設備驅動程序

1、設備驅動程序 與設備密切相關的代碼放在設備驅動程序中，每個設備驅動程序處理一種設備類型，例如，即使系統(tǒng)支持若干不同商標的終端，只要其差別不大，就可以設計一個終端驅動程序。但是，若系統(tǒng)支持的終端性能差別很大，如不靈活的硬拷貝終端與帶有小鼠標的智能位映象圖形終端，則必須設計不同的終端驅動程序。 上一節(jié)我們介紹了設備控制器做的工作，知道每一個控制器都設有一個或多個設備寄存器，用來存放向設備發(fā)送的命令和參數(shù)。設備驅動程序負責泄放這些命令，并監(jiān)督它們正確執(zhí)行。因此，磁盤驅動程序是操作系統(tǒng)中唯一知道磁盤控制器設置有多少寄存器以及這些寄存器作用的。只有它才了解磁盤擁有的扇區(qū)數(shù)、磁道數(shù)、柱面數(shù)、磁頭數(shù)、臂的移

2、動、磁盤交叉訪問系數(shù)、馬達驅動器，磁頭穩(wěn)定時間和其它所有保證磁盤正常工作的機制。 一般，設備驅動程序的任務是接收來自與設備無關的上層軟件的抽象請求，并執(zhí)行這個請求。一個典型的請求是“讀第幾塊”。如果請求到來時，驅動程序的進程空閑，它立即開始執(zhí)行這個請求；若驅動程序的進程正在執(zhí)行一個請求，這時它將新到來的請求排到一個等待處理的IO請求隊列中，待正執(zhí)行的請求完成后，再依次從IO請求隊列中取出一個個IO請求，逐個處理。 以磁盤為例，實際實現(xiàn)一個IO請求的第一步是將這個抽象請求（READ（文件名，記錄號） 轉換成磁盤的具體參數(shù)。對于磁盤驅動程序來說，就是計算請求塊實際在磁盤的位置，檢查驅動器的馬達是否

3、正在運轉，確定磁頭是否定位在正確的柱面上等等?？傊?，它必面決定需要控制器的哪些操作，以及按照什么樣的次序實現(xiàn)。一旦明確應向控制器發(fā)送哪些命令，它就向控制器一次只能接收一條命令（如DMA方式下），有一些控制器則接收一個命令鏈表（通道方式下），然后自行控制執(zhí)行，不再求助于操作系統(tǒng)。 在設備驅動程序的進程泄放一條或多條命令后，系統(tǒng)有兩種處理方式，多數(shù)情況下，執(zhí)行設備驅動程序的進程必須等待命令完成。這樣，在命令開始執(zhí)行后，它阻塞自已，直到中斷處理時將它解除阻塞為止。而在其它情況下，命令執(zhí)行不必延遲就很快完成。例如，某些終端（包括IBMPC）的滾屏操作，只要求把幾個字節(jié)寫到控制器的寄存器中即可，整個操作

4、只在幾微秒就能完成。因此，執(zhí)行設備驅動程序的進程不必等待。 上述兩種處理方式，在操作完成后，都必須檢查數(shù)據(jù)傳輸是否有錯。若有錯，則它返回一些錯誤狀態(tài)信息給調用者。若無錯，設備驅動程序還負責將數(shù)據(jù)傳送到設備無關的軟件層。若還有未完成的請求在排隊，則再選擇一個啟動執(zhí)行。若沒有未完成的請求時，則該驅動程序進程等待下一個請求的到來。1.4.1 整體式系統(tǒng)整體式系統(tǒng)是最常用的組織的方式，但常被人們形容為“一鍋粥”，其結構實際就是“無結構”。整個操作系統(tǒng)是一堆過程的集合，每個過程都可以調用任意其他過程。使用這種技術時系統(tǒng)中的每一個過程都有一個定義完好的接口，即它的人口參數(shù)和返回值，而且相互間的調用不受約束

