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