计算机系统的输入和输出系统都有哪些呢？有键盘、鼠标、显示器、网卡、硬盘、打印机、CD/DVD 等等，多种多样。但是对于操作系统来讲，却是一件复杂的事情，因为这么多设备，形状、用法、功能都不一样，怎么才能统一管理起来呢？

可以体会到操作系统设计的思想，和网络差不多，都是分层，每一层做自己的事并且屏蔽差异。

用设备控制器屏蔽差异
计算机系统也是这样的，CPU并不直接和设备打交道，它们中间有一个叫做设备控制器(device control unit)的组件。
控制器其实有点儿像一台小电脑。它有它的芯片，类似小CPU，执行自己的逻辑。它也有自己的寄存器。CPU对于寄存器的读写，比直接控制硬件，要标准和轻松很多。这就相当于和代理商的标准产品交付

输入输出设备大致可以分为两类：块设备（Block Device）和字符设备（Character Device）。
块设备将信息存储在固定大小的块中，每个块都有自己的地址。硬盘就是常见的块设备
字符设备发送或者接收的是字节流，而不用考虑任何块结构，没有办法寻址。鼠标就是常见的字符设备
由于块设备传输的数据量比较大，控制器里面往往会有缓冲区。CPU写入缓冲区的数据攒够一部分，才会发给设备。CPU读取的数据，也需要在缓冲区攒够一部分，才拷贝到内存。

CPU如何同控制器的寄存器和数据缓冲区进行通信呢？
每个控制寄存器被分配一个IO端口，我们可以通过特殊的汇编指令（比如in/out类似的指令）操作这些寄存器；
数据缓冲区，可内存映射IO，可以分配一段内存空间给它，就像读写内存一样读写数据缓冲区。内存空间的区域ioremap就是干这个的；

当你给设备发了一个指令，让它读取一些数据，它读完的时候，怎么通知你呢？
当设备完成任务后发中断到中断控制器，中断控制器就通知CPU，一个中断就产生了，CPU需要停下当前手中的事情来处理中断。
一种是软中断，比如代码调用INT指令触发（比如系统调用，溢出等）；一种是硬件中断，就是硬件通过中断控制器触发（IO操作完成）

DMA
有的设备需要读取或者写入大量数据。如果所有过程都让CPU协调的话，就需要占用CPU大量时间。CPU只需要对DMA控制器下指令，说它想读取多少数据，放在内存的某个地方就可以了

用驱动程序屏蔽设备控制器差异
由于每种设备的控制器的寄存器、缓冲区等使用模式、指令都不同。这里需要注意的是，设备控制器不属于操作系统的一部分，但是设备驱动程序属于操作系统的一部分；不同的设备驱动程序，可以用同样的方式接入操作系统，而操作系统的其他部分的代码，也可以无视不同设备的区别，以同样的接口调用设备驱动程序。设备驱动程序初始化的时候，要先注册一个该设备的中断处理函数。当有中断到达时，就是进程切换的时机。中断的时候，触发的函数是do_IRQ，这个函数是中断处理的统一入口。

总结：
可以看到，从设备控制器屏蔽设备的差异，设备驱动程序屏蔽设备的设备控制器的差异。驱动会注册中断处理函数，中断分为软终端和硬中断。中断过程就是CPU收到中断信号，保存上下文，进入do_IRQ，执行中断处理程序，恢复上下文，继续执行。 为了减少CPU对于中断的频繁响应，DMA可以实现自动化。

用文件系统接口屏蔽驱动程序的差异保证用户使用的接口统一

首先要统一的是设备名称。所有设备都在 /dev/ 文件夹下面创建一个特殊的设备文件。这个设备特殊文件也有 inode，但是它不关联到硬盘或任何其他存储介质上的数据，而是建立了与某个设备驱动程序的连接。

对于设备文件，ls 出来的内容和我们原来讲过的稍有不同。首先是第一位字符。如果是字符设备文件，则以 c 开头，如果是块设备文件，则以 b 开头。其次是这里面的两个号，一个是主设备号，一个是次设备号。用来定位设备驱动程序。

有了设备文件，我们就可以使用对于文件的操作命令和API来操作文件了。
如果linux操作系统新添加了一个设备，应该做哪些事情呢？
在linux上面，如果一个新的设备从来没有加载过驱动，也需要安装驱动。在linux里面，安装驱动程序，其实就是加载一个内核模块
我们可以用lsmod，查看有没有加载过相应的内核模块：
如果没有安装过相应的驱动，可以通过 insmod 安装内核模块。内核模块的后缀一般是 ko

一旦有了驱动，我们就可以通过命令 mknod 在 /dev 文件夹下面创建设备文件，就像下面这样：
mknod filename type major minor
其中 filename 就是 /dev 下面的设备名称，type 就是 c 为字符设备，b 为块设备，major 就是主设备号，minor 就是次设备号。一旦执行了这个命令，新创建的设备文件就和上面加载过的驱动关联起来，这个时候就可以操作设备文件来操作驱动程序，从而操作设备

