緩沖技術課件

5.4緩沖技術

改為了改善中央處理器與外圍設備之間速

度不配的矛盾，以及協(xié)調邏輯記錄大小

與物理記錄大小不一致的問題，提高CPU

和I/O設備的并行性，在操作系統(tǒng)中普遍采

用了緩沖技術。

改當一個進程執(zhí)行寫操作輸出數(shù)據(jù)時，先向系統(tǒng)

申請一個主存區(qū)域一一緩沖區(qū)，然后，將數(shù)據(jù)

高速送到緩沖區(qū)。若為順序寫請求，則不斷把

數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到它被裝滿為止。此后，

進程可以繼續(xù)它的計算，同時，系統(tǒng)將緩沖區(qū)

內容寫到I/O設備上。當一個進程執(zhí)行操作輸入

數(shù)據(jù)時，先向系統(tǒng)申請一個主存區(qū)域一一緩沖

區(qū)，系統(tǒng)將一個物理記錄的內容讀到緩沖區(qū)域

中，然后根據(jù)進程要求，把當前需要的邏輯記

錄從緩沖區(qū)中選出并傳送給進程。

吊Md叫零件WKH?中亥李、

海1F藪沖、多緩沖。

5.4.1單緩沖

&對于塊設備,單緩沖機制如下工作

*對于字符設備,單緩沖機制如下工作

5.4.2雙緩沖

改輸入數(shù)據(jù)時，首先填滿緩沖區(qū)1,操作系統(tǒng)

