(完整word版)驱动程序原理

知识体系结构应用程序：是一段可以执行的代码，由操作系统管理。

编译原理，链接器，装载器：是对操作系统依赖的一个工具，将用户的代码变成可执行的机器码，编译器仅仅检查和翻译用户的语言逻辑，但并不装配成符合操作系统要求的可执行文件格式，如windows要求的EXE文件为PE格式（EXE文件并不仅仅是一个可执行的代码段，而且包含了很多其他的内容，如数据段）。

操作系统接口API：是一个可以被用户程序调用的系统功能接口，可以说，我们编写程序，除了计算和流程控制这些只需要用到CPU指令和CPU寄存器的代码外，其余要访问其他（硬件）资源（包括内存，外设）的代码，均是通过调用OS的API来操作除CPU外的资源的，如向屏幕写一个字母，对于程序来说简单得很，print(“A”); 但是其编译后执行的过程是复杂的，编译后的程序会调用操作系统的API，将当前应用程序的状态（上下文，如光标的位置）以及字母传递给显示器的驱动程序去显示。

操作系统管理与调度：操作系统要实现一般通用的资源管理，也要实现资源使用的协调，包含CPU，内存，磁盘，外设。

首先要确定为什么需要操作系统，操作系统设计的目标是什么？1．我们总是不能等做完一件事情才去做另外一件，因为有些事情做的过程需要等待，有时候也需要暂停一下当前的任务，先去处理更急的事情，等我回来时又需要以前的任务保持当时的状态，所以需要计算机也要具备这样的能力，那怎么实现呢？2．CPU和内存是计算机的最需要的资源，就如我们的人脑一样，一般很难在同一时间做两件事情。

需要处理好一件事情再处理另一件，如果处理得越快就越好，但是不能前一件事情要等待，你就休息了，后面一件也做不了，计算机的办法就是你不用CPU了，那好你等待下，我先处理下一个事情。

3．我们写程序，不可能对每个应用，我们重新去写那些驱动程序，也不可能按照自己的想法去处理这些通常的资源管理。

否则很多人各自写的应用软件就没法在一个电脑上运行。

操作系统目标：1．实现代码重用，对于硬件的访问，对于CPU和内存的充分利用，使不同的应用不需要重新去写这些代码。

2．实现各个任务（不同应用程序）的协调使用，使用户可以实现暂停、重新启用某个任务。

3．实现数据的安全管理，实现良好的人机界面的管理。

4．实现一个开放的体系结构，提供系统调用使用户可以快速编写自己的应用，并提供编译器、链接器、装载器来让用户编写的程序变成可以与操作系统接口的可执行软件。

操作系统的功能分层：CPU管理是操作系统的核心：操作系统与用户程序其实可以看成是一个程序，与以前的单任务系统和单片机程序没有本质的区别。

我们来看整个PC机运行过程:1．系统上电。

2．主板上CPU的CS值设置为0Fx000，IP值设置为0xFFF0，这样CS:IP就指向0xFFFF0位置，这个是程序的开始地址，而硬件上在总线上挂接在0xFFFF0地址的是主板的BIOS芯片，BIOS开始运行，BIOS是Basic Input Output System简写，意思即基本的输入输出系统，如果学过单片机就很好理解，其实就是一个程序，由主板设计的公司的程序员编写的，通过一定的方法（如编程器）写入到芯片内，这段程序会一上电就开始运行。

3．BIOS会检查所有的主板资源，并初始化主板的硬件资源，如总线控制器、显示卡、内存等，并将主板的固有资源和接插件的信息放入固定的内存区域，以便操作系统可以从中获取得到当前的主板上有些什么设备资源。

4．BIOS会在内存地址的最低位0x000000构建起中断向量表，共1K内存（一个向量CS:IP各两个字节，共256个向量），接着是1/4K（256byte）的内存放BIOS数据，接下来在0x0E2CE（56K处）加载了8K左右的与中断向量表相应的若干中断服务程序。

5．当BIOS程序检测到主板上的设备符合启动系统的条件，就读取硬磁盘的引导扇区（第一扇区，这里也是一个程序，从哪个磁盘加载由CMOS设置确定），BIOS 系统将这段程序bootloader读入内存，并将控制权交给引导程序。

6．BIOS具有驱动硬盘等硬件的驱动程序，并且，具有基本的硬件驱动服务程序。

这些都由主板硬件厂商提供。

Bootloader会调用BIOS的驱动程序和已有的中断服务来从硬盘读取操作系统的核心到内存，并将CPU控制交给操作系统。

（操作系统就如一段数据被映射到内存，然后程序通过修改CS:IP跳转到操作系统的入口。

）7．操作系统会通过IGDT重新构建中断向量表。

每个硬件产生的中断，其编号在硬件设计之初就已经设计好，外部硬件中断/CPU内部异常中断/程序调用中断，其中断号和程序是预先设置好的，当有外部中断时，中断寄存器IPR会暂时存储，并与中断屏蔽寄存器IMR进行AND位运算，然后就可以确定是否处理当前中断，这个是硬件电路实现的，运算后的结果经过中断处理（中断译码）进入CPU的中断寄存器IDTR，CPU执行完当前指令，会自动处理（检查）中断，并将CS:IP指向中断地址，这个地址是什么呢？在实模式下（16位模式），中断译码根据中断号N x 4(每个中断4个字节)直接设置IP，也就是中断的程序地址没法更改的，然后在中断向量的位置就是一个跳转指令，跳转到服务程序处。

