操作系統設備驅動學習之旅——以顯示器驅動為例
從這一節開始，我要學習操作系統的第四個部分，就是i o設備的驅動。今天要講的是第26講，內容圍繞i o設備中的顯示器展開，探究顯示器是如何被驅動的，也就是操作系統怎樣讓用戶使用顯示器，最終會落腳到print f這個函數是如何將內容顯示在屏幕上的。
設備驅動基礎原理
操作系統是管理計算機硬件的一層軟件。
之前，我已經學習了操作系統如何管理cpu，弄清楚了fork以及進程管理的含義，明白了cpu是如何被抽象為進程的；也學習了內存管理相關知識，了解了內存如何分段、分頁，以及虛擬內存的引出，直到數據最終寫入物理內存。現在，我要開始學習計算機硬件中的另一重要部分——i o設備，這一講和下一講主要聚焦鍵盤和顯示器，之后還會涉及磁盤及基于磁盤抽象出的文件系統，但本質上都是i o設備的驅動。
在學習具體設備驅動前，得先明確計算機讓外設工作的原理。這是計算機的基本常識，使用外設時，每個外設都有對應的控制器，比如顯示器的顯卡。cpu只需向外設控制器中的寄存器或存儲區域發送一條指令，控制器就會依據指令內容操控硬件。以顯示器為例，cpu給顯卡寄存器發指令，顯卡就能讓顯示器顯示內容。通常，cpu發出指令后會去執行別的進程，等外設完成任務，會向cpu發送中斷信號，cpu再處理中斷，可能涉及數據傳輸等操作。
總結起來，操作系統讓外設工作的核心就兩點：一是向控制器發指令，最終表現為類似out的指令；二是處理外設工作完成后的中斷。雖然實際操作外設的代碼很多，但核心指令就那么幾條。之所以有大量代碼，是為了讓外設使用更簡單，這就需要提供統一的視圖。因為不同設備的控制器不同，直接操作寄存器很麻煩，不同公司硬件設計也有差異，所以操作系統要形成統一接口，也就是文件視圖，這樣既能隱藏細節方便用戶，內部還能進行高效處理。
簡而言之，外設驅動主要做三件事：
- 發出
out指令，操控設備控制器寄存器； - 進行設備中斷處理；
- 提供統一文件視圖，方便用戶使用。
print f顯示原理探究
接下來，我通過print f這個實際例子來深入理解設備驅動。print f本質上是一段操作外設的程序，和其他設備操作一樣，遵循統一規則。在linux系統中，操作設備通常表現為open、read、write，print f也不例外，它打開的是顯示器對應的文件，然后進行寫入操作。操作系統為用戶提供統一的文件接口，通過不同的設備文件名區分操作的設備，print f對應的設備文件名決定了它操作的是顯示器。
具體來看，print f最終會變成系統調用write，寫成write(1,buffer,...)，這里的1決定了數據輸出到顯示器，buffer是格式化后的字符串緩沖區。系統調用通過int 0x80進入內核，執行sys_write。這里關鍵的1是文件描述符，它來自當前進程pcb數組的第一項，這個文件描述符對應一個文件，文件的inode中存放著設備相關信息。
那么1對應的文件是怎么來的呢？進程的pcb是fork創建時拷貝父進程的，所有進程打開文件的指針都源于父進程。系統初始化時，0號進程創建相關進程，打開了一個文件并拷貝兩份，1對應的文件就是dev/tty0，tty代表終端設備。open系統調用會根據文件名讀入文件的inode信息，操作系統依據這些信息決定后續操作路徑。
根據inode信息判斷設備類型，如果是字符設備，就執行rw_char，并根據設備號繼續分支。dev/tty0是字符設備，設備號為4，通過設備號在函數指針數組中找到對應的處理函數rw_ttyx。因為是write操作，所以會調用tty_write函數，這個函數會將數據先寫入緩沖區right_q。這涉及到緩沖技術，由于cpu和內存操作速度快，顯示器顯示速度慢，通過緩沖區可以平衡速度差異，緩沖區就像生產者 - 消費者模型中的共享緩沖區，寫滿時生產者（數據寫入操作）會睡眠等待，不滿時則寫入數據。
數據寫入緩沖區后，會調用函數從緩沖區取出數據輸出到顯示器。tty_write函數會繼續調用console_write，console就是終端設備，即顯示器。console_write函數會從緩沖區取出字符c，通過out指令將字符輸出到顯示器。具體的匯編指令會將字符屬性賦給ah，字符賦給al（ax由ah和al組成），然后將ax寫入顯存地址pose。這里涉及內存和i o設備的編址方式，如果是統一編址用mov指令，如果是獨立編址用out指令，通常顯存較大，采用獨立編址，但本質上mov和out都是對i o設備控制器中的存儲區域進行寫操作。
總結與實驗展望
至此，我梳理清楚了print f的整個過程。從系統調用write開始，通過統一文件接口，依據設備信息逐步找到驅動顯示器的函數，利用緩沖技術和相關指令，最終將數據輸出到顯存顯示在屏幕上。設備驅動的核心就是cpu向外設控制寄存器發指令進行讀寫，并形成統一文件視圖方便使用，同時處理中斷。相比cpu和內存管理，設備驅動相對簡單。
關于mov ax,pose中的pose，它每次寫完會加2，因為顯存存儲字符和屬性各占一個字節。初始的pose值在系統啟動時，通過setup程序根據bios中斷取出硬件參數（包括光標位置），將光標所在顯存位置存入90000處，初始化時再將其賦值給pose。
