第21讲设备管理

4.5Windows设备管理4.5.1设备管理概述1.设备管理任务输入/输出设备速度比CPU和内存的慢,成为系统性能的瓶颈I/O设备同CPU性能不匹配的反差也越大,如何解决。I/O设备千差万别,减轻用户和程序员使用I/O设备的负担保证I/O设备可靠、方便、有效地被多个任务共享使用，（打印机）2.设备管理的基本方法为了解决I/O设备速度过慢、效率不高的问题,设备管理中还需要引人缓冲技术,减少I/O操作的等待时间。虽然有些I/O设备或控制器内部已有硬件缓冲(如打印机内的硬件缓冲,磁盘控制器上的缓冲),但操作系统在内存开设I/O缓冲区和文件系统缓冲区仍然十分必要。多任务系统中,由于系统中I/O设备的资源是有限的,并不是每个进程随时都可以得到这些资源。为了使用某个I/O设备,进程首先要向设备管理程序提出申请,然后由设备管理程序按一定算法进行分配。如果进程的申请没有成功它就必须在等待队列中等待。4.5.2I/O系统结构与I/O管理器①I/O管理器是系统的核心,将“应用程序和系统组件与虚拟的、逻辑的和物理的设备连接起来,支持设备驱动程序的基础设施。②设备驱动程序通常为某一类特定类型的设备提供一个I/O接口。它接收来自I/O管理器传来的命令,并在完成命令后通知I/O管理器。③PnP管理器与I/O管理器和总线型驱动程序协同工作,检测并响应硬件添加与删除,硬件资源分配。④电源管理器也通过与I/O管理器的协同工作,指导系统和各单独设备的电源状态转换⑤Windows驱动程序模型(Windowsdrivermodel,WDM)⑥注册表,存储了硬件设备的描述信息,以及驱动程序初始化和配置信息2.I/O管理器I/O管理器是I/O系统的核心,定义一个有序的工作模型。在该模型中,I/O请求被并交给设备驱动程序进行处理。在WindowsXP中,整个I/O系统是由包(packet)驱动的,大多数I/O请求都是通过一个I/O请求包(I/Orequestpacket,IRP)来表示的。IRP(I/Orequestpacket,)是在每个阶段控制如何处理I/O操作的数据结构IRP可以被从一个I/O系统组件传递到另一个I/O系统组件。这种设计使得单个应用程序线程可以并发地管理多个I/O请求。I/O管理器创建IRP,并将该IRP传递给相应的驱动程序。执行指定的操作,在完成操作后将IRP返回给I/O管理器,通知操作已完成,或送到另一个驱动程序以进一步处理。驱动程序具有模块化的接口使得I/O管理器能够调用任何一个驱动程序,无须驱动程序数据结构或内部细节的特殊知识。驱动程序也可以通过I/O管理器来相互调用,以完成I/O请求的分层的、独立的处理。4.5.3设备驱动程序WindowsXP支持多种类型设备驱动程序。一种常用的分类方法是将其分为两大类:内核模式驱动程序主要包括文件系统驱动程序、即插即用驱动程序、非即插即用驱动程序等用户模式驱动程序主要包括虚拟设备驱动程序和Windows子系统打印驱动程序等。①文件系统驱动程序:接受访问文件的请求,通过向大容量的存储设备或网络设备驱动程序发送它们自己的、更为显式的请求,以此来满足所接收的I/O请求。②即插即用驱动程序:与电源管理器和PnP管理器有关的设备驱动程序,包括大容量存储设备、视频适配器、输入设备和网络适配器的驱动程序。③非即插即用驱动程序为NT编写的、可在WindowsXP下工作,不支持电源管理和PnP④虚拟设备驱动程序:被用于支持16位的MS-DOS应用程序和Win16应用程序。⑤Windows子系统打印驱动程序:将与设备无关的图形请求转换成与打印机相关的命令,然后将这些命令转送到一个内核模式的端口驱动程序Windows驱动程序模型(WDM)是微软公司为了应对新的外设接口(如USB、IEEE1394等)和新型外围设备不断出现而提出的一种驱动程序模式。WDM将驱动程序按层进行了划分,层与层之间独立,它旨在通过提供一种灵活的方式来简化驱动程序的开发并降低其复杂性。驱动程序模型WDM包含了对电源管理、PnP的支持,而且绝大多数PnP驱动程序都遵从WDM规范。Windows98、WindowsMe、Windows2000和WindowsXP都实现WDM,驱动程序的源代码是兼容的,而且在多数情况下是二进制兼容的,从而保证了WDM驱动程序的兼容性WDM驱动程序有以下3种类型:①总线型驱动程序(busdriver):管理逻辑的或物理的总线,例如PCMCIA、PCI、USB、IEEE1394等②功能型驱动程序(functiondriver):管理某一特定类型的设备。4.5.4即插即用由于一台PC配置多种外围设备,设备经常变动和更换,它们都要占用一定的系统资源,这可能导致硬件和软件上产生冲突,因此在系统中要正确配置,当设备撤除、添置和进行系统升级时,配置过程往往是一个困难的过程。为了改变这种状况,出现了即插即用(PnP)技术。1.PnP技术PnP技术规范是由微软、Intel、Compaq等公司共同提出的,它不依赖于特定的操作系统,也不依赖特定的总线结构。PnP技术主要有以下特点:PnP技术支持I/O设备的自动配置,使用户能够简单、方便地使用系统的扩充设备;PnP技术减少了由制造商造成的种种用户限制,简化了硬件的跳线设置;利用PnP技术可以保存系统资源的配置参数和分配状态,有利于系统对整个I/O资源的分配和控制;PnP技术在一定程度上具有热插入、热拼接功能。4.5.5电源管理1.ACPI电源管理标准电源管理的任务是检测系统或某个设备的工作状况,为它仍设定相应的电源能耗状态。电源管理应遵循Intel、微软及TOSHIBA共同开发的ACPI标准(advancedconfigurationandpowerinterface)。