在保护模式下呢，中断向量的原理与组织与实模式基本一样，也是256个中断处理程序，但是其中断服务程序不在固定的位置，中断向量表也不在固定的位置，CPU的IDTR寄存器由操作系统在系统初始化之初就装入了中断向量表（中断门表）在内存中的寻址位置信息，保护模式下，硬件将IDTR和中断号N译码找到中断表的该中断描述项，而描述项说这个服务程序在GDT或LDT表中的第X项描述的段中，以及偏移多少可以找到程序，然后找到这个段的基址+32位的地址偏移量。

8．操作系统从实模式转保护模式时，最重要的一个是构建内存映射表和各种描述符表。

CPU访问内存时，是通过MMU进行了译码的，MMU的作用就是把CPU指令中的虚拟地址（是程序员编写的地址，一般高级语言编写的程序不直接写地址，但是程序装载到内存后，所有访问地址的指令都发生了地址修改，这是由装载器设置的。

）变成实际的物理地址。

9．操作系统为什么需要MMU，计算机从主板启动后，是在ROM中运行的，速度相对于RAM来说是非常慢，我们就想到把程序复制到RAM中运行，但是计算机体系的执行是有固定的地址的，如CPU上电首先从0xFFFF0地址加载第一条指令，发生错误则会自动将IP指向0x0000开始的中断向量表，如果我们将程序COPY 到RAM运行，但是硬件一中断，还是会跑到硬件地址的0x0000处的向量表去运行，还是在ROM中，一样缓慢，为了解决这个问题，我们想到了地址转换，当将程序COPY到RAM中后，构建MMU的页表，然后启动MMU的地址转换功能，然后程序开始从我们设定的地址开始运行（如0xFFFA0），而CPU也为了与操作系统配合，也定义了保护模式，其运行规则也相应发生了变化，其IGTR中的值由实模式时的0x000变成了由操作系统定义的中断门表的地址。

保护模式时的中断程序的寻址比实模式复杂，因其中断处理器硬件也复杂。

而对于BIOS的ROM访问地址，也被映射到了新的虚拟地址空间，不再是0xFFFF0，所以对于ROM中的中断程序的访问，是通过IGTR+中断描述项定位到该内存地址。

所有的外设的内存映射地址均被操作系统重新映射和管理。

(系统上电时，处理器的程序指针从0x0（或者是由0Xffff_0000处高端启动）处启动，顺序执行程序，在程序指针（PC）启动地址，属于非易失性存储器空间范围，如ROM、FLASH等。

然而与上百兆的嵌入式处理器相比，FLASH、ROM 等存储器响应速度慢，已成为提高系统性能的一个瓶颈。

而SDRAM具有很高的响应速度，为何不使用SDRAM来执行程序呢？为了提高系统整体速度，可以这样设想，利用FLASH、ROM对系统进行配置，把真正的应用程序下载到SDRAM 中运行，这样就可以提高系统的性能。

然而这种想法又遇到了另外一个问题，当ARM处理器响应异常事件时，程序指针将要跳转到一个确定的位置，假设发生了IRQ中断，PC将指向0x18(如果为高端启动，则相应指向0vxffff_0018处)，而此时0x18处仍为非易失性存储器所占据的位置，则程序的执行还是有一部分要在FLASH或者ROM中来执行的。

那么我们可不可以使程序完全都SDRAM中运行那？答案是肯定的，这就引入了MMU，利用MMU，可把SDRAM的地址完全映射到0x0起始的一片连续地址空间，而把原来占据这片空间的FLASH或者ROM 映射到其它不相冲突的存储空间位置。

例如，FLASH的地址从0x0000_0000－0x00ff_ffff,而SDRAM的地址范围是0x3000_0000－0x31ff_ffff，则可把SDRAM 地址映射为0x0000_0000－0x1fff_ffff而FLASH的地址可以映射到0x9000_0000－0x90ff_ffff（此处地址空间为空闲，未被占用）。

映射完成后，如果处理器发生异常，假设依然为IRQ中断，PC指针指向0x18处的地址，而这个时候PC实际上是从位于物理地址的0x3000_0018处读取指令。

通过MMU的映射，则可实现程序完全运行在SDRAM之中)10．内存映射表：是为MMU构建的一块内存区域，其内容为一个表，或者叫一个数组，每个元素标记了[虚拟地址：物理地址]，页表一般分两极，第一级为1M一个项，第二级则是1M内的索引。

那会有多少呢，4G=4K项，然后每个1M=256项，所以页表大小为1M，如果每个项为32bit，那么至少需要256K个指令周期才能把内存的页表装入MMU，也就是0.4ms, windows的CPU分时片为20ms。

那么进程切换的时间不少于1ms。

11．CPU中有是否启用MMU的寄存器设置，如果不启用，则CPU发出读写地址线信号，同时MMU不会做出反应，使能信号直接被MMU输出，RAM检测到指令，直接将数据放到总线上，并通知CPU数据准备好。

如果启用MMU，CPU发出读写指令，MMU同时从总线获取地址数据经过硬件运算，仅仅一个硬件周期，然后修改总线的地址，并通知内存或北桥芯片地址准备好。

12．对于操作系统来说，只要构建每个进程的内存映射表，并在进程切换时将内存映射表复制到MMU的缓冲中。

13．而对于应用程序来说，是不能操作MMU的，所以，当企图访问没有映射的虚拟内存时，MMU会向CPU会产生缺页中断，然后在中断服务程序中，操作系统会根据是否是被换出内存还是没有初始化，来决定是从硬盘装载内存，或抛出异常错误。

14．操作系统的内存管理，是分段式管理，并在内存中构建了一个段描述符表，这个表是用来告诉大家（CPU，所有程序）每个段内放了什么东西，是可执行代码，或是数据，或者是一个只读存储器，或者这个部分是不能访问的。