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如何设计设备驱动与中断

让硬件事件安全进入内核，并把具体设备收成统一接口。

定位：这页不讲完整硬件协议。它只回答 ToyOS 的设备问题：键盘、磁盘、网卡不会按照应用程序的节奏工作，内核必须接中断、托管缓冲区、唤醒等待进程，并把设备差异隐藏在驱动后面。

一、坏场景：硬件不会乖乖等应用轮询

失败：如果应用自己轮询键盘、磁盘和网卡，它会浪费 CPU、绕过权限、和其他程序抢设备，还要懂每种硬件寄存器。设备事件必须先进入内核。

设备事件	如果没有中断 / 驱动	被迫设计
键盘输入	应用一直轮询，CPU 被浪费	中断 handler 把字符放入输入缓冲区
磁盘 IO 完成	等待进程不知道何时恢复	驱动完成请求，唤醒 blocked 进程
网络包到达	应用直接碰网卡队列，安全和共享失控	内核收包，放入 socket 缓冲区
定时器 tick	死循环程序不让出 CPU	定时器中断触发调度

二、中断路径最小模型

阶段	内核动作	注意点
硬件发中断	CPU 保存部分现场，跳到中断入口	不能依赖用户态栈
中断分发	根据 vector 找 handler	非法 vector 要安全处理
快速处理	读取设备状态，确认中断来源	中断里不能做太慢的事
缓冲 / 入队	把数据放进内核缓冲区或完成队列	注意锁和队列容量
唤醒进程	把等待该事件的进程转 ready	唤醒条件必须精确

on_interrupt(vector): handler = interrupt_table[vector] if handler == null: return spurious_interrupt() handler() disk_interrupt_handler: req = disk.complete_current_request() req.process.state = ready run_queue.push(req.process)

三、驱动接口只保留最小能力

接口	职责	为什么需要统一
`init(device)`	初始化设备和中断	内核启动时能发现并绑定驱动
`read(request)`	提交读取请求	文件系统和终端不用懂硬件细节
`write(request)`	提交写入请求	上层只关心数据，不关心寄存器
`handle_interrupt()`	处理设备事件	中断路径能回到驱动
`status()`	返回设备状态	错误、忙、完成都要可见

四、设备缓冲区是隔离边界

缓冲区	解决什么	失败风险
键盘输入缓冲	中断到达和进程读取速度不一致	缓冲满时丢弃、覆盖或阻塞要有规则
磁盘请求队列	多个进程同时提交 IO	队列无上限会耗尽内存
网络接收缓冲	网卡收包快于应用读取	背压、丢包、限额必须明确
控制台输出缓冲	多个进程同时打印	输出交错、权限和阻塞策略

五、验收实验

实验	通过标准	证明了什么
定时器实验	固定间隔进入 handler，并触发调度检查	中断入口和调度联动成立
键盘实验	按键后阻塞读取进程被唤醒	设备事件能转成进程状态变化
磁盘实验	read block 提交后阻塞，完成中断后返回数据	异步 IO 路径成立
缓冲区实验	输入超过缓冲上限时按规则处理	设备不会无限消耗内存
坏设备实验	设备返回错误时，等待进程得到错误码	驱动失败不拖垮内核

六、回到操作系统主线

下一页：IPC 与同步

设备和中断进入内核后，下一步是处理进程之间的等待、唤醒和协作。继续看如何设计 IPC 与同步。

上一步：文件系统

如果你想先看块设备怎样变成文件和目录，回到如何设计文件系统。

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一句话：驱动和中断不是硬件知识堆叠，而是把不可预测的硬件事件收进内核状态机，让设备变成可排队、可限额、可唤醒、可返回错误的资源。