ch5-5.9windowsIO系統(tǒng)和5.8Linux設(shè)備管理

1、15.8Linux的設(shè)備管理5.8.1 設(shè)備管理概述5.8.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序5.8.3 設(shè)備I/O的處理25.8.1 Linux設(shè)備管理概述 Linux中，設(shè)備當(dāng)作文件處理，可使用標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)調(diào)用來(lái)控制設(shè)備操作。對(duì)于字符設(shè)備和塊設(shè)備，其設(shè)備文件用mknod命令創(chuàng)建，用主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)，同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制的所有設(shè)備具有相同的主設(shè)備號(hào)，并用不同次設(shè)備號(hào)加以區(qū)別； 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也當(dāng)作設(shè)備文件來(lái)處理，不同的是這類設(shè)備由Linux創(chuàng)建，并由網(wǎng)絡(luò)控制器初始化； 設(shè)備文件與普通文件有著根本不同，當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)普通文件時(shí)，它會(huì)通過(guò)文件系統(tǒng)訪問(wèn)磁盤分區(qū)中的數(shù)據(jù)塊；當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)設(shè)備文件時(shí)，它只要驅(qū)動(dòng)物理設(shè)備就行，V

2、FS負(fù)責(zé)為應(yīng)用程序隱蔽設(shè)備文件與普通文件之間的差異，可把對(duì)設(shè)備文件的任一系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換成對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)調(diào)用。35.8.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序1 驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷2 設(shè)備的打開(kāi)與釋放3 設(shè)備的讀寫操作4 設(shè)備的控制操作和控制方式45.8.3 設(shè)備I/O的處理1 數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備驅(qū)動(dòng)2 塊設(shè)備請(qǐng)求3 低級(jí)請(qǐng)求處理55.9Windows 2003I/O系統(tǒng)系統(tǒng) 5.9.1 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組件 5.9.2 I/O系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.9.3 I/O類型和處理5.9.4 高速緩存管理 65.9.1 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組件(1) Windows I/O系統(tǒng)是執(zhí)行體的組件，存在于 NTOSKRNLEXE文件中。

3、它接受來(lái)自用戶態(tài)和核心態(tài)的I/O請(qǐng)求，并以不同形式把它們傳送到I/O設(shè)備。 7I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組件(2) 用戶模式即插即用管理器應(yīng)用程序WIN32系統(tǒng)服務(wù)W M I服務(wù)安裝組件.inf.cat注 冊(cè)表用戶態(tài)核心態(tài)I/O管理器即插即用管理器電源管理器WDM WMI例程WDM接口WDM即插即用總線驅(qū)動(dòng)器ACPIPC卡USBPCIWDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序即插即用驅(qū)動(dòng)程序硬件抽象層HALI/O接口電源管理器接口即插即用接口執(zhí)行體其它接口8一個(gè)典型的I/O請(qǐng)求流程I/O系統(tǒng)服務(wù)API(NtXXX)I/O管理器核心態(tài)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序HAL I/O服務(wù)例程I/O端口和寄存器驅(qū)動(dòng)程序支持例程用戶模式API9I/O管理的

4、特點(diǎn)1) I/O包驅(qū)動(dòng)2) 通過(guò)虛擬文件實(shí)現(xiàn)I/O操作105.9.2I/O系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 四種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代表了I/O請(qǐng)求： 文件對(duì)象、 驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蟆?設(shè)備對(duì)象、 IO請(qǐng)求包(IRP)。 111、文件對(duì)象 文件作為對(duì)象來(lái)管理，是可以共享的系統(tǒng)資源，被基于對(duì)象的安全性所保護(hù)，并且它們支持同步。 當(dāng)調(diào)用者打開(kāi)文件或單一設(shè)備時(shí)，I/O管理器為文件對(duì)象返回句柄。 文件對(duì)象由包含訪問(wèn)控制表(ACL)的安全描述體保護(hù)。 I/0管理器查看安全子系統(tǒng)來(lái)決定文件的ACL是否允許進(jìn)程去訪問(wèn)它的線程正在請(qǐng)求的文件。 122、驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蠛驮O(shè)備對(duì)象(1) 線程為文件對(duì)象打開(kāi)句柄時(shí)，I/O管理器根據(jù)文件對(duì)象名稱來(lái)決定將調(diào)用

5、哪個(gè)或哪些驅(qū)動(dòng)程序來(lái)處理請(qǐng)求。下面的系統(tǒng)對(duì)象滿足這些要求： 驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο?，I/O管理器從驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο笾蝎@得并且為I/O記錄每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)度例程的地址。 設(shè)備對(duì)象在系統(tǒng)中代表一個(gè)物理的、邏輯的設(shè)備并描述它的特征，例如，所需要的緩沖區(qū)的對(duì)齊方式和用來(lái)保存I/O請(qǐng)求包的設(shè)備隊(duì)列位置。13驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蠛驮O(shè)備對(duì)象(2)功能碼1功能碼2 功能碼n驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο笞x寫設(shè)備控制啟動(dòng)I/O卸載取消設(shè)備對(duì)象設(shè)備對(duì)象設(shè)備對(duì)象該驅(qū)動(dòng)程序操作的設(shè)備143、I/O請(qǐng)求包 (1) IRP是I/O系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)處理IO請(qǐng)求所需信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 線程調(diào)用I/O服務(wù)時(shí)，I/O管理器就構(gòu)造一個(gè)IRP來(lái)表示在整個(gè)系統(tǒng)I/O進(jìn)展中要進(jìn)行的