5、。在整體式系統(tǒng)中，為了構造最終的目標操作系統(tǒng)程序，開發(fā)人員首先將一些獨立的過程進行編譯，然后用鏈接程序將其他鏈接在一起成為一個單獨的目標程序。從信息隱藏的觀點看，它沒有任何程度的隱藏每一個過程都對其他過程可見。（與此相對的是將系統(tǒng)分成若干個模塊，信息被隱藏在這些模塊內部，在外部只允許從預定好的調用，這如圖1-16所示。（多數(shù)CPU有兩種狀態(tài)：核心態(tài)：供操作系統(tǒng)使用，該狀態(tài)下可以執(zhí)行機器的所有指令；用戶態(tài)：借用戶程序用，該狀態(tài)下I/O操作和某些其他操作不能執(zhí)行。）操作系統(tǒng)隨后檢查一張系統(tǒng)調用的參數(shù)以確定應執(zhí)行哪條系統(tǒng)調用，這如圖1-16所示，它確定了將調用的服務過程。當系統(tǒng)調用結束后，控制又返回

6、給用戶程序（第4步），于是繼續(xù)執(zhí)行系統(tǒng)調用后面的語句。這種組織方式提出了操作系統(tǒng)的一種基本結構：（1） 一個用來調用被請求服務例程的主要程序。（2） 一套執(zhí)行系統(tǒng)調用的服務例程。（3） 一套支持服務例程的實用過程。在這種模型中，每一條系統(tǒng)調用都由一個服務例程完成；一組實用過程用來完成若干服務例程都需要用到的功能，如從用戶程序獲取數(shù)據(jù)等，這種將各種過程分為三層的模型如圖1-17所示。層次式系統(tǒng)圖1-17所示的系統(tǒng)進一步通用化就成為層次式系統(tǒng)，即上層軟件基于下層軟件之該系統(tǒng)分為六層，如圖1-18所示。第零層進行處理分配，當發(fā)生中斷或時鐘到達期限時由該層軟件進行切換。在第零層之上有若干個順序進程運行

7、，編寫這些進程時就不再考慮多個進程在單一處理器上運行的細節(jié)。換句話說，第零層提供了CPU基本的多道程序功能。層次功能5操作員4用戶程序3輸入/輸出管理2操作員-進程通信1內存和磁盤管理0處理器分配和多道程序 圖1-18 THE操作系統(tǒng)的結構 第一層進行內存管理，它為進程分配內存空間，當內存用完時則會在用作對換的512K字的磁盤上分配空間。在第一層之上，進程不用再考慮它是在內存還是在磁盤上，因為第一層軟件保證在需要訪問某一頁面時，它必定在內存中。第二層軟件處理進程與操作員控制臺之間的通信。在第二層之上，則可認為每個進程都有它自己的操作員控制臺。第三層軟件管理I/O設備和相關的信息流緩沖。在第三層

8、之上，每個進程都與適當抽象了的設備打交道而不必考慮物理設備的細節(jié)。第四層是用戶程序層，用戶程序在此不考慮進程、內存、控制臺和I/O設備等環(huán)節(jié)。系統(tǒng)操作員進程位于第五層。MULTICS對層次化概念進行了更一步的通用化，它不采用層而是由許多同心環(huán)構成，內層的環(huán)比外層的環(huán)有更高的特權級，當外層環(huán)的過程調用內層環(huán)的過程時，它必須執(zhí)行一條類似系統(tǒng)調用的TRAP指令，TRAP指令執(zhí)行前要進行嚴格的參數(shù)合法性檢查。盡管在MULTICS中操作系統(tǒng)是各個用戶進程地址空間的一部分，硬件仍然能夠對單個進程（實際是內存中的一個段）的讀、寫和執(zhí)行權限進行保護。實際上THE分層方案只是在設計提供了一些方便，因為系統(tǒng)的各個

9、部分最終仍然被鏈接成一個完整的單個目標程序，而在MULTICS中，上述環(huán)形方案在運行中是實際存在的且由硬件實現(xiàn)。環(huán)形方案的一個優(yōu)點是它很容易被 擴展，以構造用戶系統(tǒng)。例如在一介系統(tǒng)中，教授可以寫一個程序來檢查學生編寫的程序并打分，將教授的程序放在第 個環(huán)中運行，而將學生的程序放在第 +1個環(huán)中運行，則學生無法 改教授給出的成績。143虛擬機系統(tǒng)OS360的最早版本是純粹的批處理系統(tǒng)，然而許多360的用戶希望使用分時系統(tǒng)，于是IBM公司和另外的一些研究小組決定開發(fā)一個分時系統(tǒng)。隨IBM后提供了一套分時系統(tǒng)TSS360，但它非常龐大，運行緩慢，幾乎沒有什么人用。該系統(tǒng)在花費了約五千萬美元的研制費用

