设备管理第10章UNIX系统内核结构

第十章UNIX系统内核结构1第十章UNIX系统内核结构10.1UNIX系统概述10.2进程的描述和控制10.3进程的同步与通信10.4存储器管理10.5设备管理10.6文件管理第十章UNIX系统内核结构210.1UNIX系统概述10.1.1UNIX系统的发展史10.1.2UNIX系统的特征1、开放性2、多用户、多任务环境3、功能强大，实现高效4、提供了丰富的网络功能5、支持多处理器功能第十章UNIX系统内核结构310.1.3UNIX系统的内核结构图10-1UNIX核心的框图字符设备块设备设备驱动程序硬件控制高速缓存文件子系统系统调用接口进程间通信调度存储管理进程控制子系统核心级硬件级硬件核心级用户级库函数用户程序捕俘第十章UNIX系统内核结构41(1)进程控制(2)进程通信(3)存储器管理(4)进程调度10.1.3UNIX系统的内核结构2、文件子系统(1)文件管理(2)高速缓冲机制(3)设备驱动程序第十章UNIX系统内核结构510.2进程的描述和控制10.2.1进程控制块PCB在UNIX系统Ⅴ中，(1)(2)U区(3)进程区表(4)系统区表第十章UNIX系统内核结构6图10-2进程区表项、系统区表项和区的关系正文数据栈正文数据栈abcdeabcde系统区表A进程区表B进程区表4、本进程区表(PerProcessRegionTable)第十章UNIX系统内核结构7图10-3进程的数据结构4、本进程区表(PerProcessRegionTable)U区进程表abcabc本进程区表系统区表第十章UNIX系统内核结构810.2.2进程状态与进程映像1、进程状态图10-4进程的状态转换62379845唤醒换出换出换入内存中睡眠睡眠且换出睡眠调度核心态执行1抢夺被抢夺内存中就绪内存足内存不足创建fork用户态执行返回到用户态系统调用中断中断中断返回返回僵死唤醒就绪且换出第十章UNIX系统内核结构92、进程映像（1）用户级上下文（2）寄存器上下文程序寄存器处理机状态寄存器(PSR)栈指针通用寄存器（3）系统级上下文静态部分动态部分第十章UNIX系统内核结构1010.2.3进程控制1、fork系统调用(1)为新进程分配一个进程表项和进程标识符；(2)检查同时运行的进程数目；(3)拷贝进程表项中的数据；(4)子进程继承父进程的所有文件；(5)为子进程创建进程上下文；(6)子进程执行。第十章UNIX系统内核结构112、exec系统调用图10-5execⅤ的参数组织方式trappathargvarg2parg1parg0p0文件名字符串参数字符串第十章UNIX系统内核结构123、exit系统调用(1)关闭软中断；(2)回收资源；(3)写记账信息；(4)置进程为“僵死”状态。4、wait系统调用第十章UNIX系统内核结构1310.2.4进程调度与切换1、引起进程调度的原因2、调度算法3、进程优先级的分类4、进程优先数的计算基本用户优先数的时间最近使用优先数2CPU5、进程切换第十章UNIX系统内核结构1410.3进程的同步与通信1、sleep与wakeup同步机制2、信号（signal）机制3、管道机制4、消息机制5、共享存储区机制6、信号量集机制第十章UNIX系统内核结构1510.3.4消息机制图10-6消息机制中的数据结构…队列i…队列n…消息首部msgh0消息首部msgh3消息首部msgh2消息缓冲区消息缓冲区消息缓冲区消息首部m消息缓冲区消息队列头表032第十章UNIX系统内核结构1610.3.5共享存储区机制图10-7利用共享存储区进行通信AB正文进程的虚空间数据栈共享存储区B正文数据B′栈内存空间进程的虚空间A′A第十章UNIX系统内核结构17图10-8信号量集表与信号量表sem0sem1sem20sem31sem42sem53sem6sem7sem80sem91sem102sem110…信号量集表信号量表信号量集信号量集10.3.6信号量集机制第十章UNIX系统内核结构1810.4存储器管理10.4.1请求调页管理的数据结构1、页表和磁盘描述表图10-9页表项和磁盘描述表项物理页号年龄写时拷贝修改位访问位有效位保护（a）页表项对换设备号设备块号存储器类型（b）盘块说明第十章UNIX系统内核结构19图10-10页框数据表项及其散列队列2、页框数据表和对换使用表第十章UNIX系统内核结构20图10-11四种数据结构之间的关系页表项页框号794磁盘块描述项对换设备1块号2743引用数1对换设备1块号2743物理页794引用数1对换设备块2743对换使用表项页框数据表项794虚地址1493K第十章UNIX系统内核结构2110.4.2换页进程1、增加有效页的年龄2、对换出页的几种处理方式3、将换出页面写到对换设备上10.4.3请求调页1、缺页在可执行文件上2、缺页在对换设备上3第十章UNIX系统内核结构2210.5设备管理10