chwindowsIO系統(tǒng)和Linux設(shè)備管理

chwindowsIO系統(tǒng)和Linux設(shè)備管理第1頁/共29頁5.8.1Linux設(shè)備管理概述

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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；

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網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也當(dāng)作設(shè)備文件來處理，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；

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設(shè)備文件與普通文件有著根本不同，當(dāng)進(jìn)程訪問普通文件時(shí)，它會(huì)通過文件系統(tǒng)訪問磁盤分區(qū)中的數(shù)據(jù)塊；當(dāng)進(jìn)程訪問設(shè)備文件時(shí)，它只要驅(qū)動(dòng)物理設(shè)備就行，VFS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。第2頁/共29頁5.8.2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第3頁/共29頁5.8.3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)求處理第4頁/共29頁5.9Windows2003I/O系統(tǒng)

5.9.1I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組件5.9.2I/O系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.9.3I/O類型和處理5.9.4高速緩存管理第5頁/共29頁5.9.1I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組件(1)WindowsI/O系統(tǒng)是執(zhí)行體的組件，存在于NTOSKRNL．EXE文件中。它接受來自用戶態(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。

第6頁/共29頁I/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)WMI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WDMWMI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)行體其它接口第7頁/共29頁一個(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HALI/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API第8頁/共29頁I/O管理的特點(diǎn)1)I/O包驅(qū)動(dòng)2)通過虛擬文件實(shí)現(xiàn)I/O操作第9頁/共29頁5.9.2I/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?、設(shè)備對(duì)象、I／O請(qǐng)求包(IRP)。第10頁/共29頁1、文件對(duì)象文件作為對(duì)象來管理，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)來決定文件的ACL是否允許進(jìn)程去訪問它的線程正在請(qǐng)求的文件。第11頁/共29頁2、驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蠛驮O(shè)備對(duì)象(1)

線程為文件對(duì)象打開句柄時(shí)，I/O管理器根據(jù)文件對(duì)象名稱來決定將調(diào)用哪個(gè)或哪些驅(qū)動(dòng)程序來處理請(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)齊方式和用來保存I/O請(qǐng)求包的設(shè)備隊(duì)列位置。第12頁/共29頁驅(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)備第13頁/共29頁3、I/O請(qǐng)求包(1)IRP是I/O系統(tǒng)用來存儲(chǔ)處理I／O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來表示在整個(gè)系統(tǒng)I/O進(jìn)展中要進(jìn)行的操作。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。第14頁/共29頁I/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。第15頁/共29頁4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、延遲過程調(diào)用例程、完成例程、取消例程、卸載例程、系統(tǒng)關(guān)閉通知例程和錯(cuò)誤記錄例程。第16頁/共29頁5多處理機(jī)中I/O同步問題多個(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。第17頁/共29頁5.9.3I/O類型和處理(1)1I/O類型

1)同步I/O和異步I/O2)快速I/O3)映射文件I/O和文件高速緩存

4)分散/集中I/O第18頁/共29頁I/O類型和處理(2)

2I/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庫函數(shù)經(jīng)過語言的運(yùn)行時(shí)庫轉(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)交給I/O管理器尋找文件對(duì)象；驅(qū)動(dòng)程序詢問安全子系統(tǒng)，確定線程的存取權(quán)限。第19頁/共29頁I/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。第20頁/共29頁3對(duì)單層驅(qū)動(dòng)程序的I/O請(qǐng)求處理

③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WriteFile（參數(shù)）；環(huán)境子系統(tǒng)或DLL①I/O請(qǐng)求傳送到環(huán)境子系統(tǒng)DLL②NtWriteFile(參數(shù))⑦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)⑤執(zhí)行I/O并產(chǎn)生中斷I/O系統(tǒng)服務(wù)⑥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螈芟蝌?qū)動(dòng)程序傳送IRP中指定參數(shù)第21頁/共29頁4對(duì)多層驅(qū)動(dòng)程序的I/O請(qǐng)求處理1)打開一個(gè)文件2)讀文件3)寫文件第22頁/共29頁5.9.4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)支持第23頁/共29頁2、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)。第24頁/共29頁高速緩存的結(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)第25頁/共29頁3高速緩存的操作

(1)回寫緩存和延遲寫(2)計(jì)算臟頁閾值(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)讀第26頁/共29頁快速I／O

讀寫被緩存文件可用被稱為快速I／O的高速機(jī)制來處理。快速I／O讀寫一個(gè)緩存的文件不要產(chǎn)生I／O請(qǐng)求包(1RP)。有了快速I／O機(jī)制，I／O管理器可以調(diào)用文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的快速I／O例程來查看是否能夠直接從高速緩存管理器得到所需的數(shù)據(jù)，而不需產(chǎn)生IRP。第27頁/