设备驱动程序的实现ppt

13.3.2设备驱动程序的实现1．块设备块设备主要包括硬盘、软盘等存储设备，前面已经提到过，块设备驱动程序有一部分是相同的，不同的主要是真正的I/O操作的那部分。设备驱动程序一共可能有6种操作：OPEN:验证设备是否可用；CLOSE:确保把采用延迟写方式处理的数据真正写到设备上；READ:将数据从设备读到调用进程所在的内存区域；WRITE:与READ执行的操作相反；IOCTL:负责对I/O设备的操作参数进行检查和修改；SCATTERED_IO:允许执行同时读写多个块的操作。13.3.2设备驱动程序的实现①块设备驱动程序软件。MINIX在头文件driver.h中定义了块设备驱动程序需要用到的结构定义，它们包括：driver结构：保存各驱动程序执行I/O操作所需调用函数的地址；device结构：以字节为单位保存基地址、长度等与分区相关的主要信息。13.3.2设备驱动程序的实现②驱动程序库可移植性是在MINIX中得到了相当的重视，MINIX的目标是当它被移植到一台机器上时，应该能够使用这台机器上原先运行的操作系统采用的分区表格式。在IBM兼容机上，硬盘分区的标准由MS-DOS的fdisk命令确定。MINIX包含了支持IBM兼容机分区的源代码，为了方便移植，这些与平台有关但是与具体硬件无关的代码没有被放在driver.c文件中，而是单独的放在drvlib.h和drvlib.c文件中。13.3.2设备驱动程序的实现③RAM盘在MINIX中存在一个RAM盘的概念,简而言之就是保留一部分内存作为磁盘来使用，对于用户来说，它就像一个磁盘一样。RAM盘的驱动程序实际上由四个紧密联系的部分组成，也就是具有以下四个次设备：0:/dev/ram:真正的RAM盘，它的大小和基址在MINIX启动时由FS确定；1:/dev/mem:用于读写物理内存，通常读出的是起始于内存零地址的内容，写操作则会改写中断向量；2:/dev/kmem:用于读写内核内存，与1的功能类似；3:/dev/null:负责接收数据并把数据抛弃掉。13.3.2设备驱动程序的实现2．MINIX的系统任务MINIX中将文件管理和内存管理摒弃在内核之外,禁止它们把信息写入内核.所以，如果内存管理系统想把消息通知给内核时，就需要借助于一个第三者——对内核表拥有存取权的内核任务——的帮助，这个任务一般被称之为系统任务。系统任务和I/O任务十分类似，它们都实现了一个接口，具有相同的权限，都被链入内核中，所不同的仅仅是系统任务不控制具体I/O设备，它所服务的对象是系统中大部分的内部组件。13.3.2设备驱动程序的实现系统任务的18种消息:13.4内存管理13.4.1内存管理概述由于MINIX是专门设计在IBM兼容机等微型机上运行的操作系统，因此它的内存管理(MM)是比较简单的，不分页，也不交换：MM保存一张按照地址顺序排列的空闲地址列表，当系统调用FORK和EXEC请求内存时，MM利用首次适配算法找到一块足够大的空闲内存分配给程序使用。而一旦程序装入内存则一直在原位置运行到结束。可以说，内存管理的主要工作就是操作进程表和空闲地址列表这两张表格，以及处理系统调用FORK和EXEC。13.4.1内存管理概述1．内存的消息处理和I/O相仿，MM在系统初始化以后进入自己的主循环，等待消息，一旦收到消息就进行处理并发送应答消息。13.4.1内存管理概述与MM通信的消息类型、入口参数和应答:13.4.1内存管理概述2．系统调用下面我们来看看系统调用FORK、EXEC和BRK的处理过程。①FORK。执行FORK的过程很简单，收到FORK调用的请求后，MM就检查进程表中是否存在空闲位置，如果存在,就尝试为新建立的子进程分配内存，随后就将内存地址等信息填入一个空闲的进程表项，最后发出通知公布建立了一个新进程。