> For the complete documentation index, see [llms.txt](https://mit-public-courses-cn-translatio.gitbook.io/mit6-s081/llms.txt). Markdown versions of documentation pages are available by appending `.md` to page URLs; this page is available as [Markdown](https://mit-public-courses-cn-translatio.gitbook.io/mit6-s081/lec09-interrupts/9.3-device-driver.md).

# 9.3 设备驱动概述

通常来说，管理设备的代码称为驱动，所有的驱动都在内核中。我们今天要看的是UART设备的驱动，代码在uart.c文件中。如果我们查看代码的结构，我们可以发现大部分驱动都分为两个部分，bottom/top。

bottom部分通常是Interrupt handler。当一个中断送到了CPU，并且CPU设置接收这个中断，CPU会调用相应的Interrupt handler。Interrupt handler并不运行在任何特定进程的context中，它只是处理中断。

top部分，是用户进程，或者内核的其他部分调用的接口。对于UART来说，这里有read/write接口，这些接口可以被更高层级的代码调用。

![](/files/-MNQoZbR7-IfNrutvz9o)

通常情况下，驱动中会有一些队列（或者说buffer），top部分的代码会从队列中读写数据，而Interrupt handler（bottom部分）同时也会向队列中读写数据。这里的队列可以将并行运行的设备和CPU解耦开来。

![](/files/-MNQp71Canf5lk9qGLXS)

通常对于Interrupt handler来说存在一些限制，因为它并没有运行在任何进程的context中，所以进程的page table并不知道该从哪个地址读写数据，也就无法直接从Interrupt handler读写数据。驱动的top部分通常与用户的进程交互，并进行数据的读写。我们后面会看更多的细节，这里是一个驱动的典型架构。

在很多操作系统中，驱动代码加起来可能会比内核还要大，主要是因为，对于每个设备，你都需要一个驱动，而设备又很多。

接下来我们看一下如何对设备进行编程。通常来说，编程是通过memory mapped I/O完成的。在SiFive的手册中，设备地址出现在物理地址的特定区间内，这个区间由主板制造商决定。操作系统需要知道这些设备位于物理地址空间的具体位置，然后再通过普通的load/store指令对这些地址进行编程。load/store指令实际上的工作就是读写设备的控制寄存器。例如，对网卡执行store指令时，CPU会修改网卡的某个控制寄存器，进而导致网卡发送一个packet。所以这里的load/store指令不会读写内存，而是会操作设备。并且你需要阅读设备的文档来弄清楚设备的寄存器和相应的行为，有的时候文档很清晰，有的时候文档不是那么清晰。

![](/files/-MNYn2QS74B6GTRpW4Jg)

下图中是SiFive主板中的对应设备的物理地址，

![](/files/-MNYgr0LyJ8ULKLwHE50)

例如，0x200\_0000对应CLINT，0xC000000对应的是PLIC。在这个图中UART0对应的是0x1001*\_*0000，但是在QEMU中，我们的UART0的地址略有不同，因为在QEMU中我们并不是完全的模拟SiFive主板，而是模拟与SiFive主板非常类似的东西。

以上就是Memory-mapped IO。

下图是UART的文档。16550是QEMU模拟的UART设备，QEMU用这个模拟的设备来与键盘和Console进行交互。

![](/files/-MNYitmruHLfxrVpuvp2)

这是一个很简单的芯片，图中表明了芯片拥有的寄存器。例如对于控制寄存器000，如果写它会将数据写入到寄存器中并被传输到其他地方，如果读它可以读出存储在寄存器中的内容。UART可以让你能够通过串口发送数据bit，在线路的另一侧会有另一个UART芯片，能够将数据bit组合成一个个Byte。

这里还有一些其他可以控制的地方，例如控制寄存器001，可以通过它来控制UART是否产生中断。实际上对于一个寄存器，其中的每个bit都有不同的作用。例如对于寄存器001，也就是IER寄存器，bit0-bit3分别控制了不同的中断。这个文档还有很多内容，但是对于我们这节课来说，上图就足够了。不过即使是这么简单的一个设备，它的文档也有很多页。

> 学生提问：如果你写入数据到Transmit Holding Register，然后再次写入，那么前一个数据不会被覆盖掉吗？
>
> Frans教授：这是我们需要注意的一件事情。我们通过load将数据写入到这个寄存器中，之后UART芯片会通过串口线将这个Byte送出。当完成了发送，UART会生成一个中断给内核，这个时候才能再次写入下一个数据。所以内核和设备之间需要遵守一些协议才能确保一切工作正常。上图中的UART芯片会有一个容量是16的FIFO，但是你还是要小心，因为如果阻塞了16个Byte之后再次写入还是会造成数据覆盖。


---

# Agent Instructions
This documentation is published with GitBook. GitBook is the documentation platform designed so that both humans and AI agents can read, navigate, and reason over technical content effectively. Learn more at gitbook.com.

## Querying This Documentation
If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question.

Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter, and the optional `goal` query parameter:

```
GET https://mit-public-courses-cn-translatio.gitbook.io/mit6-s081/lec09-interrupts/9.3-device-driver.md?ask=<question>&goal=<endgoal>
```

`ask` is the immediate question: it should be specific, self-contained, and written in natural language.
`goal` is optional and describes the broader end goal you are ultimately trying to accomplish on behalf of the user. GitBook uses it to tailor the answer towards what is most useful for that goal.

The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation.

Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.