Linux&Windows设备驱动机制的剖析、对比及实践

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现代计算机系统都采用多任务多用户操作系统,系统中的每一个外部设备都需要驱动程序的支持。 随着外部设备种类越来越丰富,功能、接口更加多样化,与此相关的驱动程序支持也成为一个开发热点。与一般的应用程序编写相比,驱动程序的开发涉及知识面更广,难度更大一些。首先,要想对设备编写驱动程序,必须对硬件细节有所了解,如果设备是总线类型的,开发人员还需要去理解相关的总线机制和协议。其次,驱动程序编程属于内核编程,驱动程序编写的好坏,将直接影响到系统内核的安全和效率。本文就是在这样的背景下,对 Linux 和Windows 两种主流系统下的驱动开发机制作了剖析、对比,并且选取了典型的PCI和USB总线接口设备,亲自编写了两种系统下的设备驱动程序。 Linux 以它的开源性和高性能著称。Linux 系统在个人桌面、服务器领域和嵌入式应用方面都取得了长足的发展,受到了业界厂商和个人用户的一致认可。本文先是系统阐述了Linux中驱动程序的机制,然后在实例开发阶段,选取了常见而且典型的PCI和USB总线接口设备,成功的完成了它们的驱动程序,并且提炼出了该类总线设备一般性的驱动程序框架。 Windows系统依然是目前最流行的个人操作系统。Windows为设备驱动程序提出了一个WDM模型。遵循该模型开发的驱动程序可以实现和内核其他部分的安全接合,并且可以在几个Windows系统间实现源代码级移植。在本文中,先是简要介绍了WDM驱动程序模型,然后选择了高效简捷的WDM驱动开发工具DriverStudio,对在Linux驱动开发中使用过的PCI和USB总线板卡成功的进行了Windows驱动程序开发。 本文中开发的驱动程序,涉及到设备文件读写、并发互斥控制、中断处理以及DMA操作等驱动开发的关键技术,颇具典型性。这几个驱动程序的成功开发对于理清两种系统中的驱动程序框架,PCI和USB总线机制,操作系统的内核编程等方面都是极为有益的探索和实践。
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