OS X与iOS内核编程——1.7　硬件和驱动程序

除了管理基本的硬件资源（如CPU和内存），操作系统还负责管理系统上添加的硬件外设，包括键盘和鼠标、USB闪存驱动器、显卡等。尽管操作系统负责管理这些设备，但需要借助驱动程序才能实现。可将驱动程序看做运行在操作系统内核中的插件，它可以使系统与硬件设备进行交互。 支持硬件设备的代码位于设备自身（称为固件）和计算机（称为驱动程序）这两个位置。驱动程序的作用是代表操作系统控制硬件设备。驱动程序代码载入操作系统内核之后，会与内核的其他部分享有相同的权限，如直接访问硬件。 驱动程序在设备插入计算机（或计算机启动）时负责对硬件进行初始化，将操作系统的请求转换为一系列硬件特有的操作，然后由硬件执行这些操作以完成操作系统的请求。 驱动程序会接收到来自操作系统的请求，请求的类型取决于驱动程序执行的功能。对某些驱动程序，操作系统会为其开发者提供一个框架。例如，需要为声卡编写一个音频驱动程序。音频驱动程序接收操作系统特定于音频领域的请求，如创建一个48 kHz音频输出流，以及输出分好组的音频包。 驱动程序还可以构建在其他驱动程序上，并请求它们提供的服务。例如，USB音频输入设备的驱动程序使用底层通用USB驱动程序提供的服务访问其硬件。这样开发者就无须深入了解USB协议，从而可以专注于自己设备的特性。如在上面的例子中，音频驱动程序接收到来自操作系统的音频流操作请求之后，会针对这些请求创建自己的请求，然后传递给底层的USB驱动程序。这使每个驱动程序的责任相当明确：音频驱动程序只需关注音频请求的处理和音频设备的配置，USB驱动程序只需关注USB协议和USB总线上的数据传输。驱动程序的分层示例，如图1-7所示。 然而，操作系统不可能支持所有硬件设备。专用设备（如3D打印机）很可能得不到操作系统的支持。因此，硬件厂商需要为他们的硬件编写通用驱动程序。由于是通用驱动程序，操作系统不会将该设备看做打印机，也不会向其发送打印请求，而是由专门的应用软件对该驱动程序进行控制，直接与打印机驱动程序通信。操作系统提供了一个专门的系统调用，使用户应用程序可以向驱动程序发送操作请求，我们称之为“I/O控制”请求，通常缩写为“ioctl”。ioctl指定要执行的操作，并为驱动程序提供操作所需的参数，其中包含一个保存操作结果的缓冲区。尽管ioctl请求作为操作系统的系统调用来实现，但实际上此类请求直接传至驱动程序。