6、操作。 I/O管理器在IRP中保存一個(gè)指向調(diào)用者文件對(duì)象的指針。15I/O請(qǐng)求包 (2) IRP由兩部分組成 固定部分(標(biāo)題)和一個(gè)或多個(gè)堆棧單元。 固定部分包括：請(qǐng)求的類型和大小、同步請(qǐng)求還是異步請(qǐng)求、用于緩沖I/O的指向緩沖區(qū)的指針和隨著請(qǐng)求的進(jìn)展而變化的狀態(tài)信息。 IRP堆棧單元包括一個(gè)功能碼、功能特定的參數(shù)和指向調(diào)用者文件對(duì)象的指針。164 驅(qū)動(dòng)程序分類和組成1) 驅(qū)動(dòng)程序分類：(1)核心模式驅(qū)動(dòng)程序。 (2)用戶模式驅(qū)動(dòng)程序。 (3)硬件支持驅(qū)動(dòng)程序。2)包括調(diào)用處理I/O請(qǐng)求不同階段的例程，主要有：初始化例程、功能例程、啟動(dòng)I/O例程、中斷服務(wù)例程、延遲過(guò)程調(diào)用例程、完成例程、取消

7、例程、卸載例程、系統(tǒng)關(guān)閉通知例程和錯(cuò)誤記錄例程。175 多處理機(jī)中I/O同步問(wèn)題 多個(gè)CPU上運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)程序必須同步執(zhí)行的主要原因。 驅(qū)動(dòng)程序必須同步執(zhí)行的方法。185.9.3 I/O類型和處理(1)1 I/O類型 1) 同步I/O和異步I/O 2) 快速I/O 3) 映射文件I/O和文件高速緩存 4) 分散/集中I/O19I/O類型和處理(2) 2 I/O處理步驟(1) Windows核心態(tài)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序I/O請(qǐng)求包含步驟： I/O庫(kù)函數(shù)經(jīng)過(guò)語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)庫(kù)轉(zhuǎn)換成對(duì)子系統(tǒng)DLL的調(diào)用； 子系統(tǒng)DLL調(diào)用I/O的系統(tǒng)服務(wù)； I/O系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用對(duì)象管理程序，檢查給定的文件名，再搜索名空間，把控制轉(zhuǎn)交

8、給I/O管理器尋找文件對(duì)象； 驅(qū)動(dòng)程序詢問(wèn)安全子系統(tǒng)，確定線程的存取權(quán)限。20I/O類型和處理(3) I/O處理步驟(2) I/O管理器以IRP的形式將I/O請(qǐng)求送給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)I/O操作； 設(shè)備完成指定操作，請(qǐng)求I/O中斷，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的ISR服務(wù)于中斷； I/O管理器再調(diào)用I/O完成例程，將完成狀態(tài)返回給調(diào)用線程。 上述是同步I/O執(zhí)行的步驟，對(duì)于異步I/O，還要增加一步，I/O管理器將控制返回調(diào)用線程，使得調(diào)用線程與I/O操作并行執(zhí)行。213 對(duì)單層驅(qū)動(dòng)程序的I/O請(qǐng)求處理創(chuàng)建IRP，發(fā)送到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序IRP頭部WriteFile(參數(shù))核心態(tài)用戶態(tài)應(yīng)用程序執(zhí)行WriteF

9、ile（參數(shù)）；環(huán)境子系統(tǒng)或DLLI/O請(qǐng)求傳送到環(huán)境子系統(tǒng)DLLNtWriteFile(參數(shù))完成傳輸，返回成功或錯(cuò)誤狀態(tài)I/O管理器設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)度例程啟動(dòng)I/O例程ISR例程DPC例程打印機(jī)執(zhí)行I/O并產(chǎn)生中斷I/O系統(tǒng)服務(wù)處理中數(shù)，將成功/錯(cuò)誤碼填入IRP返回文件對(duì)象設(shè)備對(duì)象驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο笙蝌?qū)動(dòng)程序傳送IRP中指定參數(shù)224 對(duì)多層驅(qū)動(dòng)程序的I/O請(qǐng)求處理1) 打開(kāi)一個(gè)文件2) 讀文件3) 寫文件235.9.4高速緩存管理1高速緩存管理器主要特征 (1)單一集中式系統(tǒng)高速緩存(2)與主存管理器結(jié)合 (3)高速緩存的一致性 (4)虛擬塊緩存 (5)基于流的緩存 (6)可恢復(fù)文件系統(tǒng)支持 242

10、、高速緩存的結(jié)構(gòu)(1) 系統(tǒng)高速緩存管理器基于虛擬空間緩存數(shù)據(jù)，它管理一塊系統(tǒng)虛擬地址空間區(qū)域，而不是一塊物理主存區(qū)域。 高速緩存管理器把每個(gè)地址空間區(qū)域分成256KB的槽(slot)，被稱為視圖(view)。25高速緩存的結(jié)構(gòu)(2) 視圖0視圖1視圖2視圖3視圖4 視圖n區(qū)域0區(qū)域1區(qū)域0區(qū)域0視圖5區(qū)域1區(qū)域2系統(tǒng)高速緩存文件A(500KB)文件B(750KB)文件C(100KB)263高速緩存的操作 (1)回寫緩存和延遲寫 (2)計(jì)算臟頁(yè)閾值 (3)屏蔽對(duì)文件延遲寫 (4)強(qiáng)制寫緩存到磁盤 (5)刷新被映射的文件 (6)智能預(yù)讀 (7)虛擬地址預(yù)讀 (8)帶歷史信息的異步預(yù)讀 27快速IO 讀寫被緩存文件可用被稱為快速IO的高速機(jī)制來(lái)處理。快速IO讀寫一個(gè)緩存的文件不要產(chǎn)生IO請(qǐng)求包(1RP)。 有了快速IO機(jī)制，IO管理器可以調(diào)用文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的快速IO例程來(lái)查看是否能夠直接從高速緩存管理器得