os09設(shè)備管理課件

1、os09設(shè)備管理課件第五章 設(shè)備管理著重于管理的軟件部分設(shè)備驅(qū)動程序和中斷處理程序os09設(shè)備管理課件種類繁多的I/O設(shè)備n以信息交換的單位分類塊設(shè)備字符設(shè)備n按設(shè)備的共享屬性分類獨占設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備os09設(shè)備管理課件os09設(shè)備管理課件I/O系統(tǒng)中的基本概念n總線（ISA、PCI、SCSI、USB）n端口n設(shè)備控制器os09設(shè)備管理課件一個典型的一個典型的PCI總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)os09設(shè)備管理課件PC機的I/O指令與I/O空間nIN指令將外部I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳入到AL、AX或EAX。nOUT指令傳送AL 、AX或EAX的數(shù)據(jù)到外部的I/O設(shè)備。nIBM PC用16位端口地址訪問它的I/

2、O空間。PC的I/O空間放在I/O端口為0000H03FFH的地方，但也有些適配卡使用的I/O地址可能超過03FFH。nIBM PC機提供了外部設(shè)備的抽象接口，并將其固化在BIOS（基本輸入/輸出系統(tǒng)）中。os09設(shè)備管理課件常用輸入常用輸入/輸出設(shè)備端口輸出設(shè)備端口os09設(shè)備管理課件設(shè)備控制器n在對設(shè)備的操作中，需要持續(xù)地注意設(shè)備地狀態(tài)。如果軟件想要直接控制設(shè)備，需要在操作中不間斷地監(jiān)控設(shè)備的詳細操作狀態(tài)。這種監(jiān)控大多是簡單地觀察狀態(tài)、提供詳細命令、修正小的錯誤等。這就是設(shè)備控制器要做的第二件事（將設(shè)備連接到總線是第一件事）n接口設(shè)計的目標就是使軟件能操作設(shè)備（經(jīng)由控制器），并能使其行為與

3、設(shè)備同步。os09設(shè)備管理課件busydone錯誤碼busy done00空閑01完成10工作11未定義邏邏 輯輯狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)0命令命令數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)n-1概念化的設(shè)備控制器接口os09設(shè)備管理課件I/O控制方式n在CPU和設(shè)備之間完成數(shù)據(jù)交換，主要有三種方式輪詢中斷DMAos09設(shè)備管理課件應(yīng)用程序內(nèi)I/O與CPU的交迭執(zhí)行n應(yīng)用程序員希望單個的進程（線程）具有串行執(zhí)行語義：read ( dev_ID, “%d”, x );y= f(x);讀指令必須在下一條指令執(zhí)行前完成。從進程的角度看，虛擬機要等候設(shè)備完成I/O操作后才能執(zhí)行賦值語句。os09設(shè)備管理課件多個線程間I/O與CPU的交迭執(zhí)行n無

4、論何時一個單線程執(zhí)行I/O操作，它會將CPU讓給另一個線程執(zhí)行。os09設(shè)備管理課件使用輪詢的直接I/On由CPU負責確定I/O操作何時完成，并在機器主存與設(shè)備控制器數(shù)據(jù)寄存器間進行數(shù)據(jù)傳送。nCPU在向控制器發(fā)出一條I/O命令后，同時置busy位為1，然后CPU不斷地循環(huán)檢測busy位，直至busy位為0os09設(shè)備管理課件n空閑：軟件可以放置一個命令到命令寄存器，激活設(shè)備。n新的I/O命令的出現(xiàn)會引起控制器將busy設(shè)為1（工作），并開始工作。利用數(shù)據(jù)寄存器完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出，進程通過檢查狀態(tài)寄存器來檢測操作狀態(tài)。n當I/O操作完成后（成功或失?。?，設(shè)備控制器清除busy標志位，而置do

