07748操作系統(tǒng)實(shí)用教程5設(shè)備管理

操作系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)第5章設(shè)備管理首先回顧操作系統(tǒng)的總體構(gòu)架，從而定位設(shè)備管理所處地位然后學(xué)習(xí)設(shè)備管理的基本原理最后了結(jié)LINUX設(shè)備管理實(shí)例操作系統(tǒng)的基本組織結(jié)構(gòu)進(jìn)程與資源管理文件管理存儲(chǔ)管理設(shè)備管理處理機(jī)主存設(shè)備操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件Linux文件系統(tǒng)設(shè)備管理引言輸入/輸出硬件輸入/輸出軟件LINUX輸入/輸出系統(tǒng)概述小結(jié)引言硬件設(shè)備與控制軟件之間的聯(lián)系：設(shè)備—控制器—內(nèi)存映射地址—處理機(jī) 驅(qū)動(dòng)程序—I/O管理程序—文件系統(tǒng)—用戶的I/O請(qǐng)求設(shè)備管理的主要任務(wù)設(shè)備分配實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸提供用戶使用接口提高并行操作度設(shè)備管理程序提供的功能為進(jìn)程管理提供接口（將進(jìn)程的請(qǐng)求轉(zhuǎn)給設(shè)備管理）實(shí)施設(shè)備分配（設(shè)備分類、調(diào)度算法、等待隊(duì)列）實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及設(shè)備與CPU之間并行操作（DMA、通道）緩沖區(qū)管理輸入/輸出硬件電子設(shè)備設(shè)備分類字符設(shè)備塊設(shè)備設(shè)備控制器DMA存儲(chǔ)器直接存取通道磁盤控制器打印機(jī)控制器其他控制器CPU內(nèi)存控制器－設(shè)備接口打印機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器圖5-5CPU和控制器通信的單總線模型系統(tǒng)總線磁帶磁帶格式磁帶頭部反光片磁帶尾部反光片記錄記錄IRGIRG塊記錄格式記錄1記錄2記錄3記錄4IRGIRG800字節(jié)磁盤扇區(qū)磁道

單磁盤片表面的劃分旋轉(zhuǎn)方向讀/寫磁頭臂移動(dòng)方向移動(dòng)頭磁盤示意圖磁盤設(shè)備結(jié)構(gòu)通道方式的數(shù)據(jù)傳送結(jié)構(gòu)I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器字節(jié)多路通道選擇通道成組多路通道磁盤磁盤磁帶磁帶終端終端終端CPU內(nèi)存總線DMADMA控制器CPU內(nèi)存I/O設(shè)備數(shù)據(jù)中斷位啟動(dòng)位控制狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器內(nèi)存地址寄存器傳送字節(jié)數(shù)寄存器DMA方式的傳送結(jié)構(gòu)startint輸入/輸出軟件輸入/輸出軟件的作用數(shù)據(jù)傳送控制方式程序直接控制方式中斷方式DMA方式通道控制方式中斷處理技術(shù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件（文件系統(tǒng)功能）用戶層的輸入/輸出軟件（使用read/write）設(shè)備分配