进程的终止则更复杂一些，当进程自己退出（或被信号杀死）并且被父进程通过WAIT调用观察到以后，该进程才会真正被删除，如果第二个条件没有满足，子进程就会被挂起，这种状态在MINIX中称为“僵死”。13.4.1内存管理概述②EXEC。这个调用负责内存映像的更新，包括设置新堆栈，它也是MINIX中最复杂的系统调用。EXEC的复杂主要是由两个方面的因素决定的：次数众多的检测：EXEC执行时十分谨慎，为了保证有足够内存容纳新映像，必须进行检测。设置初始堆栈：我们通常用库函数execve来调用EXEC，这个函数包含三个参数：被执行文件名的地址指针；一个指针数组的地址指针，数组中的元素分别指向一个参数；第三个参数同样是一个指针数组的地址指针。13.4.1内存管理概述③BRK。BRK调用可以调整数据段的上限。有两个过程都可以调用BRK：brk过程以数据段的绝对长度为参数；sbrk以当前长度的增量为参数，计算出绝对长度后调用BRK。执行BRK所完成的工作就是检查地址空间是否够用，并根据情况调整表格，然后通知内核。13.4.1内存管理概述3.内存数据结构主要了解两个关键的数据结构：进程表和空闲表。①进程表。MINIX中，内核、FS和MM都拥有各自的进程表，每部分的进程表包含本部分必需的域，同时，三张进程表是对应的，也就是说，三张表的第n个表项指的都是同一个进程。也正是由于这个原因，三张表必须被同步更新。②空闲表。定义在alloc.h文件中的空闲表按照内存地址递增的顺序列出空闲块。空闲表的表项主要包含三个域：空闲块组的基地址、空闲块组的大小及指向下一个空闲块组的指针。表项以单向链表的形式链接。13.4.2实现1.头文件与主程序MM中的table.c文件的主要作用是为全局变量服务，在table.c被编译时，它会自动为下面将介绍到的一些全局变量保留存储空间。内存管理部分有许多自己使用的头文件，这些头文件有的和其它部分的头文件具有相同的名字，但由于它们位于不同的目录下为不同的部分服务，所以编译使用时不会出现错误。13.4.2实现①头文件。在内存管理器MM中存在着一个私有的头文件mm.h，可以将它理解为MM范围内的主控头文件，它囊括了位于/usr/include及其子目录中的所有头文件，以及/kernel/kernel.h中包含的大部分头文件。MM中每个文件的编译都需要引用mm.h。②主程序。MM的主程序也位于main.c中，执行的过程和I/O任务的主程序类似。首先调用mm_init,mm_init通过过程sys_getmap来获得内核的内存使用信息，为所有第二层及第三层的进程初始化进程表项，同时也为init进程初始化进程表项。13.4.2实现2.系统调用的实现①FORK。FORK调用由文件forkexit.c中的do_fork过程来实现。②EXIT。由过程do_mm_exit接收调用，然后具体工作交由mm_exit完成。③WAIT。WAIT和WAITPID调用都由过程do_waitpid完成。④EXEC。过程do_exec负责执行本调用。⑤BRK。BRK调用的处理代码位于break.c中，由过程do_brk完成。13.4.2实现3.信号处理的实现MINIX中所有信号及与信号有关的系统调用都被包含在文件signal.c中，具体功能如下所示：ALARM:经过一段时间后向自己发送ALARM消息；KILL:给别的进程发出信号指示其下一步的动作；PAUSE:在收到下一个信号前挂起自己；REBOOT:发出信号终止所有的进程；SIGACTION:改变调用进程对将来收到信号的响应方式；SIGPROCMASK:改变阻塞信号的集合；SIGSUSPEND:改变阻塞信号集合后执行PAUSE调用；SIGPENDING:对未处理的阻塞信号进行检查；SIGRETURN:处理完信号后进行清理工作。13.4.2实现4．