5、ne標志位（完成） 。當完成讀操作后，設(shè)備會將數(shù)據(jù)拷貝到數(shù)據(jù)寄存器；當完成寫操作后，數(shù)據(jù)會從控制器的數(shù)據(jù)寄存器拷貝到設(shè)備中。n如果在寫操作后，設(shè)備的標志位均為0，那么就可以寫新數(shù)據(jù)到控制器的數(shù)據(jù)寄存器；如果是從設(shè)備讀數(shù)據(jù)，軟件從控制器讀取數(shù)據(jù)后，控制器清done位，表明設(shè)備空閑。os09設(shè)備管理課件read (device, )數(shù) 據(jù)讀函數(shù)寫函數(shù)設(shè)備控制器命令狀態(tài)數(shù) 據(jù)硬件接口系統(tǒng)接口1、應(yīng)用進程請求讀操作2、設(shè)備驅(qū)動程序查詢狀態(tài)寄存器，確定設(shè)備是否空閑；如果設(shè)備忙，則驅(qū)動程序循環(huán)等待知道設(shè)備空閑。3、驅(qū)動程序把輸入命令存入控制器命令寄存器，啟動設(shè)備（設(shè)置狀態(tài)位）。4、驅(qū)動程序通過反復讀取狀態(tài)

6、寄存器的值等待設(shè)備操作完成。5、驅(qū)動程序拷貝控制器數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容到用戶進程地址空間。os09設(shè)備管理課件中斷I/On中斷請求（由設(shè)備與CPU的中斷連線）n中斷向量定位中斷請求到對應(yīng)的中斷處理程序中斷優(yōu)先級可屏蔽中斷與不可屏蔽中斷n中斷處理程序負責處理中斷請求n中斷機制可以用于實現(xiàn)異常系統(tǒng)調(diào)用n中斷處理程序可以分為兩個部分Top halfBottom halfos09設(shè)備管理課件os09設(shè)備管理課件os09設(shè)備管理課件DMA I/On中斷驅(qū)動I/O是以字節(jié)為單位進程I/O，DMA允許以較大的數(shù)據(jù)塊為單位傳輸。nDMA控制器n數(shù)據(jù)交換是在設(shè)備與內(nèi)存間直接完成，無需CPU中轉(zhuǎn)。os09設(shè)備管理課件

7、os09設(shè)備管理課件I/O系統(tǒng)n一方面，I/O設(shè)備種類繁多，另一方面，I/O系統(tǒng)必須為用戶提供簡單、一致的I/O接口n解決問題的方法是，操作系統(tǒng)隱藏或抽象大多數(shù)設(shè)備操作的細節(jié)，為用戶提供幾種的設(shè)備類型的訪問塊設(shè)備字符設(shè)備時鐘os09設(shè)備管理課件os09設(shè)備管理課件I/O設(shè)備管理器抽象n設(shè)備管理器被分為兩部分設(shè)備無關(guān)部分（設(shè)備管理的基礎(chǔ)設(shè)施）n設(shè)備管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n緩沖區(qū)管理（buffering、caching）nspooling（獨占設(shè)備的共享技術(shù)）n錯誤處理n訪問控制設(shè)備相關(guān)部分n設(shè)備驅(qū)動程序os09設(shè)備管理課件設(shè)備管理器的基礎(chǔ)設(shè)施n基礎(chǔ)設(shè)施使得OS可以提供一組公共的設(shè)備接口系統(tǒng)調(diào)用，并將對

8、公共接口的調(diào)用轉(zhuǎn)換到特定的設(shè)備驅(qū)動函數(shù)。是設(shè)備管理器的設(shè)備無關(guān)部分os09設(shè)備管理課件緩沖n緩沖區(qū)可以緩和CPU和I/O設(shè)備間的速度不匹配的矛盾；減少CPU的中斷頻率，提高CPU和I/O設(shè)備間的并行能力。單緩沖雙緩沖循環(huán)緩沖緩沖池專有緩沖區(qū)os09設(shè)備管理課件設(shè)備分配n當進程通過系統(tǒng)調(diào)用使用I/O設(shè)備時，設(shè)備分配程序按照一定的策略，將設(shè)備分配給請求用戶。設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配策略（相關(guān)屬性、算法、安全性分配）n設(shè)備分配是設(shè)備無關(guān)的。os09設(shè)備管理課件設(shè)備獨立性n應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備。n邏輯設(shè)備和物理設(shè)備增強設(shè)備分配的靈活性易于實現(xiàn)I/O重定向n設(shè)備獨立性軟件os09設(shè)備管理課件設(shè)

