操作系统6-2.ppt

* * 第十五讲 设备管理、磁盘设备 目的与要求：理解设备管理子系统的层次，功能及技术、了解磁盘设备。 重点与难点：层次结构；设备驱动程序；缓冲技术；磁盘调度的方法；盘阵选择。 作业： 6，8，11，16，18 6.2.2 输入输出层次结构 通常，操作系统将设备管理系统划分并组织成三个层次： 用户层I/O 设备无关的I/O 设备驱动及中断处理 用户层I/O 设备驱动及中断处理 硬件 系统调用接口，设备无关的操作系统软件 用户进程 用户层I/O 设备无关的I/O 设备驱动及中断处理 硬件 设备管理子系统 逻辑结构图 核心态运行 用户程序 标准C库I/O函数 内核总控 系统调用处理总控 Write处理(文件系统、TCP/IP) 磁盘控制器/网卡 盘/网卡中断处理 用户态 核心态 异步调用接口 磁盘驱动程序/网卡驱动 系统调用各模块关系图 系统调用接口 用户程序 一、用户层I/O 这一层与设备的控制细节无关，不直接与设备打交道。 它将设备(或在设备上的逻辑对象）看作逻辑资源，为用户进程提供各类I/O函数。用户以设备标识符和一些简单的函数来使用设备，如打开、关闭、读、写等。 如C库中的函数fopen(); fread(); fwrite(); fclose()等 。 二、设备无关的I/O 这一层的基本功能：执行适用于所有设备的公共I/O功能，并向其上层提供统一的系统调用接口。主要任务： 设备命名及与设备驱动程序的映射。在UNIX中，如/dev/tty00唯一地确定了一个inode数据结构，其中包含了主设备号，通过主设备号可以找到相应的设备驱动程序。 设备访问保护。 分配及释放独占型设备。 设备I/O数据缓冲机制。 文件系统功能、TCP/IP协议等(支持设备上的逻辑存储、通讯对象） 三、设备驱动与中断处理 设备驱动程序 包括了所有与设备相关的代码，其功能是从与设备无关的软件中接收I/O的请求，排入请求队列或执行之。 中断处理 当进程进行I/O操作时，将其阻塞至I/O操作结束并发生中断。中断发生时，由中断处理程序启动请求排队的下一请求（如果有）并解除等I/O进程的阻塞状态，使其能够继续执行。 6.2.3. 缓冲技术 一、单缓冲 当用户进程发出I/O请求时，操作系统在主存的系统空间为该操作分配一个缓冲区，可以实现预读和滞后写。 在进程数据区与外设之间设立缓冲区可以改善进程运行速度与I/O传输速度之间的速差矛盾。 二、双缓冲 可以实现用户数据区—缓冲区之间交换数据和缓冲区—外设之间交换数据并行。 三、循环缓冲 引入系统缓冲池，采用有限缓冲区的生产者/消费者模型对缓冲池中的缓冲区进行循环使用。 缓冲区结合预读和滞后写技术对具有重复性及阵发性I/O进程提高I/O速度很有帮助。 缓冲A 缓冲G 缓冲E 缓冲C 缓冲B 缓冲D 缓冲F 缓冲H Hash表方式的设备缓冲队列 空闲队列头 缓冲区管理示例 6.2.4.设备驱动程序 一．设备驱动程序接口函数 驱动程序初始化函数：这个函数是为了使驱动程序其它函数能被上层正常调用，而做一些针对驱动程序本身的初始化工作。如向操作系统登记该驱动程序的接口函数，该初始化函数在系统启动时或驱动程序安装入内核时执行。 驱动程序卸载函数：是驱动程序初始化函数的逆过程，在支持驱动程序可动态加载卸载的系统中才需要。 申请设备函数：该函数申请一个驱动程序所管理的设备，按照设备特性进行独占式占用或者分时共享式占用，如果是独占式申请成功还应该对设备做初始化工作。 释放设备函数：是申请设备函数的逆过程。 I／O操作函数：这个函数实现对设备的I／O。如果对独占型设备，包含了启动I／O的指令，对分时共享型设备，该函数通常将I／O请求形成一个请求包，将其排到设备请求队列，如果请求队列空，则直接启动设备。 中断处理函数：这个函数在设备I／O完成时向CPU发中断后被调用。该函数对I／O完成作善后处理，一般是找到等待刚完成I／O请求的阻塞进程，将其就绪，使其能进一步作后续工作。如果存在I／O请求队列，则启动下一个I／O请求。 5.设备管理有关的数据结构 描述设备、控制器等部件的表格。系统中常常为每一个部件、每一台设备分别设置一张表格，常称为部件控制块或设备表。这类表格具体描述设备的类型、标识符、进行状态，以及当前使用者的进程标识符等。 建立同类资源的队列。系统为了方便对I/O设备的分配管理，通常在设备表的基础上通过指针将相同物理属性的设备联成队列（称设备队列）。 面向进程I/O请求的动态数据结构。每当进程发出块I/O请求时，系统建立一张表格（称I/O请求包）。将此次I/O请求的参数填入表中，同时