设备驱动与文件系统：01 I/O与显示器
操作系统设备驱动学习之旅——以显示器驱动为例
从这一节开始，我要学习操作系统的第四个部分，就是i o设备的驱动。今天要讲的是第26讲，内容围绕i o设备中的显示器展开，探究显示器是如何被驱动的，也就是操作系统怎样让用户使用显示器，最终会落脚到print f这个函数是如何将内容显示在屏幕上的。
设备驱动基础原理
操作系统是管理计算机硬件的一层软件。
之前，我已经学习了操作系统如何管理cpu，弄清楚了fork以及进程管理的含义，明白了cpu是如何被抽象为进程的；也学习了内存管理相关知识，了解了内存如何分段、分页，以及虚拟内存的引出，直到数据最终写入物理内存。现在，我要开始学习计算机硬件中的另一重要部分——i o设备，这一讲和下一讲主要聚焦键盘和显示器，之后还会涉及磁盘及基于磁盘抽象出的文件系统，但本质上都是i o设备的驱动。
在学习具体设备驱动前，得先明确计算机让外设工作的原理。这是计算机的基本常识，使用外设时，每个外设都有对应的控制器，比如显示器的显卡。cpu只需向外设控制器中的寄存器或存储区域发送一条指令，控制器就会依据指令内容操控硬件。以显示器为例，cpu给显卡寄存器发指令，显卡就能让显示器显示内容。通常，cpu发出指令后会去执行别的进程，等外设完成任务，会向cpu发送中断信号，cpu再处理中断，可能涉及数据传输等操作。
总结起来，操作系统让外设工作的核心就两点：一是向控制器发指令，最终表现为类似out的指令；二是处理外设工作完成后的中断。虽然实际操作外设的代码很多，但核心指令就那么几条。之所以有大量代码，是为了让外设使用更简单，这就需要提供统一的视图。因为不同设备的控制器不同，直接操作寄存器很麻烦，不同公司硬件设计也有差异，所以操作系统要形成统一接口，也就是文件视图，这样既能隐藏细节方便用户，内部还能进行高效处理。
简而言之，外设驱动主要做三件事：
- 发出
out指令，操控设备控制器寄存器； - 进行设备中断处理；
- 提供统一文件视图，方便用户使用。
print f显示原理探究
接下来，我通过print f这个实际例子来深入理解设备驱动。print f本质上是一段操作外设的程序，和其他设备操作一样，遵循统一规则。在linux系统中，操作设备通常表现为open、read、write，print f也不例外，它打开的是显示器对应的文件，然后进行写入操作。操作系统为用户提供统一的文件接口，通过不同的设备文件名区分操作的设备，print f对应的设备文件名决定了它操作的是显示器。
具体来看，print f最终会变成系统调用write，写成write(1,buffer,...)，这里的1决定了数据输出到显示器，buffer是格式化后的字符串缓冲区。系统调用通过int 0x80进入内核，执行sys_write。这里关键的1是文件描述符，它来自当前进程pcb数组的第一项，这个文件描述符对应一个文件，文件的inode中存放着设备相关信息。
那么1对应的文件是怎么来的呢？进程的pcb是fork创建时拷贝父进程的，所有进程打开文件的指针都源于父进程。系统初始化时，0号进程创建相关进程，打开了一个文件并拷贝两份，1对应的文件就是dev/tty0，tty代表终端设备。open系统调用会根据文件名读入文件的inode信息，操作系统依据这些信息决定后续操作路径。
根据inode信息判断设备类型，如果是字符设备，就执行rw_char，并根据设备号继续分支。dev/tty0是字符设备，设备号为4，通过设备号在函数指针数组中找到对应的处理函数rw_ttyx。因为是write操作，所以会调用tty_write函数，这个函数会将数据先写入缓冲区right_q。这涉及到缓冲技术，由于cpu和内存操作速度快，显示器显示速度慢，通过缓冲区可以平衡速度差异，缓冲区就像生产者 - 消费者模型中的共享缓冲区，写满时生产者（数据写入操作）会睡眠等待，不满时则写入数据。
数据写入缓冲区后，会调用函数从缓冲区取出数据输出到显示器。tty_write函数会继续调用console_write，console就是终端设备，即显示器。console_write函数会从缓冲区取出字符c，通过out指令将字符输出到显示器。具体的汇编指令会将字符属性赋给ah，字符赋给al（ax由ah和al组成），然后将ax写入显存地址pose。这里涉及内存和i o设备的编址方式，如果是统一编址用mov指令，如果是独立编址用out指令，通常显存较大，采用独立编址，但本质上mov和out都是对i o设备控制器中的存储区域进行写操作。
总结与实验展望
至此，我梳理清楚了print f的整个过程。从系统调用write开始，通过统一文件接口，依据设备信息逐步找到驱动显示器的函数，利用缓冲技术和相关指令，最终将数据输出到显存显示在屏幕上。设备驱动的核心就是cpu向外设控制寄存器发指令进行读写，并形成统一文件视图方便使用，同时处理中断。相比cpu和内存管理，设备驱动相对简单。
关于mov ax,pose中的pose，它每次写完会加2，因为显存存储字符和属性各占一个字节。初始的pose值在系统启动时，通过setup程序根据bios中断取出硬件参数（包括光标位置），将光标所在显存位置存入90000处，初始化时再将其赋值给pose。