同PnP技术一样,电源管理也需要底层硬件正（BIOS）的支持2.电源管理WindowsXP的电源管理由电源管理器和设备驱动程序两部分组成。电源管理器是系统电源管理策略的所有者,因此整个系统的能耗状态转换由电源管理器决定,并调用相应设备的驱动程序来完成。电源管理器决定当前能耗状态的因素有系统活动状况、系统电源状况、应用程序的关机或休眠请求、用户的操作和控制面板的电源设置等。①工作状态②等待状态③休眠状态④关机(系统处于完全关闭状态，只有电源按钮保持微弱电流）4.6Windows网络管理WindowsXP包含广泛的网络支持并且这些网络支持与I/O系统和WindowsAPI集成在一起。网络软件的4种基本类型是1服务2API3协议4网络适配器设备驱动程序构成了一个网络栈。4.6.1网络体系结构(1)Windows套接字套接字是一类编程API,它自20世纪80年代起成为UNIX系统在Internet上的通信标准。(2)命名管道和邮件槽(3)远程过程调用远程过程调用(remoteprocedurecall,RPC)是一个网络编程标准,主要应用于分布式计算环境。它建立在基本的网络API(例如命名管道或WinSock)基础之上,其目的是提供另一种能在某种程度上将应用程序开发人员从网络编程的细节中解脱出来的编程模型,即它隐藏了网络实现的细节。(4)NetBIOSNetBIOS同时支持可靠的面向连接的通信和不可靠的元连接的通信。但WindowsXP对NetBIOS的支将是为了遗留下来的应用程序,即微软不提倡应用程序开发人员使用NetBIOS,因为其他的API\(如前面介绍的WinSock和命名管道)比NetBIOS更加灵活和便于移植(5)Web访问API为了便安开发Internet应用程序,WindowsXP提供了客户InternetAPI和服务器InternetAPI口应用程序利用这些API,无须掌握Gopher、FTP和HTTP等协议的复杂细节,就可以提供和使用相应的服务(6)其他的网络APIWindowsXP还包含了其他一些网络API,它们用得不是那么频繁,或它们建立在前面已经介绍的API之上①实时通信(real\timecommunication,RTC):WindowsXP提供了RTC客户API,它使得开发人员可以创建应用程序以建立集成的多模型通信。2.多重定向器与名称解析应用程序可以通过两种方法来检查或访问远程机器上的资源:一种是使用UNC(universalnamingconvention,通用命名协定)标准与Windows函数直接访问远程资源,另一种是使用WNet(WindowsNetworking)API来列举所有计算机提供的可共享的计算机和资源。名称解析是指这样一个过程:将基于字符的名称,例如MyComputer或转译成一个可被协议钱识别的IP地址,例如192.168.1.10Windows提供的名称解析协议主要是域名系统(domainnamesystem,DNS)。3.协议驱动程序网络API驱动程瘦接受API请求,并将这些请求转换为底层网络协议的传输请求。API驱动程序依赖内核模式的传输协议驱动程序进行实际的转换。将API与下层的网络协议分开的做法,使得整个网络体系结构十分灵活,因为它允许每个API使用不同的网络协议。WindowsXP包含的协议驱动程序主要有＼TCP/IP和NWLinkIPX/SPX/NetBIOS兼容传输协议的驱动程序,另外一些协议的驱动程序是可选的WindowsXP实现了这些传输协议的所有相关协议。4.NDIS驱动程序当一个协议驱动程序要按照其协议的格式从网络上读写消息时,必然要使用网络适配器。(2)拨号连接拨号连接是指通过利用电话网络的设备连接到网络(Internet)。该设备可以是使用标准电话线的调制解调器、使用高速ISDN线路的ISDN卡或者X.25网络。(3)虚拟专用网络连接通过使用自动安装在计算机上的点对点隧道协议(pointtopointtunnelingprotocol,PPTP)或第二层隧道协议(layer2tunnelingprotocol,L2TP),可以经由Internet或其他网络连接到远程访问服务器来安全地访问网络资源安全访问,就好像用户在使用专用网络一样。系统支持两种方式创建VPN连接。①拨叫ISP:VPN连接首先呼叫ISP。在建立连接之后,该连接将呼叫负责建立PPTP或L2TP隧道的远程访问服务器,通过身份验证之后,就可以访问企业网络。②直接连接到Internet:已连接到Internet的用户使用VPN连接来拨号连接远程访问服务器。(4)直接连接通过“网络连接”,可以使用串行电缆、直接并行(directparallel)、电缆、调制解调器、ISDN设备,或其他方法创建到另一台计算机的物理连接。(5)传入连接通过创建传人连接,可将该计算机用作远程访问服务器。可以配置一个传入连接来接受下列连接类型:拨号(调制解调器、ISDN、X.25)、虚拟专用网(PPTP、L2TP)或者直接连接(串行、红外线)。2.网桥在网络连接文件夹中,可以利用网桥实现LAN中多个网段的连接(通常情况下,一个网络有多个LAN段)。3.网络组件(1)客户端①Microsoft网络客户端②NetWare客户端服务(2)服务服务组件为用户提供了一些网络服务功能,例如文件和打印机共享等。①Microsoft网络的文件和打印机共享②QoS数据包计划程序:该组件提供网络传输控制,包括流量率和优先级服务③服务公布协议:NWLinkIPX/SPX/NetBIOS兼容传输协议