其它的系统调用MM还有几个很简单但是又必需的系统调用，MINIX把它们单独放在一个文件getset.c中，由过程do_getset执行：GETUID：返回有效的用户标号；GETGID：返回有效的分组号；GETPID：返回父子进程的进程号；SETUID：设置调用者有效的用户号；SETGID：设置调用者的有效分组号；SETSID：创建新的会话并返回进程号；GETPGRP：返回进程的分组标识。13.5文件系统13.5.1文件系统概述MINIX文件系统(FS)的功能包括两个方面的内容:站在用户的角度，文件系统使得用户可以知道文件由什么组成、如何命名以及可以怎样操作文件。可以理解为文件系统为用户和文件间提供了一个接口。从系统的角度来考虑，文件系统的功能包括：决定以怎样的方式存储文件和目录，包括分配空间和释放空间的过程；管理磁盘空间，比如是以链接表或是以位图的方式记录空闲存储空间等等。本节中将详细介绍以上这些功能怎样实现。13.5.1文件系统概述1.消息MINIX文件系统接收的消息种类比较多，一共有39种，其中两个是异常消息。其中下图列出的前面31种来自用户进程。后面6种来自系统调用，它们由MM先处理，然后调用FS完成其余工作。13.5.1文件系统概述13.5.1文件系统概述13.5.1文件系统概述2.i节点和位图在MINIX里为了改进顺序读取文件时的性能，要确保同一文件的所有磁盘块都位于同一个柱面上，为此引入了区段的概念，一个区段包含了多个块。MINIX中为每个文件建立了一个索引表，表中存储了文件属性和各个块在磁盘上的地址，这个索引表被称为i节点。MINIX使用位图来记录空闲的i节点和区段，保存位图的磁盘块被称为位图块。当创建一个文件时，FS在位图块中查找第一个空闲的i节点，在这个i节点被分配后，就修改指针指向下一个节点。13.5.1文件系统概述3.目录管理目录管理是文件系统的一个重要功能，我们查找一个文件，实际上就是先在目录树中找到文件名，然后通过对应的i节点在磁盘上找到文件数据。目录查找过程:13.5.1文件系统概述4．管道和设备文件管道和设备文件与普通文件的最大不同在于，普通文件的操作通常很快就能完成，而管道有时则需要等待几个小时才能有进程把数据写进来。而调用设备文件的进程，为了等待终端或其它设备上的I/O，时间也是不能确定的。FS通过不发送信号的方式使得等待应答信号的调用进程被阻塞，一旦有别的进程修改了管道的状态使得被挂起的进程可以运行，FS就会设置一个标志。到下一次主循环时，FS提取以前保存在进程表中的各项参数，继续执行先前被挂起的进程。13.5.2实现1．头文件及全局变量FS使用的数据结构和表，这些在头文件中得到定义。const.h:定义了表长、标志位等一些文件系统中使用的常量的值；glo.h:和内存管理中的glo.h文件一样，定义了一些全局变量；proto.h:提供了ANSI标准C编译器所支持的函数原型；type.h:定义了i节点在磁盘上的组织结构。13.5.2实现2．表格管理及其使用块、超级块及i节点是文件系统中最重要的存储结构，对它们的管理和使用是通过一系列的过程来实现的。用于管理块的过程有：alloc_zone：用于在区段位图中查找空闲区段，并将其分配给文件；flushall：通常被系统调用SYNC所调用，刷新某设备的缓冲，同时将其中内容写回设备；get_block：取要读写的块，先检查高速缓存，若找到就直接返回指针，否则就将其读入缓存；put_block：释放由get_block请求得到的块；13.5.2实现free_zone：负责将不再使用的区段归还给空闲区段位图，以区段位图和位号为参数调用free_bit；rw_block：提供了一个简单的磁盘界面，负责在内存和磁盘间传送块；invalidate：删除某个设备在高速缓存中用过的所有块；rw_scattered：以设备标志符、缓冲区指针数组的指针、数组长度及读写标志为参数，执行在设备上读/写分散数据的任务；rm_lru：只被get_block调用，负责从LRU链中删除一个块。13.5.2实现用于超级块管理的过程略少一些