C语言可以直接对硬件进行操作吗？

stonemason

这个取决于何为直接，何为硬件
不然，汇编也不能直接操作硬件，必须经过编译，呵呵

FaintKnowledge

请教发表意见的几位:系统调用的read write,open,ioctl这些函数是做什么用的呢?这些函数不算C语言的范畴吗?
而且,这些函数是可以对硬件进行读写的,只是需要硬件提供一些个命令,然后使用ioctl调用这些命令.这样算不算是对硬件直接进行读写呢?
或者LZ说的是不使用硬件提供的命令,而是自己直接操作硬件??这个不得有什么爆什么啊?得有多少才够浪费的 啊

starwing83

回复 11# pmerofc


    我以前也这么觉得，不过学了汇编才发现，汇编也是碰不到硬件的= =|||

现代的CPU都分“保护模式”和“实模式”，有一些很重要的指令，比如说设置一些关键的寄存器这些事情，是保护模式的程序干不了的。你干了CPU也会掠过去。比如说设置中断向量表指针这种事情。

所谓操作硬件，分两部分：

1. 在物理上，一段地址属于某个硬件，写入或读出这个地址的内容，来操作硬件。
2. 当硬件来消息了，会通知CPU产生一个“中断“，如何处理这个中断，由中断向量表对应项指向的函数决定。

通常电脑启动是这么开始的：
1. 启动的时候BIOS决定各个硬件的中断号。（软跳线）
2. 每个中断号可能能对应多个硬件，即所谓的”总线“，比如著名的USB（通用串行总线），这时，CPU负责联络的就不是硬件本身，而是所谓”硬件控制器“。
3. 所以，起电以后，电脑进入实模式，BIOS负责找到能启动的存储硬件，读取这些硬件的前某些字节，载入内存的前某些位置，然后CPU IP指针设置为那个值，开始执行程序。
4. 这段程序还不是操作系统，只是一个引导器，引导器负责找到内核所在地，然后将内核载入内存，跳转到内核入口开始执行。
5. 内核初始化向量表（用自己内部已经实现的一堆函数），然后设置向量表指针。初始化内存分页机制，然后初始化页表指针等等。所有初始化工作做完，启动第一个进程，通常是init。
6. init进入保护模式，开始执行程序，进入用户眼中的“操作系统”。

也就是说，操作系统是个“盒子”，利用时间上的优先便利，将其他所有程序包进去，保证所有程序都无法（在CPU级别上）触发硬件。

当一个硬件消息到来的时候——比如你碰了一下你的USB鼠标，过程是这样的：
1. 鼠标向USB总线控制器发送一个消息。
2. 总线控制器根据这个消息，给鼠标总线的控制权。（通常这个控制权是分时的，就是你只能用多久，过了就剥夺你的使用权，得重新申请）
3. 鼠标利用这个权利，向总线发出事件通知。
4. 总线控制器先收到了这个通知，根据通知，设定自己的某几个寄存器，然后向中断仲裁器发送消息。
5. 中断仲裁器在处理完自己的工作以后，向CPU发送消息（一个特殊的针脚的电平被改变）
6. CPU处理完自己的事情以后（通常是完整地完成一条机器指令以后），例行检查中断电平，发现被改变，则CPU内部触发中断。
7. 这个触发导致当前执行的任何进程被中断，CPU陷入内核特权级别。内核的中断向量接管现场。
8. 内核在当前的进程的内核栈上干活（这就是为什么说写中断处理例程不要假设自己所在进程的原因：自己有可能在任何进程的上下文下执行）。
9. 内核把紧要的事情做完，然后做个记录，就退出了中断例程——因为中断例程CPU很脆弱，啥都不能干得眼巴巴地等着，所以这货越短越好。
10. 当前进程毫无所觉地做完自己该做的事情。
11. 当前时钟tick到来，CPU暂停所有正在做的事情，开始处理内核事务，内核tick中断例程被执行。
12. 内核例行地检查所有记录，继续执行那些耗时的操作。这时，内核分析之前保存下来的USB的状态，然后开始从地址映射里读出鼠标的当前状态。
13. 这个状态被写入一个“普通”的文件，这个文件就是/dev/mouse
14. 这个写入导致一切跟这个文件有关的状态被改变，一些事件被执行，确切地说，跟踪这个文件的进程会得到“这个文件被改变”的通知。
15. 内核退出tick例程，继续执行当前的进程，直到下个tick的到来，这时内核发现当前进程的时间片用完，接着内核调度进程。
16. 进程调度到了使用/dev/mouse的那个进程（通常是图形服务器，X Server），那个进程得到执行，检查/dev/mouse文件（或者直接被这个文件通知），发现鼠标改变，执行根窗口的鼠标改变例程，首先重绘鼠标指针，然后找到鼠标的当前位置，然后一层一层向下最终找到这鼠标所在窗口，向那个窗口发送IPC消息。
17. 进程调度到那个窗口，窗口得到IPC消息，窗口开始回调鼠标事件，一层一层又一层，最后开始执行鼠标处理例程。
18. 窗口鼠标处理例程发现鼠标实际上什么都没干，扔了这个消息
19. 一切照旧………………