9、備獨立性軟件n執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作：設(shè)備的分配&回收邏輯設(shè)備到物理設(shè)備映射設(shè)備保護緩沖管理差錯控制n向用戶層軟件提供統(tǒng)一的接口os09設(shè)備管理課件I/O 接口struct int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int); int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int); int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int); int (*readdir) (struct inode * ，struct fil

10、e *， struct dirent * ，int); int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *); int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long); int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode * ，struct file *); int (*release)

11、(struct inode * ，struct file *); int (*fsync) (struct inode * ，struct file *); int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int); int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *); int (*revalidate) (dev_t dev); os09設(shè)備管理課件function i ()Dev_func_i ( devID, . ) / processing common to all device

12、s switch( devID) case dev0: dev0_func_i ( ) ; break;case dev1: dev1_func_i ( ) ; break;case devM: devM_func_i ( ) ; break; ;/ processing common to all devices 設(shè)備獨立性軟件設(shè)備分配策略邏輯設(shè)備到物理設(shè)備映射差錯控制并發(fā)控制緩沖區(qū)管理os09設(shè)備管理課件可重配置的設(shè)備驅(qū)動程序系統(tǒng)調(diào)用接口Open ( )Close ( )Etc.設(shè)備J的驅(qū)動程序設(shè)備J的入口點 支持可重配置的設(shè)備管理器使用一個間接表（對每個系統(tǒng)調(diào)用）來引用各自的設(shè)備函數(shù)。特

13、定設(shè)備的表項可以用對設(shè)備驅(qū)動程序進行注冊的實用程序在運行時建立。Dev_func_i j ( )os09設(shè)備管理課件Spooling 技術(shù)輸入進程輸出進程輸入緩沖區(qū)輸出緩沖區(qū)輸入井輸出井輸入設(shè)備輸出設(shè)備磁盤湯子瀛計算機操作系統(tǒng)page 166os09設(shè)備管理課件設(shè)備處理方式設(shè)備處理方式n為每一類設(shè)備設(shè)置一個進程，專門用于執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作 .n在整個系統(tǒng)中設(shè)置一個I/O進程，專門用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的I/O操作。 n不設(shè)置專門的設(shè)備處理進程，而只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序(模塊)， 供用戶進程或系統(tǒng)進程調(diào)用。 os09設(shè)備管理課件設(shè)備驅(qū)動程序n設(shè)備驅(qū)動程序由一組函數(shù)組成，它抽

14、象了一個特定設(shè)備控制器的操作。一組設(shè)備驅(qū)動程序為所有的設(shè)備導出了相同的（或盡可能相似的）抽象。n設(shè)計者依據(jù)設(shè)備的細節(jié)，通過構(gòu)建標準接口上的實現(xiàn)函數(shù)來實現(xiàn)抽象。os09設(shè)備管理課件struct test_fops = NULL， read_test， write_test， NULL， /* test_readdir */ NULL， NULL， /* test_ioctl */ NULL， /* test_mmap */ open_test， release_test， NULL， /* test_fsync */ NULL， /* test_fasync */ /* nothing more

