成在处理器芯片中。在上图中,从CPU核引出的地址和数据总线有一端经总线接口引出到芯片引脚上了,还有一端没有引出,而是接到芯片内部集成的设备上,无论是在CPU外部接总线的设备还是在CPU内部接总线的设备都有各自的地址范围,都可以像访问内存一样访问,很多体系结构(比如ARM)采用这种方式操作设备,称为内存映射I/O(Memory-mapped I/O)。但是x86比较特殊,x86对于设备有独立的端口地址空间,CPU核需要引出额外的地址线来连接片内设备(和访问内存所用的地址线不同),访问设备寄存器时用特殊的in/out指令,而不是和访问内存用同样的指令,这种方式称为端口I/O(Port I/O)。

从CPU的角度来看,访问设备只有内存映射I/O和端口I/O两种,要么像内存一样访问,要么用一种专用的指令访问。其实访问设备是相当复杂的,计算机的设备五花八门,各种设备的性能要求都不一样,有的要求带宽大,有的要求响应快,有的要求热插拔,于是出现了各种适应不同要求的设备总线,比如PCI、AGP、USB、1394、SATA等等,这些设备总线并不直接和CPU相连,CPU通过内存映射I/O或端口I/O访问相应的总线控制器,通过总线控制器再去访问挂在总线上的设备。所以上图中标有“设备”的框可能是实际的设备,也可能是设备总线的控制器。

在x86平台上,硬盘是挂在IDE、SATA或SCSI总线上的设备,保存在硬盘上的程序是不能被CPU直接取指令执行的,操作系统在执行程序时会把它从硬盘拷贝到内存,这样CPU才能取指令执行,这个过程称为加载(Load)。程序加载到内存之后,成为操作系统调度执行的一个任务,就称为进程(Process)。进程和程序不是一一对应的。一个程序可以多次加载到内存,成为同时运行的多个进程,例如可以同时开多个终端窗口,每个窗口都运行一个Shell进程,而它们对应的程序都是磁盘上的/bin/bash文件。

操作系统(Operating System)本身也是一段保存在磁盘上的程序,计算机在启动时执行一段固定的启动代码(称为Bootloader)首先把操作系统从磁盘加载到内存,然后执行操作系统中的代码把用户需要的其它程序加载到内存。操作系统和其它用户程序的不同之处在于:操作系统是常驻内存的,而其它用户程序则不一定,用户需要运行哪个程序,操作系统就把它加载到内存,用户不需要哪个程序,操作系统就把它终止掉,释放它所占的内存。操作系统最核心的功能是管理进程调度、管理内存的分配使用和管理各种设备,做这些工作的程序称为内核(Kernel),在我的系统上内核程序是/boot/vmlinuz-2.6.28-13-generic文件,它在计算机启动时加载到内存并常驻内存。广义上操作系统的概念还包括一些必不可少的用户程序,比如Shell是每个Linux系统必不可少的,而Office办公套件则是可有可无的,所以前者也属于广义上操作系统的范畴,而后者属于应用软件。

访问设备还有一点和访问内存不同。内存只是保存数据而不会产生新的数据,如果CPU不去读它,它也不需要主动提供数据给CPU,所以内存总是被动地等待被读或者被写。而设备往往会自己产生数据,并且需要主动通知CPU来读这些数据,例如敲键盘产生一个输入字符,用户希望计算机马上响应自己的输入,这就要求键盘设备主动通知CPU来读这个字符并做相应处理,给用户响应。这是由中断(Interrupt)机制实现的,每个设备都有一条中断线,通过中断控制器连接到CPU,当设备需要主动通知CPU时就引发一个中断信号,CPU正在执行的指令将被打断,程序计数器会指向某个固定的地址(这个地址由体系结构定义),于是CPU从这个地址开始取指令(或者说跳转到这个地址),执行中断服务程序(ISR,Interrupt Service Routine),完成中断处理之后再返回先前被打断的地方执行后续指令。比如某种体系结构规定发生中断时跳转到地址0x00000010执行,那么就要事先把一段ISR程序加载到这个地址,ISR程序是内核代码的一部分,在这段代码中首先判断是哪个设备引发了中断,然后调用该设备的中断处理函数做进一步处理。

由于各种设备的操作方法各不相同,每种设备都需要专门的设备驱动程序(Device Driver),一个操作系统为了支持广泛的设备就需要有大量的设备驱动程序,事实上Linux内核源代码中绝大部分是设备驱动程序。设备驱动程序通常是内核里的一组函数,通过读写设备寄存器实现对设备的初始化、读、写等操作,有些设备还要提供一个中断处理函数供ISR调用。


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