可從緩沖區(qū)1把數(shù)據(jù)送到用戶進程區(qū)，用戶

進程便可對數(shù)據(jù)進行加工計算;與此同時,

輸入設備填充緩沖區(qū)2。當緩沖區(qū)1空出

后，輸入設備再次向緩沖區(qū)1輸入。操作

系統(tǒng)又可以把緩沖區(qū)2的數(shù)據(jù)傳送到用戶

進程區(qū)，用戶進程開始加工緩沖2的數(shù)據(jù)。

右對于塊設備，處理或傳輸一塊的時間為

max(C,T),如果C<T,可以保證塊設備連續(xù)工

作;如果C>T,使得進程不必要等待I/O。雙

緩沖使,效率提高了，但復雜性也增加了。

543多緩沖

泳操作系統(tǒng)從自由主存區(qū)域中分配一組緩

沖區(qū)組成循環(huán)緩沖，每個緩沖區(qū)的大小

可以等于物理記錄的大小。多緩沖的緩

沖區(qū)是系統(tǒng)的公共資源，可供各個進程

共享，并由系統(tǒng)統(tǒng)一分配和管理。緩沖

區(qū)可用途分為：輸入緩沖區(qū)，處理緩沖

區(qū)和輸出緩沖區(qū)。

字符緩存隊I

列控制塊1

&作為操作系統(tǒng)的輔助存儲器，用來存放文件的

磁盤一類高速大容量旋轉型存儲設備，在繁重

的輸入輸出負載之下，同時會有若干個輸入輸

出請求來到并等待處理。系統(tǒng)必須采用一種調

度策略，使能按最佳次序執(zhí)行要求訪問的諸請

求，這就叫驅動調度，使用的算法叫驅動調度

算法。

*驅動調度能減少為若干個輸入輸出請求服務所

需的總時間，從而提高系統(tǒng)效率、除了輸入輸

出請求的優(yōu)化排序外，信息在輔助存儲器上的

排列方式，存儲空間的分配方法都能影響存取

訪問速度。

1存儲設備的物理結構

右順序存取存儲設備是嚴格依賴信息的物

理位置進行定位和讀寫的存儲設備

&具有存儲容量大、穩(wěn)定可靠、卷可裝卸

和便于保存等優(yōu)點

磁頭（正走，反走，正讀，反讀，正寫，反寫，到帶）

V

■塊間塊問塊間塊間塊■

始點末點

1隙2隙3隙i隙i+1

直接存取存儲設備

泳磁盤是一種直接存取存儲設備，又叫隨

機存取存儲設備。它的每個物理記錄有

確定的位置和唯一的地址，存取任何一

個物理塊所需的時間幾乎不依賴于此信

息的位置。

詡可磁盤上的一個物理記錄，必須給

出三個參數(shù)：柱面號、磁頭號、塊號

*磁盤機根據(jù)柱面號控制臂作機械的橫向移動，

帶動讀寫磁頭到達指定柱面，這個動作較慢，

一般稱作'查找時間'，平均需20毫秒左右。

*下一步從磁頭號可以確定數(shù)據(jù)所在的盤，然后

等待被訪問的信息塊旋轉到讀寫頭下時，按塊

號進行存取，這段等待時間稱為“搜索延遲”，

平均要10毫秒。

改磁盤機實現(xiàn)些操作的通道命令是：查找、搜索、

轉移和讀寫。

552循環(huán)排序

為考慮每一磁道保存4個記錄的旋轉型設備,

假定收到以下四個輸入輸出請求并且存

在一條到該設備的可用道路。

》請示次序記錄號

區(qū)(1)讀記錄4

&(2)讀記錄3

&(3)讀記錄2

》(4)讀記錄1

對這些輸入輸出請求有多種排序方法

8?方法1:如果調度算法按照輸入輸出請求次

序讀記錄4、3、2、1,假定平均要用1/2的周

來定位，再加上1/4周讀出記錄，則總的處理

時間等于3周，即60毫秒。

也?方法2：如果調度算法決定的讀入次序為

讀記錄1、2、3、4o那么，總的處理時間等

于1,5周,即30毫秒。

4?方法3：如果我們知道當前讀位置是記錄3,

則調度算法采用的次序為讀記錄4、1、2、3

會更好。總的處理時間等于1周，即20毫秒。

553優(yōu)化分布

改信息在存儲空間的排列方式也會影響存

取等待時間?？紤]10個邏輯記錄A,

B……，J被存于旋轉型設備上，每道存

放10個記錄，可安排如下：

&物理塊邏輯紀錄

&1-10A-J

10毫秒（移動到記錄A的平均時間）+2毫秒（讀

記錄A）+4毫秒（處理記錄A）+9X[16毫秒（訪

問下一記錄）+2毫秒（讀記錄）+4毫秒（處理

記錄）]=214毫秒

方式對信息分布優(yōu)化

物理塊邏輯紀錄

1A

2H

3E

4B

5I

6F

7C

8J

9G

10D

10毫秒（移動到記錄A的平均時間）+10義［2毫

秒（讀記錄）X4毫秒（處理記錄）］=70

毫秒

度亨

5.5.4交替地址

2詠&

U\、，■/v

?^C>

Jf7

5.5.5搜查定位

小移臂調度有若干策略

“電梯調度”算法

“最短查找時間優(yōu)先”算法

“掃描”算法

“分步掃描”算法

“單向掃描”算法

區(qū)第1和第2兩種算法，在單位時間內處理的輸入

輸出請求較多即吞吐量較大，但是請求的等待

時間較長，第1種算法使等待時間更長一些。

一般說來“掃描”算法較好，但它不分具體情

況而掃過所有柱面造成性能不夠好。“分步掃

描”算法使得各個輸入輸出請求等待時間之間

的差距最小，而吞吐量適中?！皢蜗驋呙琛眱H

適應有不斷大批量輸入輸出存取請求，且磁道上

存放記錄數(shù)量較大的情況。

56獨立磁盤冗余陣列

先獨立磁盤冗余陣列它是利用一臺磁盤陣列控制器

統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅動器,組成一個速度

塊、可靠性高、性能價格比好的大容量磁盤系統(tǒng)。

*RAID的提出填補了CPU速度快與磁盤設備速度慢

之間的間隙，其策略是:用一組較小容量的、獨立

的、可并行工作的磁盤驅動器組成陣列來代替單

一的大容量磁盤，再加進冗余技術,數(shù)據(jù)能用多種

方式組織和分布存儲，于是，獨立的I/O請求能被并

行處理，數(shù)據(jù)分布的單個I/O請求也能并行地從多

個磁盤驅動器同時存取數(shù)據(jù)，從而，改進了I/O性能

和系統(tǒng)可靠性。

RAID樣式共有6級組成

&RAIDO至RAID5,最新又擴充了RAID6和RAID7,

它們之間并不隱含層次關系，而是標明了不同

的設計結構，

*有三個共同特性:①RAID是一組物理磁盤驅動器,

可以被操作系統(tǒng)看作是單一的邏輯磁盤驅動器;

②數(shù)據(jù)被分布存儲在陣列橫跨的物理驅動器上;

③冗余磁盤的作用是保存奇偶校驗信息，當磁

盤出現(xiàn)失誤時它能確保數(shù)據(jù)的恢復。

在RAM支持第三個特性，采用把大塊數(shù)據(jù)分割成

"數(shù)據(jù)子塊(strip),交替間隔地分布存儲，但未引入

冗余磁盤，適用于性能要求高，但非要害數(shù)據(jù)這

類應用。

*DAID1采用鏡像技術，適用于做系統(tǒng)驅動器，存放

關鍵的系統(tǒng)文件。

*RAID2和RAID3主要采用了并行存取技術，分別還

引入海明(Hammingcode)校驗碼和位打入(bit

interleaved)奇偶校驗碼改進可靠性，適用于大數(shù)據(jù)

