本文主要是介绍操作系统理论 第六章（输入输出系统）—第四节（设备驱动程序），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
写在前面：
- 本系列笔记主要以《计算机操作系统（汤小丹…）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。
- 视频链接：操作系统（汤小丹等第四版）_哔哩哔哩_bilibili
一、概述
1、设备驱动程序的功能
（1）接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为与设备相关的低层操作序列。
（2）检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式。
（3）发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作，如果设备忙碌，则将请求者的请求块挂在设备队列上等待。
（4）及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。
（5）对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I/O请求自动地构成通道程序。
2、设备驱动程序的特点
（1）驱动程序是实现在与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序，具体地说，它将抽象的I/O请求转换成具体的I/O操作后传送给控制器，又把控制器中所记录的设备状态和I/O操作完成情况及时地反映给请求I/O的进程。
（2）驱动程序与设备控制器以及I/O设备的硬件特性紧密相关，对于不同类型的设备应配置不同的驱动程序，但可以为相同的多个终端设置一个终端驱动程序。
（3）驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关，常用的I/O控制方式是中断驱动和DMA方式。
（4）由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言书写，目前有很多驱动程序的基本部分已经固化在ROM中。
（5）驱动程序应允许可重入。一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用，不过驱动程序不允许系统调用。
3、设备处理方式
（1）为每一类设备设置一个进程专门用于执行这类设备的I/O操作，比如为所有的交互式终端设置一个交互式终端进程，又如为同一类型的打印机设置一个打印进程，这种方式比较适合于较大的系统。
（2）在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作，也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作。
（3）不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用，这种方式目前（2022年）用得较多。
二、设备驱动程序的处理过程
1、将抽象要求转换为具体要求
通常在每个设备控制器中都含有若干个寄存器，分别用于暂存命令、参数和数据等。由于用户及上层软件对设备控制器的具体情况毫无了解因而只能发出命令（抽象的要求），这些命令是无法传送给设备控制器的，因此需要将这些抽象要求转换为具体要求，而这一转换工作只能由驱动程序来完成，因为在OS中只有驱动程序才同时了解抽象要求和设备控制器中的寄存器情况，也只有它才知道命令、数据和参数应分别送往爱个寄存器。
2、对服务请求进行校验
驱动程序在启动I/O设备之前，必须先检查该用户的I/O请求是不是该设备能够执行的。如果驱动程序能检查出这类错误，便认为这次I/O请求非法，它将向I/O系统报告I/O请求出错，I/O系统可以根据具体情况做出不同的决定，如可以停止请求进程的运行或者仅通知请求进程它的I/O请求有错，但仍然让它继续运行。
3、检查设备的状态
启动某个设备进行I/O操作，其前提条件应是该设备正处于就绪状态，为此需在每个设备控制器中都配置一个状态寄存器。驱动程序在启动设备之前，要先把状态寄存器中的内容读入到CPU的某个寄存器中，通过测试寄存器中的不同位，来了解设备的状态，仅当它处于接收就绪状态时，才能启动其设备控制器，否则只能等待。
4、传送必要的参数
在确定设备处于接收（发送）就绪状态后，便可向控制器的相应寄存器传送数据及与控制本次数据传输有关的参数。例如，在某种设备控制器中配置了两个控制寄存器，其中一个是命令寄存器，用于存放处理机发来的各种控制命令，以决定本次I/O操作是接收数据还是发送数据等；另一个是方式寄存器，它用于控制本次传送数据的速率、发送的字符长度等。
5、启动I/O设备
在完成上述各项准备工作后，驱动程序便可以向控制器中的命令寄存器传送相应的控制命令。对于字符设备，若发出的是写命令，驱动程序便把一个字符（或字）传送给控制器，若发出的是读命令，则驱动程序等待接收数据，并通过读入控制器的状态寄存器中状态字的方法来确定数据是否到达。
