计算机硬件驱动程序的工作原理探究

时间:2019-09-27

　　摘   要：　驱动程序是硬件和软件功能连接的重要组成, 随着各种硬件和相关软件的频繁换代与更新, 驱动程序依然是计算机系统应用中所不可或缺的。本文首先从硬件与软件的组成来阐述了计算机体系结构, 并重点分析了计算机硬件驱动程序的基本结构、工作过程与所发挥的作用, 以及驱动程序与硬件和软件之间的关联性, 以提高人们对计算机硬件软件相互配合工作机制的理解。

　　关键词：　计算机; 硬件; 软件; 驱动程序;
 

　　0、 引言

　　计算机外围设备的使用必须要有相应的驱动程序支持, 如常规外接打印机、移动手机等于电脑的连接之前必须安装特定的驱动, 但有些常用外设不需要主动安装驱动程序, 如鼠标、键盘、U盘等, 这主要是由于操作系统已经预设了常用标准外设的驱动程序, 可见, 对于标准的外设并不需要开发并安装驱动程序, 而对于非标准外设则需要开发特定的驱动程序来支持设备的连接。总而言之, 计算机外设必须借助设备驱动程序实现功能连接, 方能实现相应的功能。

　　本文正是基于对设备驱动程序的了解, 从计算机体系结构与组成出发, 分析驱动程序的重要作用, 并深入阐述了设备驱动程序的原理和工作过程, 为进一步掌握计算机软硬件技术提供必要基础。

　　1、 计算机体系结构概况

　　所谓计算机体系结构, 是指从软硬件工程师角度对计算机组成进行抽象化的一个结构, 也就是说概念性的结构, 通过该结构有助于对真实计算机的组成与工作原理的理解, 才能进行软硬件技术开发。当前计算机基本都是基于冯·诺依曼结构而来的。

　　1.1、冯·诺依曼计算机结构

　　图1 基于冯·诺依曼体系结构的计算机组成

　　图2 主机和外设之间常用的几种连接模式

　　从图1可知, 冯·诺依曼体系结构指出了计算机的基本硬件组成和程序工作流程。其中一般计算机 (或电子信息产品) 硬件都可以看成是由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备组成, 且内部的指令 (也就是程序) 和数据均采用二进制表示。其内部涉及两种重要程序, 分别是存储程序和控制程序, 存储程序是将事先计划输入到计算系统的数据或程序按照二进制码存储在存储器中;而控制程序是控制计算机按照规定程序逐条执行, 来实现计算机的自动数据处理任务。

　　1.2、计算机与外设的连接

　　主要是从典型的冯·诺依曼体系结构对计算机内部硬件组成与软件流程进行了阐述, 而要阐述计算机硬件驱动程序, 首先需要了解到计算机与外设的连接方式, 如图2所示。

　　可见, 计算机的外设都是通过接口连接, 但是接口连接有多种, 图2说明中的 (a) 辐射型接法, 即直接通过I/O接口连接; (b) 总线型接法, 即通过总线扩展的接口连接, (c) 通道型接法, 即通过多个通道与接口相接, 然后通道通过总线扩展实现与外部设备的相连接。

　　2、 驱动程序的工作原理

　　当前Microsoft公司开发的Windows系列操作系统是不允许应用程序对硬件设备的直接访问的, 所以, 为了达到对硬件设备的访问与控制, 或者说硬件为了实现对应的功能, 必须借助操作系统所接纳的驱动程序, 才能实现对硬件设备的访问与控制, 可见驱动程序是十分关键的, 是介于操作系统与硬件之间的一种桥梁枢纽, 通常也把驱动程序看成是操作系统的组成部分。

　　2.1、驱动程序的基本结构

　　驱动程序本质上是软件代码, 其主要作用是计算机系统与硬件设备之间完成数据传送的功能, 只有借助驱动程序, 两者才能通信并完成特定的功能。如果一个硬件设备没有驱动程序, 只有操作系统是不能发挥特有功效的, 也就是说驱动程序是介于操作系统与硬件之间的媒介, 实现双向的传达, 即将硬件设备本身具有的功能传达给操作系统, 同时也将操作系统的标准指令传达给硬件设备, 从而实现两者的无缝连接, 其基本结构如图3所示。

