歡迎轉(zhuǎn)載本文，轉(zhuǎn)載地址:
http://www./articles/basic-concept/app-os-driver-hw.html

軟件和硬件

我們通常所說的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(1)實(shí)際上可以被分成兩個(gè)部分：硬件和軟件。硬件就是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有設(shè)備，比如顯示器，鍵盤，鼠標(biāo)，主機(jī)里面的各種器件等等。作為計(jì)算機(jī)存在的物理基礎(chǔ)，這部分通常是看得見，摸得著的；軟件通常也叫程序，一般用來告訴這些硬件做什么以及如何做，比如你電腦里運(yùn)行著的qq，我的魅族MP3播放器里面的操作控制程序等等都是軟件。這些軟件都要依賴特定的硬件才能完成正確的任務(wù)，比如你要用qq把一段話發(fā)給遠(yuǎn)端的朋友，那qq在收到你的話之后，就需要使用網(wǎng)卡發(fā)出去，MP3播放器控制軟件也是一樣。這里我們畫出最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)組成圖就是圖一那樣，我們把軟件置上，硬件置下，并用一個(gè)箭頭連接他們，用來表示它們之間的依賴。

圖一: 軟件和硬件

將軟件細(xì)分為兩種

實(shí)際上軟件程序還可以細(xì)分成兩種：系統(tǒng)程序軟件和應(yīng)用程序軟件。系統(tǒng)程序軟件實(shí)際上就是我們所說的驅(qū)動(dòng)程序，它們的目的只有一個(gè)，就是為了驅(qū)動(dòng)硬件，使之能正常地完成某種硬件功能，比如網(wǎng)卡的發(fā)送數(shù)據(jù)功能，聲卡的播放聲音功能。應(yīng)用程序軟件則用來接收用戶的輸入請(qǐng)求，進(jìn)行很多業(yè)務(wù)運(yùn)算后，再通過驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)硬件去完成用戶所要求的任務(wù)，有時(shí)候應(yīng)用程序軟件也負(fù)責(zé)把運(yùn)算的最終結(jié)果反饋給用戶。畫成圖就是圖二那樣，注意，在整個(gè)軟件系統(tǒng)中，也只有驅(qū)動(dòng)程序最清楚硬件的功能及工作方式，如果上面應(yīng)用程序想要硬件完成什么樣的任務(wù)，必須使用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序所提供的那些接口才行。驅(qū)動(dòng)程序直接驅(qū)動(dòng)硬件進(jìn)行工作，而應(yīng)用程序則只需要知道這些接口，通過它們間接去驅(qū)動(dòng)硬件來完成任務(wù)。這種策略看似簡(jiǎn)單好用，但也會(huì)受到兩方面因素的制約。

圖二: 細(xì)分后的軟件和硬件

首先，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里面的硬件設(shè)備通常不會(huì)只有一個(gè)。比方我的魅族MP3里除了音頻解碼器外，自然也有用來存儲(chǔ)歌曲的設(shè)備。這些設(shè)備各具不同的功能，完成這些功能的操作也就各不相同，就決定了寫出來的驅(qū)動(dòng)程序也是各式各樣的，最后導(dǎo)致他們提供給應(yīng)用程序使用的接口也是千變?nèi)f化的，如圖三那樣，用不同顏色的箭頭表示不同的接口使用。這大大增加了應(yīng)用程序開發(fā)的難度，因?yàn)閼?yīng)用程序開發(fā)者不僅要考慮上層業(yè)務(wù)邏輯的處理，還要非常熟悉各種驅(qū)動(dòng)所提供出來的不同接口。

圖三: 一個(gè)應(yīng)用使用多個(gè)硬件設(shè)備

其次，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里面同時(shí)運(yùn)行著的應(yīng)用程序通常也不會(huì)只有一個(gè)，這些應(yīng)用程序會(huì)競(jìng)爭(zhēng)使用總量特定的硬件設(shè)備資源。比方你和朋友在用qq聊天的同時(shí)，也聽著千千靜聽放出來的音樂，他們都要使用屏幕設(shè)備show出界面，也都要使用物理內(nèi)存(2)來運(yùn)行程序代碼。但是屏幕只有一個(gè)，內(nèi)存也只有那么多，所以在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)范圍內(nèi)，必須有某種機(jī)制來管理分配這些特定硬件資源的使用。如圖四，設(shè)計(jì)的時(shí)候，這種機(jī)制要么放在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)，要么放在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)，但無論放在哪一方，都是會(huì)給這一方的程序開發(fā)者帶來額外的負(fù)擔(dān)。

圖四: 多個(gè)應(yīng)用使用多個(gè)硬件設(shè)備

引入操作系統(tǒng)之后

上面之所以說額外，那是因?yàn)閷?duì)于應(yīng)用程序開發(fā)者來講，其重點(diǎn)要考慮的是業(yè)務(wù)邏輯如何實(shí)現(xiàn)，而不是去考慮硬件資源的管理分配，也最好用不著去區(qū)分那么多驅(qū)動(dòng)程序的不同接口。類似的，對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者來說，其要考慮的重點(diǎn)是如何正確的驅(qū)動(dòng)特定的硬件，而不是去考慮硬件資源的管理分配上。那這部分“額外”的工作由誰去做呢，這正是后來出現(xiàn)的操作系統(tǒng)(3)的職責(zé)所在。

圖五: 引入操作系統(tǒng)后的情況

如圖五，操作系統(tǒng)幫我們考慮對(duì)各種硬件資源的分配管理，并完成對(duì)各種驅(qū)動(dòng)程序所提供接口的抽象，形成一套簡(jiǎn)單一致的接口給上層的應(yīng)用程序去使用。如此，應(yīng)用程序開發(fā)人員只需要知道操作系統(tǒng)所提供的這套編程接口(API)，就可以實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用。前面我們講系統(tǒng)程序軟件實(shí)際上就是驅(qū)動(dòng)程序，但這里我們講系統(tǒng)程序軟件是操作系統(tǒng)。概念上，我們認(rèn)為操作系統(tǒng)依賴于驅(qū)動(dòng)程序這一層，但實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)程序是嵌入到操作系統(tǒng)中去的，所以我們認(rèn)為驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)的一部分。這種鑲嵌大大增加了以往驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者的工作難度，因?yàn)樗麄儾粌H要熟悉手頭的硬件工作原理，更重要的是要確保他們寫的驅(qū)動(dòng)能正確的鑲嵌到操作系統(tǒng)里面去，這就要求他們同時(shí)也必須熟練掌握操作系統(tǒng)提供出來的，用來完成鑲嵌工作的各種接口。