量I/O請求，如圖像和CAD這類的應用。

&RAID4和RAID5主要采用了獨立存取技術，分別還

引入塊桿入(blockinterleaved)奇偶校驗碼和塊桿入

分布式(blockinterleaveddistributed)希彳禺校驗碼詼進

可靠性，適用于I/O請求頻繁的事務處理。

RAIDlevel0

為用戶和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)劃成子塊被分布存儲在橫跨陣

列中的所有磁盤上，

改邏輯上連續(xù)的數(shù)據(jù)子塊，在物理上可被依次存儲

在橫向相鄰的磁盤驅動器上，

&通過一個陣列管理軟件進行邏輯地址空間到物理

地址空間的映射。

*與單個大磁盤相比有著明顯優(yōu)點，它能并行地處

理要求位于不同磁盤上數(shù)據(jù)的不同I/O請求。RAID

level。并不能真正劃入RAID家族，因為它沒有引入

冗余校驗來改進性能，導致磁盤系統(tǒng)的可靠性差,

容易丟失數(shù)據(jù)，故己較少使用。

RAIDlevel1

&RAID1簡單地采用雙份所有數(shù)據(jù)的辦法，數(shù)據(jù)劃成子塊被

分布存儲在橫跨陣列中的所有磁盤上，但是，每個數(shù)據(jù)子

塊被存儲到兩個獨立的物理磁盤上，故陣列中的每個盤都

有一個包含相同數(shù)據(jù)的它的鏡像盤。

*這種數(shù)據(jù)組織方法的主要可取之處在于：

①讀請求能通過包含相同請求數(shù)據(jù)中的任何一個磁盤來提

供服務，其中的一個所化查找和搜索時間最少；

②寫操作時，要求改寫對應的兩個數(shù)據(jù)子塊，但這一點可

采用并行操作實現(xiàn)，寫操作的性能由并行操作中較慢的一

個決定；

③出現(xiàn)故障后的恢復很簡單，當一個驅動器出現(xiàn)故障，數(shù)

據(jù)可以從鏡像盤獲得。

RAID1缺點是價格太貴，空間利用率僅有一半，往往作為存

放系統(tǒng)軟件、關鍵數(shù)據(jù)和要害文件的驅動器;但是當磁盤故

障時，它提供了一個實時的數(shù)據(jù)備份，所有的數(shù)據(jù)信息立

即可用。

RAIDlevel2

*RAID2采用了并行存取技術。在并行存取陣列中，所有的磁

盤參與每個I/O請求的執(zhí)行，且每個驅動器的移動臂同步工

作，使得任何時刻每個磁盤的磁頭都在相同的位置。RAID2

和RAID3的數(shù)據(jù)子塊非常小，常常小到單個字節(jié)或一個字。

對于RAID2糾錯碼按照橫跨的每個數(shù)據(jù)盤的相應位進行計算,

并存儲在多只奇偶校驗盤的相應位的位置。典型地使用海明

校驗碼，它能糾正單位錯，發(fā)現(xiàn)雙位錯。

為雖然RAID2所需磁盤數(shù)少于RAID1,但價格仍然很貴。所需奇

偶校驗磁盤的數(shù)量與數(shù)據(jù)盤的多少成比例。在執(zhí)行單個讀操

作時，所有的磁盤要被同時存取，請求的數(shù)據(jù)和關聯(lián)的糾錯

碼都提交給陣列控制器，如果發(fā)現(xiàn)有一個二進位錯，陣列

控制器能立即確認和糾正錯誤，所以讀操作時間并未變陵

在執(zhí)行單個寫請求時，所有的數(shù)據(jù)盤和奇偶校驗盤必須被存

取。

RAIDlevel3

*RAID3的組織與RAID2相似，其差別是它僅使用一只冗余

盤，而不論是多大的磁盤陣列。

當出現(xiàn)磁盤故障時，要使用奇偶校驗盤的信息，數(shù)據(jù)可以

用剩下的磁盤中的信息來重新構造，考慮有五個磁盤驅

動器組成的陣列，若X0到X3存放數(shù)據(jù)，X4為奇偶校驗盤,

對于第i位的奇偶校驗位可如下計算：

X4(i)=X3(i)?X2(i)?X1(i)?X0(i)

