操作系统课件_DeviceManagement_case

操作系统课程讲义《操作系统原理》I/O设备管理案例分析主讲教师：史广顺[e-mail]@imi.nankai.edu.cn操作系统课程讲义2Minix中的I/O设备管理设备驱动方式（与Unix的本质区别，与Linux类似方式）每一类设备均有单独的设备驱动程序，其中硬件无关的内容形成公共程序、硬件相关的内容作为特定驱动。以模块化组织提高系统灵活性采用进程间通信的方式完成I/O设备的使用（Minix的进程式组织结构）Unix采用过程调用的方式，用户进程调用驱动程序，引发操作系统陷入，完成I/O操作后由中断处理程序唤醒用户进程设备管理方法设备驱动程序作为独立进程存在，OS启动时各个设备驱动进程完成基本初始化，而后等待消息（阻塞），直到用户进程发送消息（使用I/O设备）将其唤醒与硬件相关的设备驱动部分作为过程被设备驱动程序调用，从而实现无关性封装I/O软件与死锁处理Minix将所有与设备无关的I/O软件封装在文件系统模块中，所有的块设备均作为一种特殊的文件用户空间的I/O软件主要是供用户程序调用的函数库Minix中对死锁的处理采用“鸵鸟算法”I/O管理实例操作系统课程讲义3进程式OS与整体式OSI/O管理实例操作系统课程讲义4Windows中的I/O设备管理I/O管理系统结构I/O管理系统是一个独立的系统组件，存在于NTOSKRNL.exe文件中I/O管理系统由多个执行体组件和设备驱动程序组成，负责接受I/O请求，并针对性的将设备请求传送到各类对应的设备Windows中将所有的I/O操作均看作对虚拟文件的操作，所有的I/O数据传输都被看作“流数据”，由I/O管理系统负责将虚拟文件映射到对应的物理设备上I/O管理系统组成I/O管理器：负责定义支撑设备驱动程序的基本架构，直接响应I/O请求设备驱动程序：负责定义并实现某一特定类型设备的I/O接口管理PnP管理器：与I/O管理器和总线驱动程序协同，检测硬件资源的分配、设备的变更电源管理器：与I/O管理器协同工作来检测整个系统和单个设备，完成电源状态转换WDMWMI：WDM的WMI支持例程，负责实现设备与WMI服务之间的通信注册表：作为一个数据库，存储基本硬件描述信息以及驱动程序的初始化和配置信息硬件抽象层：将设备驱动程序实现为二进制可移植的形式，实现对硬件平台的独立Windows中的I/O系统数据结构文件对象、驱动程序对象、设备对象、I/O请求包I/O管理实例操作系统课程讲义5Windows中I/O系统组件I/O管理实例操作系统课程讲义6Windows中的I/O数据结构文件对象所有I/O设备被看作文件对象，用户程序进行I/O操作时就像是对一个文件进行操作文件对象是可共享的、有设备无关命名的、受保护的、支持同步的结构调用与实现过程：C库函数——Win32DLL——NTDLL.DLL——NTOSKRNL.DLL驱动程序对象与设备对象驱动程序对象代表一个独立的驱动程序，I/O管理器从驱动程序对象中获得并且为I/O记录每个驱动程序的入口点设备对象在OS中代表一个物理/逻辑/虚拟的设备，并描述设备的基本特征当驱动程序被加载时，I/O管理器将创建一个驱动程序对象，然后调用驱动程序的初始化例程，初始化例程将创建一个设备对象。设备对象接受I/O操作请求，驱动程序对象实现I/O操作请求I/O请求包由固定部分（标题）和堆栈单元（数量不定）组成，包含了I/O请求的各类信息IRP由I/O管理器构造，保存了I/O请求的相关信息，同时保存了调用者的相关信息所有的IRP均保存在IRP队列中，当用户程序终止后，I/O系统将清除未完成的IRPI/O管理实例操作系统课程讲义7I/O请求涉及到的数据结构I/O管理实例操作系统课程讲义8Windows中设备驱动程序层次I/O管理实例操作系统课程讲义9设备驱动程序的内容组成I/O管理实例操作系统课程讲义10Windows中的I/O处理简述设备驱动程序的同步操作驱动程序在访问相关数据时，必须实现“同步”操作，即以互斥的形式保护各类共享数据。