　　图3 硬件设备驱动程序体系结构

　　2.2、驱动程序的工作过程

　　图3所示的是硬件设备驱动程序体系结构, 有时也称为硬件接口, 是操作系统访问控制硬件设备唯一途径, 只有该接口驱动程序正常工作, 对应的硬件设备才能发挥特定的功能, 否则该硬件设备是无法正常工作的, 这在日常使用计算机外设时经常出现类似的问题。

　　从软件角度看, 驱动程序是一段代码, 代码主要包含对应的硬件设备信息, 且如图3所示的建立了访问接口, 这段程序代码一般都是直接添加到操作系统中, 这样操作系统便可直接通过系统函数调用驱动程序函数进行发送数据, 同时操作系统为驱动程序设定中断程序来接收硬件设备的上传数据, 进而完成这种双向的数据通信功能。图3中的功能转换单元实际上就是将操作系统的功能转换为硬件设备的功能, 起到了中间转义功能。一般来说, 硬件设备的驱动程序是由硬件厂商结合特定操作系统编写的一种配置文件, 也就说不同的操作系统其驱动程序是不一样的, 这从图3的体系结构是可以明显看到的, 与此同时, 由于操作系统的升级, 硬件设备需要与系统保持良好的兼容性, 这时硬件设备厂商会不断升级驱动程序, 来确保其硬件设备的性能最佳, 如有的显卡芯片驱动程序经常提醒需要升级。

　　从硬件角度来看, 驱动程序又是硬件设备的组成部分, 一般在安装计算机外部设备时, 必须安装相应的驱动程序, 否则硬件无法识别无法工作。驱动程序的这种中间媒介的沟通作用, 本质上是把硬件设备的信息与功能向操作系统进行上传, 同时也将操作系统的指令传达给硬件设备, 通知完成特定的功能, 如打印机的使用。

　　2.3、驱动程序的使用问题

　　亲自安装过Windows操作系统都有体会, 当系统安装后, 通常需要立即安装计算机核心部件的驱动, 如主板驱动、芯片组驱动、显卡声卡驱动、触摸板驱动、有线无线网卡驱动等。同样, 如果需要增加计算机外设, 如常见办公需要的打印机、娱乐游戏的方向盘与手柄等均需要立即安装特定的驱动程序。下面就硬件设备驱动程序的获取方法与途径进行介绍, 为对驱动程序的应用开拓视野。

　　通常情况下, 首先需要确认计算机系统所拥有的硬件设备及其型号, 然后针对性地查找硬件设备驱动程序。一般情况下都会按照以下顺序依次获取硬件设备驱动程序, 分别为: (1) 如果硬件设备自带驱动光盘则优先使用随带驱动; (2) 如果没有随带驱动则需要主动到供应商指定网站下载对应硬件设备相应型号的驱动程序; (3) 如果 (1) (2) 都不具备, 则一般会转向一般公共网站下载驱动程序; (4) 除此之外, 也可以借助第三方软件, 如驱动精灵等对硬件设备进行自动扫描检测, 以获取相应的型号, 并下载安装与之匹配的驱动程序。虽然各种方法最终的目的是一致的, 实现硬件设备功能驱动, 但一般都建议采用自带或来自官网的驱动程序, 以便更好的兼容系统。

　　3、 结论

　　计算机是有硬件和软件组成的综合体, 硬件是载体, 软件是核心, 只有硬件的计算机无法完成既定的工作任务, 两者相辅相成, 缺一不可。硬件设备作为计算系统常用的外部设备, 当需要在计算机协助配合下完成特定任务, 必须与计算机建立功能连接, 目前连接方式可以有有线连接也可以是无线连接, 但必须在对应驱动程序的协助下实现与计算机系统的功能连接。硬件设备的不同, 驱动程序肯定不同, 同种硬件设备型号不同, 相应的驱动程序也可能不同, 因此, 在实际应用过程中需要先确认对应的硬件及型号, 再确认计算机操作系统, 安装匹配的驱动程序, 才能确保硬件设备功能的正常。

　　与此同时, 一般也可以将硬件设备驱动程序看成是操作系统的一部分, 这主要是由于驱动程序是直接与系统进行数据的发送与接收, 所以随着计算机系统的升级, 如当前的Windows 10系统已经集成了常见的计算机硬件设备驱动程序, 这给计算机的安装与使用带来极大的便利。

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