假定驅動器X1出故障，如果把X4(i)X1(i)加到上面等式的兩邊,

得至U

X1(i)=X4(i)十X3(i)十X2(i)十XO(i)

因此，在陣列中的任何一只數(shù)據(jù)盤上的任一數(shù)據(jù)子塊的

內容，都能從陣列中剩余下來的其它磁盤的對應數(shù)據(jù)子

塊的內容來重新生成，這個原理適用于RAID3、RAID4和

RAID5o

RAIDlevel4

為RAID4和RAID5使用了獨立存取技術，在

一個獨立存取的磁盤陣列中，每個驅動

器都可以獨立地工作，所以，獨立的I/O

請求可以被并行地得到滿足。因此獨立

存取陣列適合于有頻繁I/O請求的應用。

&鯉釉符Fb數(shù)據(jù)量寫操作時，陣列管理軟件

示或修改用戶數(shù)據(jù)，而且也要修改對應的奇偶

校驗位?？紤]有五個驅動器組成的一個陣列，X0

到X3存儲數(shù)據(jù)，X4是奇偶校驗磁盤。假如執(zhí)行一

個僅僅涉及磁盤X1上數(shù)據(jù)的寫操作。開始的時候,

對每一個二進位i,有下列關系式：

X4(i)=X3(i)十X2(i)十X1(i)十XO(i)

在數(shù)據(jù)修改之后，對于改變了的二進位用'符號來

指出，得到：

X4，(i)=X3(i)十X2(i)十X1，(i)十XO(i)

=X3(i)十X2(i)十X1，(i)十XO(i)十X1(i)十X1(i)

=X4(i)十X1(i)十X1，(i)

為了計算新的奇偶校驗位，陳列管理軟件必須讀出

老的用戶數(shù)據(jù)子塊和老的奇偶校驗碼，因此每個

數(shù)據(jù)寫操作包含了兩次讀操作和兩次寫操作。

RAIDlevel5

&RAID5的組織形式與RAID4類似，差別僅

奇偶校驗碼是分布橫跨存放在所有的磁

盤上，典型的存放方法為輪轉法，設有n

個磁盤的一個陣列，則開頭的n個奇偶校

驗碼螺旋式地位于n個磁盤上（即每個盤上

有一個奇偶校驗碼），接著按這個模式再

次重復。采用螺旋式把奇偶校驗碼分布

橫跨存放在所有的磁盤上，能避免RAID4

中發(fā)生的奇偶校驗盤湖瓶頸口問題。

Dlevel6和RAIDlevel7

為這是增強型RAID。RAID6中設置了專用快

速的異步校驗磁盤，具有獨立的數(shù)據(jù)訪

問通路，比低級RAID性能更好，但價格

昂貴。RAID7對RAID6作了改進，該陣列

中的所有磁盤都有較高傳輸速率，性能

優(yōu)異，但價格也很高。

是高磁盤I/O速度的一些方法

改提前讀。用戶經(jīng)常采用順序方式訪問文件的各

個盤塊上的數(shù)據(jù)，在讀當前盤塊時已能知道下

次要讀出的盤塊的地址，因此，可在讀當前盤

塊的同時，提前把下一個盤塊數(shù)據(jù)也讀入磁盤

緩沖區(qū)。這樣一來，當下次要讀盤塊中的那些

數(shù)據(jù)時，由于已經(jīng)提前把它們讀入了緩沖區(qū)，

便可直接使用數(shù)據(jù)，而不必再啟動磁盤I/O,從

而，減少了讀數(shù)據(jù)的時間，也就相當于提高了

磁盤I/O速度。”提前讀”功能已被許多操作系

統(tǒng)如Unix、Windows等廣泛采用。

》至遲溝在執(zhí)行寫操作時，磁盤緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)

本來應該立即寫回磁盤，但考慮到該緩沖區(qū)中的

數(shù)據(jù)不久之后再次被輸出進程或其它進程訪問，

因此，并不馬上把緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)寫盤，而是把它

掛在空閑緩沖區(qū)隊列的末尾。隨著空閑緩沖區(qū)的

使用，存有輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)也不停地向隊列頭

移動，直至移動到空閑緩沖區(qū)隊列之首。當再有

進程申請緩沖區(qū)，且分到了該緩沖區(qū)時，才把其

中的數(shù)據(jù)寫到磁盤上，于是這個緩沖區(qū)可作為空

閑緩沖區(qū)分配了。只要存有輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)還

在隊列中，任何訪問該數(shù)據(jù)的進程，可直接從中

讀出數(shù)據(jù)，不必再去訪問磁盤。這樣做，可以減

少磁盤的I/O時間，相當于提高了I/O速度。同樣，

在Unix和Windows中也采用了這一技術。

5.6設備分配

區(qū)561設備獨立性

通常用戶不指定特定的設備，而指定邏

輯設備，使得用戶作業(yè)和物理設備獨立

開來，再通過其它途徑建立邏輯設備和

物理設備之間的對應關系，我們稱這種

特性為“設備獨立性”