15、， fill with NULLs */ ; os09設(shè)備管理課件設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動程序基礎(chǔ)框架n每個設(shè)備控制器都提供一個特定的接口給軟件：接口的細節(jié)包括了用來發(fā)送給設(shè)備的命令、狀態(tài)和返回的錯誤報告、定時和軟件如何控制設(shè)備的其他需求。n設(shè)備驅(qū)動程序使用特定的硬件接口來實現(xiàn)抽象的I/O操作。設(shè)備驅(qū)動程序被分為n個不同的函數(shù)，它們可以經(jīng)由系統(tǒng)調(diào)用接口進行訪問。os09設(shè)備管理課件設(shè)備驅(qū)動程序的功能設(shè)備驅(qū)動程序的功能n接收由I/O進程發(fā)來的命令和參數(shù)， 并將命令中的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求，例如，將磁盤塊號轉(zhuǎn)換為磁盤的盤面、 磁道號及扇區(qū)號。n檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)

16、，設(shè)置設(shè)備的工作方式。 os09設(shè)備管理課件n發(fā)出I/O命令，如果設(shè)備空閑，便立即啟動I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作；如果設(shè)備處于忙碌狀態(tài)，則將請求者的請求塊掛在設(shè)備隊列上等待。n及時響應(yīng)由控制器發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進行處理。os09設(shè)備管理課件設(shè)備驅(qū)動程序的特點設(shè)備驅(qū)動程序的特點n驅(qū)動程序主要是指在請求I/O的進程與設(shè)備控制器之間的一個通信和轉(zhuǎn)換程序。 n驅(qū)動程序與設(shè)備控制器和I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)， 因而對不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動程序。 n驅(qū)動程序與I/O設(shè)備所采用的I/O控制方式緊密相關(guān)。 n由于驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)， 因而其中的一部分必

17、須用匯編語言書寫。 os09設(shè)備管理課件使用中斷的設(shè)備處理n在使用中斷的情況下，設(shè)備管理的功能可以劃分為4個部分：初始化I/O操作的設(shè)備驅(qū)動程序的“上半部分”設(shè)備狀態(tài)表中斷處理程序設(shè)備處理程序os09設(shè)備管理課件n應(yīng)用進程請求讀操作n設(shè)備驅(qū)動程序的上半部分查詢狀態(tài)寄存器，確定設(shè)備是否空閑；如果忙，驅(qū)動程序等待直到空閑n驅(qū)動程序?qū)⑤斎朊畲嫒肟刂破鞯拿罴拇嫫髦校瑔釉O(shè)備n當設(shè)備驅(qū)動程序的上半部分完成它的工作，根據(jù)操作情況保存相應(yīng)信息到設(shè)備狀態(tài)表，如最初的調(diào)用地址、以及I/O操作的一些特定參數(shù)等。系統(tǒng)中的每個設(shè)備在表中都有對應(yīng)的表項。操作完成后CPU就可以分配給其他進程使用了，因此，設(shè)備管理器調(diào)

18、用進程管理器的調(diào)度程序運行，原進程的執(zhí)行被暫停執(zhí)行輸入指令的步驟os09設(shè)備管理課件n設(shè)備完成操作后，引起中斷處理程序的運行n中斷處理程序確定哪個設(shè)備引起中斷，然后分支轉(zhuǎn)移到該設(shè)備對應(yīng)的設(shè)備處理程序執(zhí)行n設(shè)備處理程序重新從設(shè)備狀態(tài)表中找到等待I/O操作完成的進程狀態(tài)信息n設(shè)備處理程序拷貝控制器數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容到用戶進程空間n設(shè)備處理程序作為由應(yīng)用程序激活的設(shè)備驅(qū)動程序的下半部分，將控制權(quán)返回給應(yīng)用進程。os09設(shè)備管理課件read (device, )數(shù) 據(jù)系統(tǒng)接口讀驅(qū)動程序?qū)戲?qū)動程序設(shè)備狀態(tài)表設(shè)備處理程序中斷處理程序設(shè)備控制器命令狀態(tài)數(shù) 據(jù)os09設(shè)備管理課件中斷服務(wù)Int read ( ) Out dev# /return after interruptWait (devJ) ; return_from_sys_call ;設(shè)備控制器中斷處理程序Void dev_handler ( ) signal ( dev J ) ;設(shè)備驅(qū)動程序J設(shè)備中斷處