689-电脑的外部设备驱动程序

电脑的外部设备

设备管理

（1）回顾计算机结构
图：

（2）常见的外部设备

1）如何判定是不是外部设备
只要挂接在外设IO接口上的都是外部设备，与所在位置关系不大，可能在芯片内部、也可能在芯片外部，可能在机壳内部，也可能在机壳外部。

2）外部设备大致分为三类
按照用途分的话，大致分为三大类。
（a）数据的传输：比如网卡，负责数据的发送和接收，即是输入也是输出设备
（b）数据的存储：比如像磁盘，SSD（固态硬盘），负责数据的存储，既能读数据也能里写数据，所以即是输入也是输出设备。
c）数据的翻译：比如输入设备MIC，将输入的声音翻译为电信号的二进制数据。比如显示器，将电信号的二进制数据翻译为人看得见的图像和视频。
不管是哪一类的设备，要么是输入设备，要么是输出设备，要么是即使输入也是输出设备。

3）输入输出设备
（a）输入设备
·键盘：字符图形输入，按下某个按键，输入动作会被翻译为ASCII编号数据（以电信号的二进制数形式存在）。
·鼠标：光标位置输入，将鼠标移动转为电信号二进制的坐标数据
·摄像头：图形图像输入，将其翻译为电信号二进制数据
·麦克风：声音输入，将其翻译为电信号二进制数据
·触摸屏：将触摸位置翻译为电信号二进制坐标数据
·网卡：直接接受别的计算机发送的电信号二进制数据，输入给计算机
·磁盘、SSD：读取存储的数据，输入给计算机
（b）输出设备
·显示器：将CPU按照程序要求处理后的，电信号的二进制的图形、图像数据，翻译成为图形图像给人看
·喇叭：将声数据翻译成为人能听得见的声音
·打印机：将数据输出到打印机打印，打印机打印
·机械手臂：将输出数据翻译成为机械手臂的动作
·Led灯等：将输出数据翻译成为灯的亮灭
·网卡：从计算机输出数据，传输给别的计算机
·磁盘、SSD：从计算机输出数据，写到磁盘或者SSD中

4）有关外部设备
（a）外部设备非常多，根据不同的用途有不同外部设备，如果你是做纯软件开发的，了解即可，如果你是做嵌入式开发的，
需要掌握一些常见的设备开发，但是不需要掌握所有，没有意义，有了常见设备的开发经验后，根据工作需求掌握其它设备。
（b）对于嵌入式开发来说，重点不在于研究外部设备制造和工艺，比如研究显示器是怎们被制造出来，显示器实现图像现实的详细技术知怎样的，这些是设备生产者关心的事，嵌入式开发者要做的了解设备的基本工作原理，能够查阅设备手册，编写相关的驱动程序，控制外部设备工作。
b）嵌入式技术
单片机、Linux嵌入式中，会有各种常见守备队的驱动课程，驱动课程的目的就是讲解如何开发出驱动程序，驱动这些外部设备工作。

设备驱动程序

1）为什么叫要驱动程序
外部设备绝对不是连上就能用的，必须要有专门的程序来驱动才能工作，能够驱动外部设备工作的程序就是驱动程序。
图：

驱动程序是属于内核的一部分。

2）驱动程序到底是如何驱动外部设备
为了能够驱动外部设备工作，驱动程序关键要要两件事情，
第一件：配置外设的工作模式
第二件：通过外设输入输出数据
（a）第一件：配置外部设备的工作模式
·为什么要配置
因为大多数外部设备都有很多种工作模式，驱动程序需要通过相应的配置，选择让设备工作在那种工作模式下，如果不做配置的话，外部设备不知道该工作在什么模式下，是混乱的。
驱动程序是如何配置外部设备的呢？
通过相应的配置开关进行配置，这个配置开关就是“设备的配置寄存器”。
· 设备的配置寄存器
就是外设工作模式的配置开关，是外设专用寄存器，与CPU内部的寄存器、cache、内存（DDR）一样，只是这些寄存器被做在了外部设备的内部，是专属于外设的专用小容量内存，驱动程序向设备的配置寄存器中写入相应的
配置数据，就可以配置好外部设备的工作模式。
·为什么向配置寄存器写入配置数据，就能配置好外设的工作模式
图：