設備獨立性帶來的好處

改用戶與物理的外圍設備無關，系統(tǒng)增減

或變更外圍設備時程序不必修改；易于

對付輸入輸出設備的故障

改從設備的特性來看，可以把設備分成獨

占設備、共享設備和虛擬設備三類，

改相應的管理和分配外圍設備的技術可分

成：獨占方式、共享方式和虛擬方式，

操作系統(tǒng)中，對I/O設備的分配

算法常用的有：

&先請求先服務，優(yōu)先級高者先服務等。

此外，在多進程請求I/O設備分配時，應

防止因循環(huán)等待對方所占用的設備而產

生死鎖，應預先進行性檢查。

實現(xiàn)I/O設備的分配

&系統(tǒng)中應設有設備分配的數(shù)據(jù)結構：設備類表

和設備表。

*系統(tǒng)中擁有一張設備類表，每類設備對應于設

備表中的一欄，其包括的內容通常有：設備類、

總臺、空閑臺數(shù)和設備表起始地址等。

*每一類設備，如輸入機、行式打印機等都有各

自的設備表，該表用來登記這類設備中每一臺

設備的狀態(tài)，其包含的內容通常有：物理設備

名、邏輯設備名、占有設備的進程號、已分配/

未分配、好、壞等。按照上述分配使用的數(shù)據(jù)

結構，不難設計出I/O設備的分配流程。

5.7虛擬設備

★靜態(tài)分配方式是不利于提高系統(tǒng)效率的

&采用脫機外圍設備操作

右聯(lián)機同時外圍設備操作（又稱作假脫機操

作）

斯普林系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

*'井”是用作緩沖的存儲區(qū)域，采用井的

技術能調節(jié)供求之間的矛盾，消除人工

干預帶來的損失。

&“預輸入程序”；能將信息從輔助存儲

器輸出緩沖區(qū)域輸出到輸出設備的“緩

輸出程序”以及控制作業(yè)和輔助存儲器

緩沖區(qū)域之間交換信息的“井管理程

序”。

X-

中的作業(yè)有四種狀態(tài):

&?輸入狀態(tài)：作業(yè)的信息正從輸入設

備上預輸入。

**收容收態(tài)：作業(yè)預輸入結束但未被

選中執(zhí)行。

也?執(zhí)行狀態(tài)：作業(yè)已被選中，它可從

輸入井讀取信息可向輸出井寫信息。

區(qū)?完成狀態(tài)：作業(yè)已經(jīng)撤離，該作業(yè)

