操作系统实现之路：设备管理框架

在Hello China的实现中，设备的管理是按照下列策略来实现的：

（1）采用一个统一的IO管理器对象（IOManager）来集中管理所有的设备对象、设备驱动程序等，实现设备驱动程序的加载和卸载。

（2）在IOManager对象和用户线程之间也定义了一个良好的交互接口，用户线程直接调用IOManager的用户侧接口，请求设备提供的服务。

（3）把文件系统的实现也纳入设备管理框架里面，对文件的访问也是通过IOManager的用户侧接口进行的。

（4）文件系统在实现的时候也作为驱动程序来实现，遵循设备驱动程序的体系结构，也遵循设备驱动程序与操作系统的通信机制。

（5）设备驱动程序代码和IOManager代码必须是可重入的，即多个用户线程可以同时调用同一个设备驱动程序的功能函数（或IOManager函数），而不会发生不一致的资源访问问题。为了实现这个功能，需要在IOManager的实现中引入互斥机制，在设备驱动程序的实现中，需要考虑自己可能管理多个设备的情况，并为每个设备建立一套单独的数据。也需要充分考虑可能面临多个线程同时访问的问题，通过操作系统核心提供的同步或互斥机制来保护设备相关数据，充分保证代码的可重入性。

（6）实现设备的动态发现和枚举，比如，针对PCI总线，总线驱动程序可以动态地发现连接在总线上的设备，并为之分配系统资源（中断号、端口号、内存映射区域等），并可动态加载这些设备的驱动程序。

（7）即插即用（PnP），实时监视总线状态，对于实时出现在总线上的设备，操作系统会及时做出响应，比如分配资源、加载驱动等，对于从总线上实时拆离的设备，操作系统也会及时卸载掉已经加载的驱动程序，并释放这些设备所占用的资源。

图10-4示意了Hello China设备管理框架的大致架构。(www.xing528.com)

图10-4 Hello China的设备管理框架

可以看出，在整个设备管理框架中，DeviceManager和IOManager是核心部件。IOManager提供了两个规范的接口，对于用户核心线程的接口称为用户接口（或上行接口），对于设备驱动程序称为设备接口（或下行接口），用户线程通过用户接口调用IOManager，进而获得设备服务，设备驱动程序通过设备接口调用IOManager提供的设备管理服务，或通知IOManager自己的存在。

需要注意的是，设备驱动程序之间也可能相互调用彼此的服务。这种情况的一个典型应用，就是文件系统的实现。比如，用户通过IOManager提供的调用接口访问一个文件（打开、读/写等），IOManager把这种调用转化为对相应文件系统的调用，相应的文件系统在完成内部表格的修改后，需要对实际的物理存储设备进行操作，这个时候，文件系统驱动程序（在Hello China的实现中，文件系统作为一种特殊的驱动程序来实现）就需要调用实际的物理设备驱动程序，对实际的物理设备进行操作。对文件系统的实现，可参考第12章。

对于中断管理，设备驱动程序在获得系统为自己分配的资源（中断号、端口号、内存映射区域、DMA通道等）后，可以以中断向量号和对应的中断处理程序（一个函数指针）为参数调用ConnectInterrupt函数（该函数由操作系统核心提供），注册自己的中断处理函数。当然，在设备卸载的时候，驱动程序也需要调用DisconnectInterrupt函数，解除自己注册的中断调用，从而释放中断资源。

需要注意的是，一个设备驱动程序可能管理多个设备（或逻辑的设备功能）。另外之所以把设备和设备驱动程序之间的交互关系表示为双向，是因为设备可能通过中断的方式主动与设备驱动程序交互。

下面将详细介绍该管理框架中涉及的模块以及模块之间的接口。