.5.1字符设备缓冲区管理1、空闲字符缓冲区队列图10-12空闲字符缓冲区队列cblock[0]c_nextc_nextc_nextcblock[1]cblock[2]c_nextcblock[N1]cfreelist…2、空闲字符缓冲区的分配与回收3、设备的字符缓冲区队列第十章UNIX系统内核结构2310.5.2块设备缓冲区管理1、盘块缓冲区及其首部图10-13缓冲首部设备号块号状态缓冲区指针散列队列的前向指针散列队列的后向指针空闲表上的前向指针空闲表上的后向指针第十章UNIX系统内核结构242、盘块缓冲池结构图10-14空闲队列(链)及散列队列blkno0mod4blkno1mod4blkno2mod4blkno3mod4281798346459750103599空闲表头标3、盘块缓冲区的分配4、盘块缓冲区的回收第十章UNIX系统内核结构2510.5.3内核与驱动程序接口1、设备开关表的作用图10-15设备开关表及系统调用和驱动程序间的接口openclosereadwriteioctl字符设备开关表openmountcloseunmountreadwrite块设备开关表高速缓冲调用openclosereadwriteioctl驱动程序设备中断处理程序openclosestrategy驱动程序设备中断处理程序中断向量中断向量设备中断文件子系统第十章UNIX系统内核结构2610.5.4磁盘驱动程序1、打开磁盘驱动器的过程gdopen2、启动磁盘控制器的过程3、磁盘中断处理过程gdintr第十章UNIX系统内核结构2710.5.5磁盘读、写程序1、磁盘的读写方式2、读过程bread和breada（1）一般读过程bread（2）提前读过程breada3、写过程bwrite、bawrite和bdwrite（1）一般写过程bwrite（2）异步写过程bawrite（3）延迟写过程bdwrite第十章UNIX系统内核结构2810.6文件管理10.6.1UNIX文件系统概述1、UNIX文件系统的特点(1)文件系统的组织是分级树形结构；(2)文件的物理结构为混合索引式文件结构；(3)采用了成组链接法管理空闲盘块。第十章UNIX系统内核结构292、文件系统的结构图10-18UNIX文件系统的结构ibinusrdeviiibin的目录表usr的目录表dev的目录表Root目录表iilettertesttestreportWangWang第十章UNIX系统内核结构30图10-19直接寻址和间接寻址i.addr(0)i.addr(1)i.addr(2)…i.addr(9)i.addr(10)i.addr(11)i.addr(12)一次间接块数据块二次间接块三次间接块直接寻址一次间址二次间址三次间址…1、寻址方式10.6.2文件的物理结构第十章UNIX系统内核结构31图10-20文件的地址映射示例2、地址转换i.addr(0)i.addr(1)i.addr(2)…i.addr(10)i.addr(11)i.addr(12)数据块二次间接块直接寻址一次间址二次间址三次间址…36742891563313333952一次间接块9523313333第十章UNIX系统内核结构3210.6.3索引结点的管理1、超级块(Superblock)(1)(2)空闲盘块号栈(3)当前空闲盘块号数目(4)空闲磁盘i结点号栈(5)空闲磁盘i结点数目(6)空闲盘块编号栈的锁字段(7)空闲磁盘i结点栈的锁字段(8)超级块修改标志(9)修改时间第十章UNIX系统内核结构332、磁盘索引结点的分配与回收（1）分配过程ialloc（2）回收过程ifree3、内存索引结点的分配与回收（1）分配过程iget（2）回收过程iput第十章UNIX系统内核结构3410.6.4空闲磁盘空间的管理图10-21文件卷的组织1、文件卷的组织2、空闲盘块的组织3、空闲盘块的分配与回收第十章UNIX系统内核结构352、空闲盘块的组织图10-22空闲盘块的组织10910610310095211208205202310307304301409406403400超级块表第十章UNIX系统内核结构3610.6.5文件表的管理图10-23对文件的三种读/写方式f_offestf_inodef_flagf_count…f_offestf_inode…fpfpfpfpfpf_offestf_inodef_flagf_countf_offestf_inode…f_offestf_inode第i个内存索引结点…第j个内存索引结点……第k个内存索引结点…第l个内存索引结点…内存索引结点文件表用户文件描述符表A用户B用户C用户D用户E用户F用户第一种情况第二种情况第三种情况fp第十章UNIX系统内核结构3710.6.6目录管理1、构造目录2、删除目录3、检索目录第十章UNIX系统内核结构38第十章UNIX系统内核结构本章习题：1、2、8、17