緩沖區(qū)管理I/O進(jìn)程控制輸入/輸出軟件的作用進(jìn)行I/O調(diào)用：格式化I/O執(zhí)行I/O操作命名、保護(hù)、阻塞、緩沖、分配I/O結(jié)束時(shí)，喚醒設(shè)備服務(wù)子程序設(shè)置設(shè)備寄存器、檢測(cè)狀態(tài)4-用戶進(jìn)程3-設(shè)備無關(guān)軟件2-設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序硬件設(shè)備服務(wù)子程序1-中斷處理程序I/O請(qǐng)求I/O應(yīng)答程序直接控制方式否外圍設(shè)備做接收或發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備接收到start命令標(biāo)志觸發(fā)器置“done”等待CPU來的下條指令準(zhǔn)備完畢？是否CPU發(fā)start命令等待執(zhí)行下條指令開始數(shù)據(jù)傳送設(shè)備標(biāo)志觸發(fā)器為done”？是(a)(b)中斷控制方式的傳送結(jié)構(gòu)I/O控制器1I/O控制器nI/O設(shè)備1I/O設(shè)備n地址線數(shù)據(jù)線控制線intCPU內(nèi)存start啟動(dòng)位中斷位信號(hào)線控制狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器中斷控制方式的處理過程接收到CPU發(fā)來的start指令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并將其置入緩沖寄存器緩沖寄存器滿嗎？控制器發(fā)中斷信號(hào)向設(shè)備發(fā)start指令將中斷允許位置1調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程其他進(jìn)程執(zhí)行收到中斷信號(hào)了嗎？中斷處理被中斷進(jìn)程執(zhí)行否否是設(shè)備CPUDMA方式的數(shù)據(jù)傳送處理過程否CPU發(fā)start命令內(nèi)存地址內(nèi)存始址寄存器傳送字節(jié)數(shù)字節(jié)計(jì)數(shù)器允許中斷位與啟動(dòng)位置1當(dāng)前進(jìn)程被阻塞，調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程運(yùn)行被調(diào)度的進(jìn)程執(zhí)行接收到中斷信號(hào)嗎？是轉(zhuǎn)中斷處理設(shè)備啟動(dòng)設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)DMA控制器接收到start指令緩沖寄存器內(nèi)容入內(nèi)存改變傳送字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器與內(nèi)存地址寄存器內(nèi)容否傳送字節(jié)數(shù)＝0？嗎？數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)緩沖寄存器發(fā)中斷信號(hào)停止I/O操作是通道控制方式的描述過程從CPU執(zhí)行的角度來描述通道控制方式：Channelcontrolprocedure:repeatIR←M[pc]pc←pc+1execute(IR)ifrequireaccessingwithI/ODevicethenCommand(I/Ooperation，AddressofI/Odevice，channel)fiifI/ODoneInteruptthenCallInterruptprocessingcontrolfiuntilmachinehaltInterruptprocessingcontrolprocedure

中斷處理過程關(guān)中斷保存被中斷現(xiàn)場(chǎng)分析中斷原因轉(zhuǎn)中斷處理子程序執(zhí)行中斷處理子程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)開中斷返回中斷點(diǎn)用戶進(jìn)程請(qǐng)求設(shè)備服務(wù)的流程

驅(qū)動(dòng)程序所處地位用戶進(jìn)程文件系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備控制器設(shè)備本身設(shè)備無關(guān)軟件的功能（設(shè)備文件管理）對(duì)設(shè)備程序的統(tǒng)一接口設(shè)備命名設(shè)備保護(hù)提供一個(gè)獨(dú)立于設(shè)備的邏輯塊（數(shù)據(jù)塊大小）緩沖塊設(shè)備的存儲(chǔ)分配分配和釋放獨(dú)占設(shè)備錯(cuò)誤報(bào)告用戶層輸入/輸出軟件用戶層I/O軟件包含用于I/O操作的庫(kù)例程例如：read(fd,buf,nbytes)是讀文件的系統(tǒng)調(diào)用，由它調(diào)用的庫(kù)函數(shù)read將和用戶程序連接在一起，放在可執(zhí)行程序中。

Spooling系統(tǒng)“SimultaneousPeripheralOperationOn-Line”Spooling是在多道程序系統(tǒng)中處理獨(dú)占設(shè)備的一種方法。例如：一般的打印機(jī)是一種獨(dú)占資源，每次只能有一個(gè)程序使用打印機(jī)，但如果一個(gè)進(jìn)程打開打印機(jī)而不使用它，那么其它的進(jìn)程都無法打印。