的執(zhí)行結果等待緩輸出。

*作業(yè)表用來登記進入系統(tǒng)的所有作業(yè)的

作業(yè)名、狀態(tài)、預輸入表位置等信息。

*每個用戶作業(yè)擁有一張預輸入表用來登

記該作業(yè)的各個文件的情況，包括設備

類、信息長度及存放位置等。

改每個用戶作業(yè)擁有一張緩輸出表的格式

包括作業(yè)名、作業(yè)狀態(tài)、文件名、設備

類、數(shù)據(jù)起始位置、數(shù)據(jù)當前位置等項。

井文件空間的管理

內第一種方式是連接方式，輸入的信息被組織成連接文件，文件的第

一塊信息的位置登記在預輸入表中，以后各塊用指針連起來，讀出n

塊后，由連接指針就可找到第n+1塊數(shù)據(jù)的位置。這種方式的優(yōu)點

是數(shù)據(jù)信息可以不連續(xù)存放，文件空間利用率高。

&第二種是計算方式，假定從讀卡機上讀入信息并存放到磁盤的井文

件空間，每張卡片為80個字節(jié)，每個磁道可存放100個80字節(jié)的記錄,

若每個柱面有20個磁道，則一個柱面可以存放2000張卡片信息。如

果把2000張卡片作為一疊存放在一個柱面上，于是輸入數(shù)據(jù)在磁盤

上的位置為：第一張卡片信息是0號磁道的第1個記錄，第二張卡

片信息是0號第2個記錄，第101張卡片信息是1號磁道的第1個記錄,

那么，第n姓卡片信息被存放在：

&磁道號=卡片號n/100

&記錄號=（卡片號n）mod100

*用卡片號n除以100的整數(shù)和余數(shù)部分分別為其存放的磁道號和記錄

號。

A5.8.1WindowsNT4的設備管理

&WindowsNT4設備管理（I/O系統(tǒng)）的設計目標如下：

*?加快單處理器或多處理器系統(tǒng)的I/O處理。

&?使用標準的Windows2000安全機制保護共享資源。

*?滿足WIN32、0S2和POSIX子系統(tǒng)指定的I/O服務的需要。

&?提供服務，使得設備驅動程序的開發(fā)盡可能簡單。

&?允許在系統(tǒng)中動態(tài)地添加和刪除設備驅動程序。

N?支持FAT、NTFS和CDFS等多種可安裝的文件系統(tǒng)。

&?為映像活動、文件高速緩存和應用程序提供映射文

件I/O的能力。

土系統(tǒng)API是內部的執(zhí)行體系統(tǒng)服務，子

系統(tǒng)DLL調用它們來實現(xiàn)子系統(tǒng)的文檔化的

I/O函數(shù)。

&?I/O管理器負責驅動I/O請求的處理。

改?核心態(tài)設備驅動程序把I/O請求轉化為對硬

件設備的特定的控制請求。

驅動程序支持例程被設備驅動程序調用來

完成它們的I/O請求。

硬件抽象層HALI/O訪問例程把設備驅動程

序與各種各樣的硬件平臺隔離開來，是它們

在給定的體系結構家族中是二進制可移植的,

并且在Windows2000支持的硬件體系結構中是

源代碼可移植的。

十五用.1.3設備驅動程序

為WindowsNT4支持以下三類設備驅動程序：

》?虛擬設備驅動程序VDD：用于模擬16位DOS應

用程序，它們俘獲DOS應用程序對I/O端口的引

用，并將它們轉化為本機WIN32I/O函數(shù)。所以

DOS應用程序不能直接訪問硬件，必須通過一

個真正的核心態(tài)設備驅動程序。

*?WIN32子系統(tǒng)顯示驅動程序和打印驅動程序

（總稱核心態(tài)圖形驅動程序）：用于將與設備

無關的圖形GDI請求轉化為設備專用請求。

*?核心態(tài)設備驅動程序：它們是能夠直接控制

和訪問硬件設備的唯一驅動程序類型。

亥心態(tài)設備驅動程序的類型有:

*?低層硬件設備驅動程序：它直接訪問和控制硬件設備。

&?類驅動程序：為某一類設備執(zhí)行I/O處理，例如磁盤、

磁帶、光盤。

&?端口驅動程序：實現(xiàn)了對特定于某一種類型的I/O端口

的I/O請求的處理，如SCSI。

&?小端口驅動程序：把對端口類型的一般的I/O請求映射

到適配器類型，如一個特定的SCSI適配器。

&?文件系統(tǒng)驅動程序：接受到文件的I/O請求，并通過發(fā)