在单CPU的机器上，通过同步例程实现；在多CPU的机器上，通过“自旋锁”实现I/O处理的类型同步I/O和异步I/O：绝大部分I/O操作是以同步方式实现的。但是也可以通过设定CreatFile的参数来使用异步I/O，异步I/O要求用户程序在设计和实现时必须保证不访问来自I/O操作的数据。在异步方式下，用户程序通过等待同步对象来实现与异步I/O操作的“同步”快速I/O：允许I/O系统不产生IRP而直接使用驱动程序执行I/O请求映射文件I/O和文件高速缓存•映射文件I/O是将磁盘中的MappingFile作为进程的虚拟内存一部分，直接把文件作为大的数组进行访问•Windows利用MappingFile可实现文件高速缓存和映象活动分散/集中式I/O：运行用户程序从虚拟内存的多个缓冲区（映射文件）中读写数据到磁盘文件（非高速缓存打开）的一个连续区域中。I/O管理实例操作系统课程讲义11盘设备的管理描述盘的硬件组成及相关原理磁盘：软盘和硬盘，基于电磁原理存储数据，盘面附着可磁化金属氧化物，磁头旋转保持角速度一致即可只读光盘：CD-ROM，基于光学原理，利用凹痕与槽脊的过渡来记录0、1；光头旋转时需要保持线速度一致可刻录光盘：CD-R，盘面附着染料，通过调整激光的功率溶化染料，形成光学上的暗斑，记录0、1可擦写光盘：CD-RW，盘面附着银/铟/锑/碲合金DVD光盘：更小的凹痕、更密的螺旋、更短的激光波长盘的I/O管理问题物理空间的分布：磁道/柱面/扇区，螺旋/扇区物理空间的逻辑化映射：控制器实现统一的虚拟几何规格数据存储和读写的性能保证：RAID、低级/高级格式化、柱面斜进、交叉编码磁盘驱动的核心算法：磁盘臂调度算法容错机制：坏扇区记录、ECC校验、稳定存储器I/O管理实例操作系统课程讲义12电源的管理描述计算机硬件设备的电能消耗电源管理的目的：合理、有效的使用电能驱动计算机硬件设备工作如何减少能量消耗：当设备不工作时，由OS将其关闭；或者通过降低应用程序的速度来降低能源消耗电池类型：一次性使用、可充电、智能电池电源管理的方法硬件设备设计为多种状态，例如工作、睡眠、休眠、关闭等，可通过机械按钮或者设备本身转换状态以节省能源操作系统根据能量消耗的规律负责调整设备的状态硬件设备和电池均提供“智能化”设计，通过向OS提供当前状态信息供OS进行决策，合理规划电能消耗“退化”操作：当能源不足时，OS通过降低电压、降低分辨率等操作以延长计算机可用时间I/O管理实例操作系统课程讲义13电源的管理描述计算机硬件设备的电能消耗电源管理的目的：合理、有效的使用电能驱动计算机硬件设备工作如何减少能量消耗：当设备不工作时，由OS将其关闭；或者通过降低应用程序的速度来降低能源消耗电池类型：一次性使用、可充电、智能电池ACPI（高级配置与电源接口）标准：为系统定义了6种不同的能耗状态（S0－S5)，为设备定义了4种不同的能耗状态（D0－D3）电源管理的方法硬件设备设计为多种状态，例如工作、睡眠、休眠、关闭等，可通过机械按钮或者设备本身转换状态以节省能源操作系统根据能量消耗的规律负责调整设备的状态硬件设备和电池均提供“智能化”设计，通过向OS提供当前状态信息供OS进行决策，合理规划电能消耗“退化”操作：当能源不足时，OS通过降低电压、降低分辨率等操作以延长计算机可用时间I/O管理实例操作系统课程讲义14ACPI标准中的能耗状态分布I/O管理实例系统能耗状态能耗描述软件恢复硬件延迟设备能耗状态S0（正常工作）最大无无D0（正常工作）S1（睡眠）比S0大，比S2小恢复运行小于2秒D2S2（睡眠）比S1大，比S3小恢复运行2秒或更多D2S3（睡眠）比S2大，比S4小恢复运行2秒或更多D2S4（休眠）电源按钮保持微弱电流，系统保持唤醒电流恢复运行长D3（关闭）S5（完全关闭）电源按钮一直保持微弱电流系统引导长D3（关闭）操作系统课程讲义15Windows中的PNP与电源管理I/O管理实例操作系统课程讲义16Thanksforyourtime!Questions&Answers全文结束