創(chuàng)建一個(gè)特殊的守護(hù)進(jìn)程(daemon)以及一個(gè)特殊的目錄，稱為Spooling目錄。這時(shí)，打印一個(gè)文件之前，進(jìn)程首先產(chǎn)生完整的待打印文件并將其放在Spooling目錄下。當(dāng)進(jìn)程把該文件放到Spooling系統(tǒng)中之后就可以認(rèn)為打印過程已經(jīng)完成，雖然打印機(jī)還沒有進(jìn)行該文件的打印，因此也稱為打印的“假脫機(jī)”過程。而整個(gè)的打印作業(yè)由該守護(hù)進(jìn)程進(jìn)行處理，只有該守護(hù)進(jìn)程能夠真正使用打印機(jī)設(shè)備文件。通過禁止用戶直接使用打印機(jī)設(shè)備文件就解決了打印機(jī)的獨(dú)占問題。設(shè)備分配采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識(shí)設(shè)備忙/閑標(biāo)記COCT指針設(shè)備等待隊(duì)列首設(shè)備等待隊(duì)列尾驅(qū)動(dòng)程序地址控制器標(biāo)識(shí)控制忙/閑標(biāo)記CHCT指針控制器等待隊(duì)列首控制器等待隊(duì)列尾┇通道標(biāo)識(shí)通道忙/閑標(biāo)記通道等待隊(duì)列首通道等待隊(duì)列尾┇表目1┇表目i┇設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識(shí)獲得設(shè)備的進(jìn)程DCT指針

系統(tǒng)設(shè)備表STDCOCT

CHCT

DCT

設(shè)備分配流程圖進(jìn)程P等待控制器由進(jìn)程P來的I/O請(qǐng)求搜索SDT找到DCT指針按分配策略選取占據(jù)該設(shè)備的進(jìn)程進(jìn)程P被選中？查DCT該設(shè)備忙？檢查該設(shè)備分配給進(jìn)程P的安全性安全嗎？該設(shè)備分配給進(jìn)程PA按分配策略選取占據(jù)該設(shè)備的進(jìn)程進(jìn)程P按分配策略入I/O等待隊(duì)列進(jìn)程P等待該設(shè)備空閑搜索DCT指針，找到COCT指針控制器忙嗎？A分配控制器給進(jìn)程P搜索COCT找到CHCT指針通道忙？分配通道給進(jìn)程P啟動(dòng)I/O進(jìn)程P等待通道是是是是否否否是否否緩沖區(qū)管理技術(shù)單緩沖區(qū)多緩沖區(qū)緩沖池

設(shè)備號(hào)數(shù)據(jù)塊號(hào)緩沖區(qū)號(hào)互斥標(biāo)示位鏈指針::………空緩沖區(qū)inout緩沖區(qū)操作函數(shù)：getbuf、putbuf等等緩沖首部I/O控制中斷原因分析喚醒中斷處理程序I/O請(qǐng)求設(shè)備設(shè)備分配程序緩沖區(qū)管理中斷響應(yīng)啟動(dòng)I/O指令、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或通道程序I/O控制I/O控制的實(shí)現(xiàn)I/O控制過程在系統(tǒng)中可以按三種方式實(shí)現(xiàn)作為請(qǐng)求I/O操作的進(jìn)程的一部分實(shí)現(xiàn)作為當(dāng)前進(jìn)程的一部分實(shí)現(xiàn)I/O控制由專門的系統(tǒng)進(jìn)程——

I/O進(jìn)程完成：每類(個(gè))設(shè)備設(shè)一專門的I/O進(jìn)程，且該進(jìn)程只能在系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)設(shè)一I/O進(jìn)程，全面負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送工作每類(個(gè))設(shè)備設(shè)一個(gè)專門的I/O進(jìn)程，但該進(jìn)程既可在用戶態(tài)也可在系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行小結(jié)設(shè)備管理的基本過程設(shè)備管理用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通道、控制器、DMA、中斷、緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)傳送控制方式主設(shè)備號(hào)、次設(shè)備號(hào)（對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序及其參數(shù)）設(shè)備分類設(shè)備分配算法I/O控制LINUX輸入/輸出系統(tǒng)概述Linux輸入/輸出的過程概述

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)

Linux的中斷處理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述設(shè)備無關(guān)軟件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口（read,write,open,close,…)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備文件(在/dev目錄下)輸入/輸出請(qǐng)求出錯(cuò)返回Linux文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)返回設(shè)備驅(qū)動(dòng)分層結(jié)構(gòu)返回設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)總線： CPU和I/O設(shè)備是通過總線連接起來。