计算机中数据已电信号存在，向设备配置寄存器写入配置数据，其实就是将电信号导入配置寄存器，配置寄存器中就把这个电信号锁存起来，这个电信号承载的是一个二进制数，所以就将电信号的二进制数据写入了配置寄存器中。
（b）第二件：输入/输出数据
配置好工作模式后，驱动程序就可以驱动设备工作了，此时需要用外设的“数据寄存器”。
为什么需要数据寄存器呢？
因为输入输出数据时，数据需要暂时存放在数据寄存器中，存数据时，存储的其实就是电信号。
·输入设备
输入设备有两种情况，
第一种：直接得到就是二进制数据，比如像网卡和存储器，能够直接输入数据
第二种：需要经过传感器的翻译，比如像麦克风、摄像头，需要利用传感器将外部输入的声光等其它信号形式的数据，转为二进制电信号形式的数据。
CPU执行输入设备驱动程序时，从输入设备的数据寄存器中取出数据，并将数据保存起来，专门进行数据处理的程序就可以处理这些输入的数据了。
图：

·输出设备
输出设备也有两种情况，
第一种：直接将二进制数据输出给其它设备，比如网卡就是这样的
第二种：需要将数据翻译为其它信号形式的数据，比如显示器需要将二进制电信号的视频数据，翻译为光信号的图像数据，供人识别。
CPU执行输出设备的驱动程序时，会将电信号形式的数据写到设备的数据寄存器中，输出设备的
图：

·输入输出设备
有些外部设备既是输入设备也是输出设备，那就是上述的综合情况。

驱动程序的种类

stm32 51
分为两种，第一种是裸机驱动程序，第二种是基于OS的驱动程序。
1）裸机驱动程序
（a）裸机驱动程序的特点
· 裸机程序大致分为两部分，第一部分为业务逻辑代码，第二部分为驱动代码，

业务逻辑代码：专门负责数据的处理，比如计算1+2结果
驱动代码：专门负责驱动外设，实现数据的输入输出，比如控制键盘输入1和2，控制显示屏显示3
·裸机程序结构图示
图：

地址:
程序使用地址有两种形式，
第一种：间接使用
int a;//a一般是4个字节，每个字节都有一个地址，不过只有变量的第一个字节的地址，才作为整个变量的地址
a = 10;//a->地址，编译器会将变量名和地址联系起来，0x2342
但是使用变量名操作时，虽然还是使用的是地址来操作的，但是变量名操作会受到限制
void fun(void)
{
int a;//a->地址
}
在Java里面全部使用变量名这种形式，也就是间接使用地址的形式，所有的高级语言都有变量这个东西，使用变量名时，其实间接使用的是地址，那么这个变量名到底和什么地址对应起来的，这个就看编译器在编译的时候，怎么对应。
有些高级为了减少直接使用地址带来的危险，都不在直接使用地址操作，而是使用变量操作。
第二种：直接使用
int a;//a->地址
int *p = &a;//编译器在编译时，会直接使用地址将&替换
int *p = 0x325234;
那么我们在底层的驱动程序中，一般来说都是用C语言来开发，在c语言的驱动程序中，访问内存空间，以及寄存器空间时，基本都是以上这两种，直接使用地址操作的形式，来访问对应的空间。
如果说你的底层驱动程序是使用java来开发的话，java的语法特性是不允许你直接使用地址操作，但是在底层驱动里面，特别是访问寄存器空间时，我们非常需要直接使用地址操作，因为设备手册上，直接给你的就是寄存器地址，那么你只能直接使用地址操作，java没办法直接使用地址操作，所以说底层驱动程序基本不会使用java来编写。
那么那些情况下会直接开裸机驱动程序呢？
一般情况下，开发计算机资源有限的单片机产品时，都会直接开发裸机驱动程序，我们开发单片机程序时，程序里面既包含业务逻辑代码，同时也包含驱动程序代码，当然可能是有一个人完成的，也可能由不同人完成。
（b）基于OS的驱动程序
图：

