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操作系统I/O与显示器---16

大忽悠爱学习

发布于 2022-08-23 02:48:58

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操作系统I/O与显示器---16

继续那台“计算机”

在学完了进程和内存管理之后，下面进入到磁盘驱动和相关IO设备驱动的章节。

让外设工作起来

计算机如何让外设工作起来呢?

每个外设，例如: 显示器有对应的显卡，显卡里面有相关的寄存器，通过往这些寄存器中设置对应的值，就可以控制该外设工作起来了。

CPU通过向外部设备对应的控制器某个寄存器中写入命令，就可以操作对应外部设备的工作了，例如: 常用的out和in指令，来控制往某个外设寄存器中写入或者读取数据。

汇编语言中断及外部设备操作篇–06

而当外部设备处理完后，通过中断方式通知CPU进行处理。

向设备控制器的寄存器写不就可以了吗?

操作系统操作外设，首先需要查寄存器地址、还需要查找对应的硬件手册，来了解相关操作命令的格式和语义。

硬件设备种类繁杂，如果直接让用户面向这些外设控制器中的寄存器来进行操作，那么显然过于麻烦，因此操作系统要给用户提供一个简单视图—文件视图，这样方便。

通过文件视图，就相当于提供了一个统一操作外设的接口，例如: 向显示器输出字符,都通过print这个接口即可，不需要管后面显示器的类型是什么。

总的来说，操作外设就是下面这三个步骤:

提供统一操作某个外设的接口
用户调用该接口,接口最终通过out指令,将操作命令发送到对应的外设寄存器中
外设通过中断，通知操作系统任务处理完毕

一段操纵外设的程序

//去打开对应的设备文件---通过统一的open接口
int fd = open(“/dev/xxx”);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
//向外设写数据----通过统一的write接口
write(fd,i,sizeof(int));
}
//关闭外设----通过统一的close接口
close(fd);

(1) 不论什么设备都是open, read, write, close

操作系统为用户提供统一的接口

(2) 不同的设备对应不同的设备文件(/dev/xxx)

根据设备文件找到控制器的地址、内容格式等等!

一个统一的视图-文件视图

操作系统提供给用户操作硬件的系统接口都是固定的，但是在操作具体硬件时，需要传入当前操作的文件描述符，然后操作系统根据文件描述符来决定当前操作的具体是哪个硬件，然后进行对应的处理。

概念有了，开始给显示器输出…

从哪里开始这个故事呢?

printf(“Host Name: %s”, name);

printf库展开的部分我们已经知道：先创建缓存buf将格式化输出都写到那里，然后再write(1,buf,…)

在linux/fs/read_write.c中
//fd是找到file的索引--向屏幕输出时,传入的fd=1，此时1表示的是标准输出的文件描述符号
int sys_write(unsigned int fd, char *buf, int count){ 
struct file* file;
//current就是当前进程,进程是带动整个系统的视图
//通过传入的文件描述符，找到对应的文件
file = current->filp[fd];
//获得文件对应的节点--该节点内封装了当前文件的信息
inode = file->f_inode;

file的目的是得到inode，显示器信息应该就在这里

fd=1的filp从哪里来?

因为是被current指向，所以是从fork中来

int copy_process(...){
*p = *current;
for (i=0; i<NR_OPEN;i++)
if ((f=p->filp[i])) f->f_count++;

显然filp文件打开指针都是从父进程拷贝来的，那么是谁一开始打开的?

shell进程启动了whoami命令，shell是其父进程

shell 0号进程的初始化过程中对相关文件指针进行从初始化:

void main(void)
{ if(!fork()){ init(); }

void init(void){
//系统初始化的时候打开了一个文件,并且拷贝了两份
//所以filp下标1对应的打开文件指针也是dev/tty0,即终端设备文件
open(“dev/tty0”,O_RDWR,0);dup(0);dup(0);
execve("/bin/sh",argv,envp)}

open系统调用完成了什么?

open系统调用，最终会调用到sys_open。

sys_open的作用如下:

在linux/fs/open.c中
int sys_open(const char* filename, int flag,int mode){ 
struct file* f;
int i,fd;
//调用函数open namei执行打开操作，若返回值小于0，则说明出错，于是释放
//刚申请到的文件结构，返回出错码i。若文件打开操作成功，则inode是已打开文件的i节点指针。
i=open_namei(filename,flag,&inode);
cuurent->filp[fd]=f; //第一个空闲的fd
f->f_mode=inode->i_mode; f->f_inode=inode; f->f_count=1; 
return fd;
}

核心就是建立这样一个链

open(“dev/tty0”,O_RDWR,0)最终目的就是将dev/tty0设备文件对应的inode读入到内存中来，当需要操作该文件设备时,首先就需要获得当前设备对应的inode信息。

准备好了，真正向屏幕输出!

继续sys_write!