（安装驱动，创建设备文件）

通过设备文件，建立和某个设备驱动程序的连接，从而控制设备。

字符设备输入的比如鼠标键盘，输出的比如打印机

设备驱动程序是一个内核模块。怎么构建一个内核模块呢？
第一部分，头文件部分。一般的内核模块，都需要include下面两个头文件
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
第二部分，定义一些函数，用于处理内核模块的主要逻辑。比如打开、关闭、读取、写入设备的函数或者响应中断的函数。
第三部分，定义一个file_operations函数。设备是可以通过文件系统的接口进行访问的。对于某种文件系统的操作，都是放在file_operations里面的。设备要想被文件系统的接口操作，也需要定义一个这样的结构
第四部分，定义整个模块的初始化函数和退出函数，用于加载和卸载这个ko的时候调用

打开字符设备
字符设备可不是一个普通的内核模块，它有自己独特的行为。
1.首先要加载驱动（内核模块）这个时候，先调用的就是module_init调用的初始化函数。最重要的一件事情就是，注册这个字符设备。注册的方式是调用__register_chrdev_region，注册字符设备的主次设备号和名称，cdev_add会将这个字符设备添加到内核中一个叫做struct kobj_map *cdev_map的结构，来统一管理所有字符设备。

2、内核模块加载完毕后，接下来要通过 mknod 在 /dev 下面创建一个设备文件，只有有了这个设备文件，我们才能通过文件系统的接口，对这个设备文件进行操作。mknod 也是一个系统调用。在文件系统上，顺着路径找到/dev/xxx所在的文件夹，然后为这个新创建的设备文件创建一个dentry。这是维护文件和inode之间的关联关系的结构。

3、打开字符设备。打开文件的进程的task_struct里，有一个数组代表它打开的文件，下标就是文件描述符fd，每一个打开的文件都有一个struct file结构，会指向一个dentry项。dentry可以用来关联inode。这个dentry就是上面mknod时创建的。在进程里面调用open函数，最终对调用到这个特殊的inode的open函数，也就是chrdev_open
（打开文件的操作是通用的。首先一个文件描述符，和文件结构绑定，文件结构里有一个dentry项，它会指向inode，找到文件名和inode映射。没有文件就新建，新创建文件就是调用 dir_inode，从位图中找一个空闲的分配）

写入设备驱动
先调用copy_from_user将数据从用户态拷贝到内核态的缓存中，然后调用parport_write 写入外部表设备。这里还有一个schedule 函数，也就是写入的过程中，给其他的线程抢占CPU的机会。然后，如果count还是大于0，也就是数据还没有写完，就接着 copy_from_user，接着 parport_write，直到写完为止。（跟写缓存差不多，只不过写缓存需要日志相关、映射到内核虚拟地址，脏页标记，回写等；而写设备就是先写到内核缓存，再写到设备中）

对于IO设备来讲，除了读写设备，还会调用ioctl，做一些特殊的IO操作。ioctl 也是一个系统调用。参数会传一个命令是一个int整数
它由几部分组成：
最低八位为 NR，是命令号；
然后八位是 TYPE，是类型；
然后十四位是参数的大小；
最高两位是 DIR，是方向，表示写入、读出，还是读写。
由于组成比较复杂，有一些宏是专门用于组成这个 cmd 值的。

中断处理机制
鼠标就是通过中断，把自己的位置和案件信息，传递给设备驱动程序。
其实中断的处理过程也是屏蔽差异的。
中断首先要保存现场；比如系统调用就保存在内核栈的ptg结构体中。外部中断也就是进入驱动程序的中断处理函数，也是要进入内核态，保存到ptg结构体中。
1、中断是从外部设备发起的，会形成外部中断。外部中断会到达中断控制器，中断控制器会发送中断向量Interrupt Vector给CPU

2、对于每一个CPU，都要求有一个idt_table，里面存放了不同的中断向量的处理函数。中断向量表已经填好了前32位，外加一个32位系统调用，其他都是用于设备中断。（包括系统调用和异常，是必须要处理的，在系统初始化trap_init的时候就已经写好了）

3、因为每个CPU的中断向量是局部的，需要转换成全局的。硬件中断的处理函数是 do_IRQ 进行统一处理，在这里会让中断向量，通过 vector_irq 映射为 irq_desc（irq_desc 是一个用于描述用户注册的中断处理函数的结构，为了能够根据中断向量得到 irq_desc 结构，会把这些结构放在一个基数树里面，方便查找。）

4 irq_desc 里面有一个成员是 irqaction，指向设备驱动程序里面注册的中断处理函数。

处理完成后要恢复现场。

硬中断：保存现场-转换成中断向量-转换成全局的中断向量-找到设备驱动程序里面注册的中断处理函数-恢复现场；
如果是软中断：保存现场-直接进入trap_inti中断门指定的处理函数-恢复现场。