（c）以上两种驱动程序的对比
· 不同点：
· 相同点：裸机驱动和基于OS的驱动，它们所做的事情都是一样的

驱动程序写配置寄存器，设置设备的工作模式
通过读写设备的数据寄存器，实现数据的收发
驱动程序负责的事情

对上与应用程序对接（可能需要OS对接）
对下驱动设备
但是驱动的工作到设备寄存器（配置、数据）就ok了，至于设备是如何拿到寄存器的数据去工作的，这就是属于设备的自己的工作范畴，驱动程序已经管不着了，这就好比送餐送到手上就好了，难道还要喂你吃吗。
你觉得写驱动程序的人，他的工作是什么，简单来讲就是通过驱动程序实现以上这两个目的，一个与应用对接，另一个通过寄存器去驱动设备。
· 应用程序与驱动是否在一起呢

裸机：应用和驱动代码写在了一起。
在裸机里面，裸机驱动程序与业务逻辑代码合在了一起，开发时，这两部分代码可以由一个人全部开发，又可以分开由不同的人来开发。
基于OS的驱动：
应用和驱动懂之间完全是分开的，中间通过OS对接。
应用和驱动是分开被开发的，由不同的两部人来分别开发，做应用的专门做应用，做驱动的专门做驱动。
· 裸机驱动与基于OS的驱动，谁更难
总体上来说，基于OS的更难，原因有两方面。
- 第一方面
之所以裸机运行程序，大部分原因是因为计算机资源比较弱，不能跑操作系统，比如类似51这类低级别单片机。
计算机资源较弱，自然控制的设备也比较简单，比如都是一些小电动机，led灯，数码管，小LCD屏等等这类，很简单的设备，控制简单，编写的驱动程序自然也简单。
但是基于OS的驱动就不一样，既然能够跑OS，也就意味计算机能力很足，所控制的设备自然也就很复杂，比如什么大型的液晶屏、大号的键盘、鼠标、触摸屏、磁盘、网卡等等这类复杂的设备，设备复杂了，对应的驱动程序自然也简单不了。
- 第二方面
有操作系统是，驱动程序必须要和OS对接，将驱动加入OS，变成OS的一部分，由OS来管理驱动程序，和OS对接本身就是一件很复杂的事情，如果是裸机的话，就省去了OS这个复杂的因素。
但是我们说过，不管是那种驱动程序，工作的内容都是一样的，一个对上与应用对接，另一个是对象驱动设备，如果你只是想了解驱动的工作都做些设么事情，学习单片机这种裸机驱动程序的开发就可以了。
（5）有关驱动程序的开发
我们这里所讲的驱动，重点指是基于OS的驱动。
1）驱动开发的行业特点
有关驱动的开发可以分为两类
标准化计算机驱动开发，非标准化计算机驱动开发。
（a）非标准化计算机
嵌入式计算机就是非标准化计算机，所谓非标注化的意思就是，硬件和软件没有统一标准化的东西，都是要进行定制的，所谓定制的意思就是说，你具体有什么需求，根据你的特殊需求定制硬件和对应软件。
比如你的是用来控制锅炉的，那我就是专门给你设计符合锅炉环境的设备，如果你的是用于深水探测的，那我就专门定制符合深水环境的设备，相应的设备的硬件和软件需要定制，嵌入式设备的应用环境是千差万的，没办法给出标准化的东西。
嵌入式开发时典型的非标准计算机开发和设计。
嵌入式计算机驱动也分两种
有OS的嵌入式设备驱动开发：开发基于OS的驱动，比如ucos和Linux系统。
没有OS的嵌入式设备驱动开发：纯粹的单片机裸机程序开发，其中就包含裸机驱动开发。