PC機(jī)常見總線有ISA,PCI等等。I/O地址空間： 所有設(shè)備的寄存器組成。 察看文件:/proc/ioportsI/O數(shù)據(jù)傳輸： 忙等待、中斷方式、DMA方式設(shè)備分類： 字符設(shè)備、塊設(shè)備設(shè)備名：

主設(shè)備號(hào)(驅(qū)動(dòng)程序)、次設(shè)備號(hào)(驅(qū)動(dòng)程序的參數(shù)）設(shè)備文件： 在/dev目錄下，在內(nèi)核中由file結(jié)構(gòu)表示。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口：由file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成。文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)返回設(shè)備號(hào)例如：mknod()創(chuàng)建設(shè)備文件，需要提供設(shè)備號(hào)structfile_operationschardev_fops={open:chardev_open,release:chardev_release,read:chardev_read,write:chardev_write,};structfile_operations{…loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t(*write)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);int(*open)(structinode*,structfile*);int(*release)(structinode*,structfile*);int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong)…}驅(qū)動(dòng)程序接口（調(diào)用入口點(diǎn)）Linux的中斷處理1、中斷類型外中斷，陷阱（INTn），異常。2、睡眠與喚醒驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)設(shè)備后，進(jìn)入睡眠；設(shè)備完成I/O后，向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求；CPU根據(jù)中斷請(qǐng)求找到睡眠的驅(qū)動(dòng)程序，并喚醒繼續(xù)處理。3、中斷共享中斷向量表有限，對(duì)于外中斷來說，其中斷向量表項(xiàng)是共享的。因此，共享項(xiàng)上有中斷請(qǐng)求隊(duì)列。4、中斷服務(wù)程序的上部和下部處理（bottom-half）上部執(zhí)行快速（關(guān)中斷），下部執(zhí)行費(fèi)時(shí)（開中斷）。Linux系統(tǒng)I/O層次結(jié)構(gòu)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向下與設(shè)備控制器接口：定義如何與設(shè)備進(jìn)行通信的協(xié)議（設(shè)備控制命令集合）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向上則面對(duì)文件系統(tǒng)，由文件系統(tǒng)為內(nèi)核其他部分提供統(tǒng)一接口：入口調(diào)用集合Operations:（read、write等等）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架一個(gè)完整的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括五個(gè)部分：1、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷（與系統(tǒng)引導(dǎo)的接口）注冊(cè)：在系統(tǒng)初始化/驅(qū)動(dòng)程序模塊加載時(shí)完成，建立了與文件系統(tǒng)的接口，文件系統(tǒng)可根據(jù)注冊(cè)資料建立文件操作與具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的映射關(guān)系。注銷：在系統(tǒng)關(guān)閉/驅(qū)動(dòng)程序模塊卸載時(shí)完成2、設(shè)備的打開與關(guān)閉設(shè)備首先要打開才能讀寫，完成之后及時(shí)釋放，針對(duì)不同設(shè)備有不同操作3、設(shè)備的讀寫操作在讀寫過程中，設(shè)備可能采用查詢或者中斷的方式來控制數(shù)據(jù)傳輸，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)傳輸控制方式，驅(qū)動(dòng)程序采取不同的管理方式實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)傳輸4、設(shè)備的控制操作5、設(shè)備的中斷處理或者查詢處理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序代碼功能驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷字符設(shè)備用：register_chrdev向內(nèi)核注冊(cè),unregister_chrdev從內(nèi)核注銷塊設(shè)備用：register_blkdev()向內(nèi)核注冊(cè),unregister_blkdev從內(nèi)核注銷設(shè)備的打開與釋放各自的open()和release()設(shè)備的讀寫各自的read()和write設(shè)備的控制操作各自的ioctl(),例如軟盤彈出。設(shè)備的中斷和忙等待查詢當(dāng)設(shè)備不支持中斷時(shí)讀寫采用忙等待查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并口打印設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核接口Staticstructfile_operationslp_fops并口打印設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與打印機(jī)設(shè)備接口Structlp_structlp_table注冊(cè)與注銷register_chrdev()unregister_chrdev()structfile_operationschardev_fops={open:chardev_open,