10、后最終被棄之不用（Graham,1970）。但IBM設在麻省劍橋的一個研究中心開發(fā)了一個完全不同的系統(tǒng)，最終被IBM用作為產(chǎn)品。該系統(tǒng)目前仍然在IBM的大型主機上廣泛使用。該系統(tǒng)最初命名為CPCMS，后來改為VM370（Seawright and Mackinnon,1979 ）。它基于如下的思想：一個分時系統(tǒng)應該提供以下特性：（1）多道程序，（2）一個具有比裸機更方便，界面擴展的計算機。VM370的主旨在于將此二者徹底地隔離開來。該系統(tǒng)的核心稱作虛擬機監(jiān)控程序，它在裸機上運行并具備多道程序功能。它向上層提供了若干臺虛擬機，如圖119所示。與其他操作系統(tǒng)不同的是：這些虛擬機不是那種具有文件等良

11、好特征的擴展計算機，而僅僅是裸機硬件的精確復制。它包含有：核心態(tài)用戶態(tài)，IO功能，中斷，以及真實硬件具有的全部內容。因為每臺虛擬機都與裸機完全一樣，所以每臺虛擬機可以運行裸機能夠運行的任何操作系統(tǒng)。不同的虛擬機可以運行不同的操作系統(tǒng)而且往往如此。某些虛擬機運行OS360的后續(xù)版本作批處理或事務處理，而同時另一些運行一個單用戶交互系統(tǒng)供分時用戶使用，該系統(tǒng)稱作CMS（Conversational Monitor System,會話監(jiān)控系統(tǒng)）。當CMS上的程序執(zhí)行一條系統(tǒng)調用時，該系統(tǒng)調用陷入其自己的虛擬機的操作系統(tǒng)，而不是VM370，這就像在真正的計算機上一樣。CMS然后發(fā)出正常的硬件IO指令來

12、執(zhí)行該系統(tǒng)調用。這些IO指令被VM370捕獲，隨后VM370執(zhí)行這些指令，作為對真實硬件模擬的一部分。通過將多道程序功能和提供虛擬機分開，它們各自都更簡單更靈活和易于維護。144客戶服務器系統(tǒng)VM370將傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的大部分代碼（實現(xiàn)擴展的計算機）分離出來放在更高的層次上，即CMS，由此使系統(tǒng)得以簡化。但VM370本身仍然非常復雜，因為模擬許多虛擬的370硬件不是一件簡單的事情（尤其是還想作得高效時）?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)的一個趨勢是將這種把代碼移到更高層次的思想進一步發(fā)展，從操作系統(tǒng)中去掉盡可能多的東西，而只留一個最小的核心。通常的方法是將大多數(shù)操作系統(tǒng)功能由用戶進程來實現(xiàn)。為了獲取某項服務，比如讀

13、文件中的一塊，用戶進程（現(xiàn)稱客戶進程，client process）將此請求發(fā)送給一個服務器進程（server process），服務器進程隨后完成此操作并將回答信息送回。該模型示于圖120，核心的全部工作是處理客戶與服務器間的通信。操作系統(tǒng)被分割成許多部分，每一部分只處理一方面的功能，如文件服務進程服務終端服務或存儲器服務。這樣每一部分變得更小，更易于管理。而且，由于所有服務器以用戶進程的形式運行，而不是運行在核心態(tài)，所以它們不直接訪問硬件。這樣處理的結果是：假如在文件服務器中發(fā)生錯誤，文件服務器可能崩潰，但不會導致整個系統(tǒng)的崩潰。客戶一服務器模型的另一個優(yōu)點是它適用于分布式系統(tǒng)（參閱圖121），如果一個客戶通過消息傳遞與服務器通信，客戶無需知道這條消息是在本機就地處理還是通過網(wǎng)絡送給遠地機器上的服務器。在這兩種情況下，客戶機的處理都是一樣的：發(fā)送一個請求，收回合。某些操作系統(tǒng)功能（如向物理IO設備寄存器寫入命令字）靠用戶空間的程序是很難完成的。解決這個問題的方法有兩種：一種是設立一個運行于核心態(tài)的專用服務器進程，它具有訪問硬件的絕對權力，但仍舊通過平常的消息機制與其他進程通信。另一種方