你想到啥了？低效无能的官府机构？对了，就是这样的………………你觉得在这个官僚主义的地方，你还能直接操纵硬件？别想了…………

群雄逐鹿中原

回复 18# starwing83


    厉害！对系统了解的很透彻！再说说程序调用 fwrite 写磁盘文件，发生了什么事情呢？
搬凳子学习。。。

starwing83

回复 19# 群雄逐鹿中原


    fwrite啊？这个就简单多了…………

1. fwrite将内容写到缓冲区，除非满了，否则立即返回
2. 缓冲区满，fwrite在内部调用write系统调用。
3. write系统调用陷入内核，根据内核i-node相关信息，找到对应的那个ops，调用ops->write
4. 通常这是个file-system类型的driver，它通常只是负责将buffer从用户态拷贝到内核态，串到buffer的列表里面。
5. 除非flush了，否则事情就这么完了。
6. 到flush了，内核发现事情大条了，一时间搞不好了，就让那个进程睡掉，然后内核继续施施然爱做啥做啥。
7. 等到内核终于想到了有这茬事儿（其实每次都能想到，tick的时候肯定会处理），内核找到对应的存储driver，让他负责处理同步问题。
8. 存储driver——这里就假设是硬盘吧，闪存稍微有点不太一样——对内存中维护的所有buffer进行排队，然后划分具体的块，按照一定的顺序，启动DMA。这个排队就是传说中的电梯调度算法了——别看我，我也不知道。
9. DMA大师出马，这货很牛逼的，实现方式可能不太一样，反正总的来说就是在CPU累死累活苟延残喘的瞬间，偷偷的一块一块地把内存里的数据转移出去，目标：硬盘的缓冲区。
10. DMA首先PCI总线，PCI控制器联系IDE控制器，IDE询问硬盘控制器，硬盘控制器检查硬盘状态（其实是检查硬盘缓冲区状态），一切OK以后反过来顺次向上通知，最后通知到达DMA里。
11. DMA将数据块通过总线传递，数据块进入硬盘缓冲区，一般到这里系统能做的事情就都就完了。DMA通过中断仲裁器通知CPU事儿完了，接下来的冗长过程参见上贴，总的来说就是事儿做完了，根据调度策略，那个被强制睡眠的进程被唤醒继续执行，或者很可怜地被放到调度队列里等待下次被调度。
12. 硬盘控制器维护缓存（通常较小，8M~32M左右），缓存如果满了，就负责控制硬盘，将缓存写入硬盘。
13. 硬盘控制器控制电机，让磁头旋转到对应磁道表面，根据每圈的一个特殊的信号同步。
14. 同步完毕，计算好大概能到那个位置的时间，然后掐好表，发射！
15. 再转到那个地方，磁头读取一下检查一下，恩，对头，然后继续写下个块……

中间省了一大块，DMA到硬盘缓冲中间一堆事儿，DMA做完事儿了通知上层驱动也是一堆事，都写了20条就写不完了，大致上就是这样，配合上一贴应该很容易理解吧……