在linux/fs/read_write.c中
int sys_write(unsigned int fd, char *buf,int cnt){ 
//拿到当前要操作文件的inode后
inode = file->f_inode;
//判断对应的文件设备是否是字符设备---通过i_mode进行区分
///dev/tty0的inode中的 信息是字符设备
if(S_ISCHR(inode->i_mode))
//往该设备上写入字符,第二个参数是设备号,以及对应要写入的数据位于内存中那个buf缓冲区中
return rw_char(WRITE,inode->i_zone[0], buf, 
cnt); ...

转到rw_char!

在linux/fs/char_dev.c中
int rw_char(int rw, int dev, char *buf, int cnt){ 
//根据设备号查询对应的函数指针表---得到对应的函数指针
crw_ptr call_addr=crw_table[MAJOR(dev)]; 
//通过函数指针调用具体找到的函数
call_addr(rw, dev, buf, cnt); ...}

看看crw_table!

//设备号为4,去查询对应的函数表下标为4的地址，得到rw_ttyx函数指针
static crw_ptr crw_table[]={...,rw_ttyx,};
typedef (*crw_ptr)(int rw, unsigned minor, char *buf, int count)

可以猜测到rw_ttyx函数就是用来对终端设备进行具体读写操作的函数了:

static int rw_ttyx(int rw, unsigned minor, char *buf, int count){ 
//判断是读还是写
return ((rw==READ)? tty_read(minor,buf):tty_write(minor,buf));}

再转到tty_write! //实现输出的核心函数

在linux/kernel/tty_io.c中
int tty_write(unsigned channel,char *buf,int nr){ 
//tty_struct可以猜测到就是对设备抽象出来的一个结构体对象
struct tty_struct *tty;
//tty_table可以猜测到是设备列表,通过当前索引,查到当前设备对应的tty对象
tty=channel+tty_table;
//可以猜测:输出就是 放入队列!
sleep_if_full(&tty->write_q);
...
}

由于内存的速度和其他外部设备，例如: 显示器相比，差距很大，所以。

一般在内存与外设之间进行数据传输时，都需要一个共享缓冲区域，即我们需要先将数据写入到内存的一块缓冲区内，然后外设慢慢去读取数据。

这里是CPU将数据写入到当前设备关联的输出队列中去,然后外设去读取输出队列中的数据，因此CPU将数据写入到这个输出队列前，需要先判断该队列是否已经满了,如果队列已经塞满了，就阻塞等待。

sleep_if_full(&tty->write_q);

sleep_if_full判断当前写入队列是否已经满了，如果已经满了,当前进程就需要进入阻塞等待。

这边涉及到共享内存，因此就需要之前讲到的信号量对共享内存进行保护

继续tty_write这一核心函数

在linux/kernel/tty_io.c中
int tty_write(unsigned channel, char *buf, int nr){ 
...
char c, *b=buf; 
while(nr>0&&!FULL(tty->write_q)) { 
 //从用户共享缓冲区中读取数据
 //fs:从用户缓存区读!
  c = get_fs_byte(b);
  if(c==‘\r’){PUTCH(13,tty->write_q);continue;}
  if(O_LCUC(tty)) c = toupper(c);
   b++; 
   nr--; 
   //将从用户缓冲区读取出来的数据放入输出队列中去
   PUTCH(c,tty->write_q);
  } //输出完事或写队列满!
tty->write(tty);
}

tty->write应该就是真的开始输出屏幕了!

看看tty->write

先来看看tty_struct结构体的模样:

在include/linux/tty.h中
struct tty_struct{ void (*write)(struct tty_struct 
*tty); struct tty_queue read_q, write_q; }

所有设备都会被抽象为一个tty对象，并且该tty对象内部给出的接口也都是固定的，常见的write和read接口等，不同的设备对应不同的tty对象，他们需要给出不同的接口具体方法实现，然后将这些tty对象加入一个tty_table表中。

需要看tty_struct结构的初始化!

struct tty_struct tty_table[] = {
{con_write,{0,0,0,0,””},{0,0,0,0,””}},{},…};

如果我们需要操作屏幕输出，那么首先需要查表得到屏幕输出对应的tty对象，这里是con_write.

外部设备也分为输入和输出设备，这里屏幕属于输出设备，而常见的键盘和鼠标等，属于输入设备，下一节会讲

到了con_write，真正写显示器!

在linux/kernel/chr_drv/console.c中
void con_write(struct tty_struct *tty){ 
//从队列中取出字符，然后赋值给C
GETCH(tty->write_q,c);
//按照对应的输出格式,将字符输出到屏幕上
if(c>31&&c<127){__asm__(“movb _attr,%%ah\n\t”
“movw %%ax,%1\n\t”::”a”(c),
”m”(*(short*)pos):”ax”); 
//指向显存的位置往后面移动两位,用来显示下一个字符
pos+=2;
}