布它們自己的、更明確的請求給物理設備驅動程序來滿

定該請求。

&?文件系統(tǒng)過濾器驅動程序：截取I/O請求，執(zhí)行另外的

處理，并且將它們傳遞給更低層的驅動程序，例如容錯

磁盤驅動程序FTDISK.SYS。

X-

8?初始化例程：I/O系統(tǒng)加載驅動程序后首先執(zhí)行，以創(chuàng)建

系統(tǒng)對象。

&?調度例程集：提供設備驅動調度函數(shù)。

&?啟動I/O例程：初始化與設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

&?中斷服務例程：處理設備中斷。

*?中斷服務DPC例程：在ISR執(zhí)行以后的設備中斷處理。

&另外，設備驅動程序還可能有以下一些例程：

&?完成例程：用來告知分層驅動程序一個較低層的驅動程

序何時完成一個IRP處理。

&?取消I/O例程：用來取消一個可以被取消的I/O操作。

%?卸載例程：用于釋放驅動程序正在使用的系統(tǒng)資源，使

得I/O管理器可以從內存當中刪除它們。

&?系統(tǒng)關閉通知例程：用于在系統(tǒng)關閉時做清理工作。

8?錯誤紀錄例程：用于在錯誤發(fā)生時紀錄發(fā)生的事情。

5^.2Win€loWs

5.8.2.1即插即用和電源管理

也即插即用和電源管理是硬件和軟件支持

的結合，這種結合使得計算機只需要極

少的用戶干預或完全不需要用戶干預就

能識別和適應硬件配置的更改。

&Windows2000即插即用結構的設計目標有兩個：

3??在支持用于即插即用工業(yè)硬件標準的同時，為了實現(xiàn)即插

用和電源管理，擴展原有的NT輸入輸出底層結構。

&?實現(xiàn)通用設備驅動程序接口，這些接口在Windows98

Windows2000下支持許多設備類的即插即用和電源管理。

*Windows2000提供以下的即插即用支持：

&?已安裝硬件的自動和動態(tài)識別。

&?硬件資源的分配和再分配。

&?加載適當?shù)尿寗映绦颉?/p>

*?與即插即用系統(tǒng)相互作用的驅動程序接口。

&?與電源管理的相互作用。

&?設備通知事件的登記。

*Windows2000為了能夠支持即插即用和電源管理，

設備程序的初始化較NT4作了很大修改。這些修改

如下：

&?總線驅動程序從HAL中分離。在新的構造中，為了與現(xiàn)