在多道程序系统中，驱动程序一旦发出I/O命令启动了一个I/O操作后，驱动程序便把控制返回给I/O系统，把自己阻塞起来，直到中断到来时再被唤醒。具体的I/O操作是在设备控制器的控制下进行的，因此，在设备忙于传送数据时，处理机又可以去干其它的事情，实现了处理机与I/O设备的并行操作。
三、对I/O设备的控制方式
1、使用轮询的可编程I/O方式
（1）处理机对I/O设备的控制采取程序I/O方式，或称为忙—等待方式，即在处理机向控制器发送一条I/O指令启动输入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志置为1，然后便不断测试标志，当其为1时，表示输入机尚未输完一个字，处理机应继续对该标志测试，直到它为0，表明数据已输入到控制器的数据寄存器中，于是处理机将数据取出送入内存单元，便完成了一个字的I/O 。
（2）在程序I/O方式中，CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成对CPU的极大浪费。
2、使用中断的可编程I/O方式
（1）当某进程要启动某个I/O设备时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务，设备控制器于是按照命令的要求去控制指定I/O设备，这时CPU与I/O设备并行操作。
（2）中断驱动方式在I/O设备输入数据的过程中无需CPU干预，而是当I/O设备准备就绪时“主动”通知CPU，才需CPU花费极短的时间去进行中断处理，从而大大地提高了整个系统的资源利用率及吞吐量，特别是CPU的利用率。
（3）例如，在输入时，当设备控制器收到CPU发来的读命令后，便去控制相应的输入设备读数据，一旦数据进入数据寄存器，控制器便通过控制线向CPU发送一中断信号，由CPU检查输入过程中是否出错，若无错便向控制器发送取走数据的信号，然后再通过控制器及数据线，将数据写入内存指定单元中。
3、直接存储器访问方式
（1）虽然中断方式比程序I/O方式更有效，但它仍是以字（节）为单位进行I/O的，每当完成一个字（节）的I/O时，控制器便要请求一次中断，这是极其低效的，由此便引入了直接存储器访问方式（DMA方式），DMA方式成百倍地减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。
（2）直接存储器访问方式的特点是：
①数据传输的基本单位是数据块。
②所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反。
③仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
（3）DMA控制器的组成：
①命令/状态寄存器CR：用于接收从CPU发来的I/O命令，或有关控制信息，或设备的状态。
②内存地址寄存器MAR：在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。
③数据寄存器DR：用于暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
④数据计数器 DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。
（4）DMA工作过程：
①当CPU要从磁盘读入一数据块时，便向磁盘控制器发送一条读命令，该命令被送入命令寄存器CR中，同时需要将本次要读入数据在内存的起始目标地址送入内存地址寄存器MAR中，将要读数据的字（节）数送入数据计数器DC中，还须将磁盘中的源地址直接送至DMA控制器的I/O控制逻辑上。
②然后，启动 DMA 控制器进行数据传送，接着CPU便可去处理其它任务，整个数据传送过程由DMA控制器进行控制。
③当DMA控制器已从磁盘中读入一个字（节）的数据，并送入数据寄存器DR后，再挪用一个存储器周期，将该字（节）传送到 MAR所指示的内存单元中，然后便对MAR内容加1，将DC内容减1，若减1后DC内容不为0，表示传送未完，便继续传送下一个字（节），否则，由DMA控制器发出中断请求。
4、I/O通道控制方式
（1）I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读（或写）为单位的干预，减少为对一组数据块的读（或写）及有关的控制和管理为单位的干预，同时又可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。
（2）通道是通过执行通道程序并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的。通道程序是由一系列通道指令（或称为通道命令）所构成的。通道指令与一般的机器指令不同，在它的
每条指令中都包含下列诸信息：
①操作码：它规定了指令所执行的操作，如读、写、控制等操作。
②内存地址：标明字符送入内存（读操作）和从内存取出（写操作）时的内存首址。
③计数：表示本条指令所要读（或写）数据的字节数。
④通道程序结束位P：用于表示通道程序是否结束，P=1表示本条指令是通道程序的最后一条指令。
⑤记录结束标志R：R=0表示本通道指令与下一条指令所处理的数据是同属于一个记录，R=1表示这是处理某记录的最后一条指令。
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