操作系统62.pptx
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1、6.2.2 6.2.2 输入输出层次结构输入输出层次结构 通常,操作系统将设备管理系统划分并组织通常,操作系统将设备管理系统划分并组织成三个层次:成三个层次:用户层用户层I/OI/O 设备无关的设备无关的I/OI/O 设备驱动及中断处理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第1页/共25页用户进程用户进程用户层用户层I/OI/O设备无关设备无关的的I/OI/O设备驱动及设备驱动及中断处理中断处理硬件硬件设设备备管管理理子子系系统统逻辑结构图逻辑结构图核核心心态态运运行行第2页/共25页用户程序用户程序标准标准C C库库I/OI/O函数函数内核总
2、控内核总控系统调用处理总控系统调用处理总控WriteWrite处理处理(文件系统、文件系统、TCP/IP)TCP/IP)磁盘控制器磁盘控制器/网卡网卡盘盘/网卡中断处理网卡中断处理用户态用户态核心态核心态异步调用接口异步调用接口磁盘驱动程序磁盘驱动程序/网卡驱动网卡驱动系统调用各模块关系图系统调用接口系统调用接口用户程序用户程序第3页/共25页一、用户层一、用户层I/OI/O 这一层与设备的控制细节无关,不直接这一层与设备的控制细节无关,不直接与设备打交道。与设备打交道。它将设备它将设备(或在设备上的逻辑对象)看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作逻辑资源,为用户进程提供各
3、类I/OI/O函数。函数。用户以设备标识符和一些简单的函数来使用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。设备,如打开、关闭、读、写等。如如C C库中的函数库中的函数fopen();fread();fopen();fread();fwrite();fclose()fwrite();fclose()等等 。第4页/共25页二、设备无关的二、设备无关的I/OI/O 这一层的基本功能:执行适用于所有设这一层的基本功能:执行适用于所有设备的公共备的公共I/OI/O功能,并向其上层提供统一的功能,并向其上层提供统一的系统调用接口。主要任务:系统调用接口。主要任务:设备命名及与设
4、备驱动程序的映射。在设备命名及与设备驱动程序的映射。在UNIXUNIX中,如中,如/dev/tty00/dev/tty00唯一地确定了一个唯一地确定了一个inodeinode数据结构,其中包含了主设备号,通数据结构,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。过主设备号可以找到相应的设备驱动程序。设备访问保护。设备访问保护。分配及释放独占型设备。分配及释放独占型设备。设备设备I/OI/O数据缓冲机制。数据缓冲机制。文件系统功能、文件系统功能、TCP/IPTCP/IP协议等协议等(支持设备支持设备上的逻辑存储、通讯对象)上的逻辑存储、通讯对象)第5页/共25页三、设备驱动与中断处
5、理三、设备驱动与中断处理 设备驱动程序设备驱动程序 包括了所有与设备相关的代码,其功能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是从与设备无关的软件中接收I/OI/O的请求,的请求,排入请求队列或执行之。排入请求队列或执行之。中断处理中断处理 当进程进行当进程进行I/OI/O操作时,将其阻塞至操作时,将其阻塞至I/OI/O操作结束并发生中断。中断发生时,由中断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)处理程序启动请求排队的下一请求(如果有)并解除等并解除等I/OI/O进程的阻塞状态,使其能够继进程的阻塞状态,使其能够继续执行。续执行。第6页
6、/共25页6.2.3.6.2.3.缓冲技术缓冲技术一、单缓冲一、单缓冲 当用户进程发出当用户进程发出I/OI/O请求时,操作系统在请求时,操作系统在主存的系统空间为该操作分配一个缓冲区,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。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可以改善进程运行速度与I/OI/O传输速度之间传输速度之间的速差矛盾。的速差矛盾。第7页/共25页二、双缓冲二、双缓冲 可以实现用户数据区可以实现用户数据区缓冲区之间交换数缓冲区之间交换数据和缓冲区据和缓冲区外设之间交换数据并行。外设之间交换数据
7、并行。三、循环缓冲三、循环缓冲 引入系统缓冲池,采用有限缓冲区的生产引入系统缓冲池,采用有限缓冲区的生产者者/消费者模型对缓冲池中的缓冲区进行循消费者模型对缓冲池中的缓冲区进行循环使用。环使用。缓冲区结合预读和滞后写技术对具有重复缓冲区结合预读和滞后写技术对具有重复性及阵发性性及阵发性I/OI/O进程提高进程提高I/OI/O速度很有帮助。速度很有帮助。第8页/共25页缓冲A缓冲G缓冲E缓冲C缓冲B缓冲D缓冲F缓冲HHash表方式的设备缓冲队列空闲队列头 缓冲区管理示例第9页/共25页6.2.4.6.2.4.设备驱动程序设备驱动程序 一设备驱动程序接口函数一设备驱动程序接口函数驱动程序初始化函数
8、驱动程序初始化函数:这个函数是为了使驱动程: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。时或驱动程序安装入内核时执行。驱动程序卸载函数驱动程序卸载函数:是驱动程序初始化函数的逆: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过程,在支持驱动程序可动态加载卸载的系统中才需要。才需要。申请设备函数申请设备函数:该函数申请一
9、个驱动程序所管理: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。备做初始化工作。释放设备函数释放设备函数:是申请设备函数的逆过程。:是申请设备函数的逆过程。第10页/共25页I IO O操作函数操作函数:这个函数实现对设备的:这个函数实现对设备的I IO O。如。如果对独占型设备,包含了启动果对独占型设备,包含了启动I IO O的指令,对分的指令,对分时共享型设备,该函数通常将时共享型设备,该函数通常将I IO O请求形成一个请求
10、形成一个请求包,将其排到设备请求队列,如果请求队列请求包,将其排到设备请求队列,如果请求队列空,则直接启动设备。空,则直接启动设备。中断处理函数中断处理函数:这个函数在设备:这个函数在设备I IO O完成时向完成时向CPUCPU发中断后被调用。该函数对发中断后被调用。该函数对I IO O完成作善后处理,完成作善后处理,一般是找到等待刚完成一般是找到等待刚完成I IO O请求的阻塞进程,将请求的阻塞进程,将其就绪,使其能进一步作后续工作。如果存在其就绪,使其能进一步作后续工作。如果存在I IO O请求队列,则启动下一个请求队列,则启动下一个I IO O请求。请求。第11页/共25页5.5.设备管
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