块设备
1、注册管理。这点和字符设备差不多。都需要加载驱动，mkond注册设备文件；
2、mount挂载。devtmpfs文件系统转换为ext4文件系统；
3、在将一个硬盘的块设备 mount 成为 ext4 的时候，我们会调用 ext4_mount->mount_bdev。这点是有区别的。转变成了bdev 伪文件系统。
有点儿绕，我们再捋一下。设备文件 /dev/xxx 在 devtmpfs 文件系统中，找到 devtmpfs 文件系统中的 inode，里面有 dev_t。我们可以通过 dev_t，在伪文件系统 bdev 中找到对应的 inode，然后根据 struct bdev_inode 找到关联的 block_device。

4，在找到 block_device 之后，要调用 blkdev_get 打开这个设备。blkdev_get 会调用 __blkdev_get。
也就是说文件会有file_struct,而块设备就有*block_device。这个结构和其他几个结构有着千丝万缕的联系，比较复杂。这是因为块设备本身就比较复杂。（比如一个硬盘不同区可以分成不同的文件系统）
通过 gendisk 里面的 block_device_operations 打开设备。

struct gendisk 是用来描述整个设备的（包括主设备号，分区设备号和数目以及分区对应的操作比如文件打开）

读写块设备
如何将块设备 I/O 请求送达到外部设备。 这里涉及到了通用块设备层BIO
之前说了IO有直接和缓存的。
我们先来看第一种情况，直接 I/O 调用到 ext4_direct_IO。do_direct_IO 里面有两层循环，第一层循环是依次处理这次要写入的所有块。对于每一块，取出对应的内存中的页 page，在这一块中，有写入的起始地址 from 和终止地址 to，所以，第二层循环就是依次处理 from 到 to 的数据，调用 submit_page_section，提交到块设备层进行写入 submit_bio 。
（通过inode的特殊类型，就可以知道是普通的文件直接写还是块设备直接写了）

缓存IO读写
无论是哪种 I/O，最终都会调用 submit_bio 提交块设备 I/O 请求。

对于每一种块设备，都有一个 gendisk 表示这个设备，它有一个请求队列，这个队列是一系列的 request 对象。每个 request 对象里面包含多个 BIO 对象（通用块设备层），指向 page cache。所谓的写入块设备，I/O 就是将 page cache 里面的数据写入硬盘。
对于请求队列来讲，还有两个函数，一个函数叫 make_request_fn 函数，用于将请求放入队列。submit_bio 会调用 generic_make_request，然后调用这个函数。
另一个函数往往在设备驱动程序里实现，我们叫 request_fn 函数，它用于从队列里面取出请求来，写入外部设备。

总结一下文件系统，设备的读写区别之处
打开的区别
首先，文件的打开open，是有个task_struct结构，里面保存了fd,以及文件结构体记录文件信息的。文件结构里有一个dentry项，它会指向inode，找到文件名和inode映射（其中还有cache哈希来快速查找，lru动态淘汰）。没有文件就新建，新创建文件就是调用 dir_inode，从位图中找一个空闲的分配。

而字符设备的打开需要先注册mknod,挂载它，它会形成ext4文件系统的设备文件，其中有dentry实现名字到inode的映射。打开字符设备和打开文件一样的，用了他自己的open函数。只不过字符设备inode里面记录的是设备驱动程序的连接。目录也是文件，打开一样的。

块设备的打开就复杂一点，因为中间还涉及到一个伪文件系统。设备文件 /dev/xxx 在 devtmpfs 文件系统中，找到 devtmpfs 文件系统中的 inode，里面有 dev_t。我们可以通过 dev_t，在伪文件系统 bdev 中找到对应的 inode，然后根据 struct bdev_inode 找到关联的 block_device。块设备结构体是比较复杂的，因为它本身就复杂（比如一个硬盘不同分区可以是不同的文件系统）所以有一个gendisk来描述整个设备的（包括主设备号，分区设备号和数目以及分区对应的操作比如文件打开），通过操作gendisk的open操作来打开块设备。（）

读写的区别
共同之处都有缓存IO和直接IO。主要讨论缓存IO
读会简单一点。对于读文件来说，如果是直接IO，就跨过了缓存层，直接到了文件系统的设备驱动层。由于文件系统是块文件，所以这个调用的是blockdev相关的函数。如果是缓存IO，就会先在页缓存读，没有再放到缓存，并把内核缓存页拷贝到用户内存空间；
文件写，一个循环写所有页，循环里面先日志相关，再内核态映射，再标记脏页完成，回写；而字符设备写就是先写写到内核态映射，再写到设备中；
块设备写麻烦一点，有一个通用块设备层，找到并写缓存后，要提交IO，这里会有一个请求队列，里面是request对象，每个对象包含多个BIO请求。这里面还涉及到IO请求的调度算法比如电梯算法等。