有的核心態(tài)組件如執(zhí)行體、驅動程序和HAL的更改和擴展

一致，總線驅動程序從HAL中分離出去。

&?支持設備安裝和設備配置的新方法和新功能。新的設計

包括對NT4中用戶態(tài)組件的更改和擴展，如：假脫機、類

安裝程序、控制面板應用程序和安裝程序。另外系統(tǒng)增加

了新的核心態(tài)和用戶態(tài)即插即用組件。

&?從注冊表重讀寫信息的新的即插即用API。在新的設計中,

對注冊表結構進行了更改和擴展，其結構支持即插即用，

同時具備向后兼容功能。

.8.2.4即插即用結構

4

功能部件的作用是

&?用戶態(tài)即插即用組件：用于控制和配置設備的用戶

態(tài)API。

'-1/0管理器：負責驅動I/O請求的處理，為設備驅動程

序提供核心服務。它把用戶態(tài)的讀寫轉化為I/O請求包

IRPo其工作方式和工作原理與NT4相同。

*?核心態(tài)即插即用管理器：指導總線驅動程序執(zhí)行枚舉

和配置、執(zhí)行添加設備和啟動設備操作，同時還負責

協(xié)調即插即用程序的用戶態(tài)部分來暫?；騽h除可用于

這類操作的設備。即插即用管理器維護著一棵設備樹,

驅動程序管理器可以查看該設備樹，跟蹤系統(tǒng)中活動

驅動程序及其與活動設備有關的信息。當系統(tǒng)添加和

刪除設備或進行資源再分配時，即插即用管理器便更

新設備樹。

先叫原管理需和策略管理器：電源管理器是核心

W縉件，它和策略管理器一起工作，處理電源管

理API,協(xié)調電源事件并生成電源管理IRP。策略

管理器監(jiān)控系統(tǒng)中的活動，將用戶狀態(tài)、應用程

序狀態(tài)和設備管理程序狀態(tài)集成為電源策略，在

特定環(huán)境或請求條件中生成更改電源狀態(tài)的IRP。

*?即插即用WDM接口：I/O系統(tǒng)為驅動程序提供了

分層結構，這一結構包括WDM驅動程序、驅動程

序層和設備對象。WDM驅動程序可以分為三類：

總線驅動程序、功能驅動程序和篩選驅動程序。

每一個設備都含有兩個以上的驅動程序層：用于

支持它所基于的I/O總線的總線驅動程序，用于支

持設備的功能驅動程序，以及可選的對總線、設

備或設備類的I/O請求進行分類的篩選驅動程序。

另外，驅動程序為它所控制的每一個設備創(chuàng)建設

備對象。

“期M總線驅動程序：它控制總線電源控制和即

插即用。在即插急用描述表中，任何枚舉其他設

備的設備都被看作是一個總線?？偩€驅動程序的

主要任務是：枚舉總線上的設備，標志它們病危

它們創(chuàng)建設備對象；向操作系統(tǒng)報告總線上的動

態(tài)事件；響應即插即用和電源管理IRP；對總線的

多路復用；管理總線上的設備。

3?WDM驅動程序：包括功能驅動程序/小功能驅動

程序對和篩選驅動程序。在驅動程序對中，類驅

動程序（一般由操作系統(tǒng)提供）提供所有這一類

設備所需要的功能，小功能驅動程序（一般由廠

家提供）提供一個特定設備所需要的功能。功能

驅動程序除了為設備提供操作接口以外，還提供

電源管理功能和執(zhí)行操作的有關信息，該操作與

休眠和滿負荷工作狀態(tài)之間的轉換有關。

5.9實例研究：Linux的設備管理

A5.9.1Linux的設備管理概述

在Linux操作系統(tǒng)中，輸入輸出設備可以分為字符設

備、隹設備和網(wǎng)絡設備。

塊設備把信息存儲在可尋址的固定大小的數(shù)據(jù)塊

中，數(shù)據(jù)塊均可以被獨立地讀寫，建立塊緩沖，

能隨機訪問數(shù)據(jù)塊。

字符設備可以發(fā)送或接收字符流，通常無法編址,

也不存在任何尋址操作。

網(wǎng)絡設備在Linux中是一種獨立的設備類型，有一些

特殊的處理方法。也有一些設備無法利用上述方

法分類，如時鐘，他們也需要特殊的處理。

也在邙1UX中，所有的硬件設備均當作特殊的

設備文件處理，可以使用標準的文件操作。

*對于字符設備和塊設備，其設備文件用

mknod命令創(chuàng)建，用主設備號和次設備號

標識，同一個設備驅動程序控制的所有設

備具有相同的主設備號，并用不同的次設

備號加以區(qū)別。

&網(wǎng)絡設備也是當作設備文件來處理，不同

的是這類設備由Linux創(chuàng)建，并由網(wǎng)絡控制

器初始化。

*Linux核心具體負責I/O設備的操作，這些管理和控制硬件設備控制器的

程序代碼稱為設備驅動程序，它們是常駐內存的底層硬件處理子程序,

具體控制和管理I/O設備。雖然設備驅動程序的類型很多，它們都有以

下的共同特性：

*?核心代碼。設備驅動程序是Linux核心的重要組成部分，在內核運行。

如果出現(xiàn)錯誤，則可能造成系統(tǒng)的嚴重破壞。

&?核心接口。設備驅動程序提供標準的核心接口，供上層軟件使用。

山?核心機制和服務。設備驅動程序使用標準的核心系統(tǒng)服務，如內存

分配、中斷處理、進等待隊列等待。

*?可裝載性。絕大多數(shù)設備驅動程序可以根據(jù)需要以核心模塊的方式

裝入，在不需要是可以卸裝。

為?可配置性。設備驅動程序可以編譯并鏈接進入Linux核心。當編譯Linux

核心時，可以指定并配置你所需要的設備驅動程序。

*?動態(tài)性。系統(tǒng)啟動時將監(jiān)測所有的設備，當一個設備驅動程序對應的

設備不存在時，該驅動程序將被閑置，僅占用了一點內存而己。

設備輸入輸出

為Linux的設備驅動程序可以通過查詢

(polling)＞中斷和直接內存訪問等多種形

式來控制設備進行輸入輸出。

生查洲為式，Linux專門引入了系統(tǒng)定時器，以便每隔一段

時間才查詢一次設備的狀態(tài)，從而解決忙式查詢帶來的

效率下降問題。Linux的軟盤驅動程序就是以這樣一種方

式工作的。即便如此，查詢方式依然存在著效率問題。

*中斷I/O控制方式，在中斷方式下，Linux核心能夠把中斷傳

遞到發(fā)出I/O命令的設備驅動程序。為了做到這一點，設

備驅動程序必須在初始化時向Linux核心注冊所使用的中

斷編號和中斷處理子程序入口地址，/proc/interrupts文件歹U

出了設備驅動程序所使用的中斷編號。

為硬盤設備、SCSI設備等高速I/O設備，Linux采用DMA方式

進行I/O控制，這是稀有資源一共只有7個。DMA控制器不

能使用虛擬內存，且由于其地址寄存器只有16位（加上

頁面寄存器8位），它只能訪問系統(tǒng)最低端的16M內存。

DMA也不能被不同的設備驅動程序共享，因此一些設備

獨占專用的DMA,另一些設備互斥使用DMA。Linux使用

dma_chan數(shù)據(jù)結構跟蹤DMA的使用情況，它包括擁有者的

名字和分配標志兩個字段，可以使用cat/proc/dma命令列

出dma_chan的內容。

'A一個典型的Linux系統(tǒng)一般包括

一個DOS分區(qū)、

一個EXT2分區(qū)（Linux主分區(qū)）、

一個Linux交換分區(qū)、

以及零個或多個擴展用戶分區(qū)O

2在1踴次系統(tǒng)中，IDE系統(tǒng)(InergratedDiskElectronic,

一種磁盤接口)和SCSI系統(tǒng)(SmallComputerSystem

Interface,一種I/O總線)的管理有所不同。Linux系

統(tǒng)使用的大多數(shù)硬盤都是IDE硬盤，每一個IDE

控制器可以掛接兩個IDE硬盤，一個稱為主硬盤,

一個稱為從硬盤。一個系統(tǒng)可以有多個IDE控制