浅记计算机系统中的外设与驱动程序
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发布时间：2024-12-20 06:25
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时间：2024-12-20 13:34
计算机系统中的外设与驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁。本文将通过南京大学蒋炎岩老师2022年操作系统课程中的Lec24、Lec25，以及相关书籍《深入理解计算机系统》、《现代操作系统原理与实现》的内容，来浅述计算机系统中的外设与驱动程序。
计算机中的I/O设备包括状态寄存器、命令寄存器、数据寄存器，以及用于实现特定功能的微处理器、存储器，和不同类型的设备特有硬件。总线是一种特殊的I/O设备，它允许CPU通过与总线连接，进而通过总线与外部设备通信，减少了CPU直接连接每个外部设备的需求。早期计算机中，CPU除了连接总线，还连接中断控制器，用于管理中断源。现代计算机中，通常采用两种高级中断控制器进行中断管理。
DMA（Direct Memory Access）是一种特殊I/O设备，它通过增加一个CPU来加速大规模数据的传输，专门执行如memcpy这样的数据拷贝任务。在大规模数据传输时，CPU通过DMA将数据从内存传输到磁盘，提高了效率。
GPU（Graphics Processing Unit）是另一种特殊设备，用于处理图形渲染任务，比CPU快得多。红白机中的PPU（Picture Processing Unit）类似于现代GPU，专门负责图像绘制任务，通过快速执行绘图指令，实现高刷新率的画面显示。
随着计算机体系结构的发展，多核处理器和异构计算成为趋势。现代计算机系统中，CPU、GPU、NPU（Neural Processing Unit）等处理器集成在同一芯片上，选择能效比最高的处理器执行计算任务，实现异构计算。
设备驱动程序的作用在于抽象设备功能，为应用程序提供统一的API接口，屏蔽复杂的硬件细节。在Unix/Linux系统中，外部设备分为字符设备和块设备两类，设备驱动程序实现read、write、ioctl等抽象操作，使应用程序能够通过这些操作与设备进行交互。
在Linux中，设备驱动程序通常以动态链接库（.ko文件）的形式存在，通过module_init和module_exit宏实现模块的初始化和卸载。Linux的文件系统允许通过file_operations结构体注册设备驱动程序，以便系统调用读写设备时，执行驱动程序中注册的相应函数。
工业界中的驱动程序通常注册更多与特定功能相关的函数，如更详细的ioctl处理，以及针对不同系统架构的优化，如unlocked_ioctl和compact_ioctl。通过合理设计和实现驱动程序，可以提高硬件设备在操作系统中的性能和可靠性。
