windows操作系统之设备管理课件

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Windows-,设备管理,Windows I/O,系统,Windows I/O,系统由若干,执行体组件,与,设备驱动程序,构成，联合起来管理硬件设备，并向应用程序和系统提供接口以操纵硬件设备。,Windows I/O,系统的设计目标是,为,应用程序,提供一个有关设备的,抽象,，包括硬件（物理）设备和软件（虚拟或逻辑）设备。,I/O,管理器,I/O,管理器是,I/O,系统的核心；,它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，并定义了基础设施来支持设备驱动程序。,设备驱动程序,设备驱动程序通常

2、为某一种特定类型的设备提供,I/O,接口；,设备驱动程序接收来自,I/O,管理器传送来的命令，完成这些命令，然后通知,I/O,管理器；,设备驱动程序通常使用,I/O,管理器来向其他的共享统一设备接口的设备驱动程序转送,I/O,命令。,PnP,管理器,PnP,管理器与,I/O,管理器及总线驱动程序（,bus driver,）一起工作，以指导硬件资源的分配，检测并响应硬件设备的加入和移除。,PnP,管理器和总线驱动程序负责在检测到一个设备时，加载该设备的驱动程序。,当一个设备被加入到缺乏正确设备驱动程序的系统中时，执行体,PnP,管理器将请求用户模式,PnP,管理器的设备安装服务。,电源管理器,电

3、源管理器与,I/O,管理器一起工作，以指导系统和各个单独的设备驱动程序能够经历电源状态的转变。,系统电源状态描述整体系统的能源消耗，包括系统工作状态、系统休眠状态及系统关机状态等。,硬件抽象层,HAL,HAL,提供一组,API,，将不同平台之间的差异隐藏起来，从而使驱动程序与处理器和中断控制器的特殊性相互隔离开。,一组,Windows,管理规范（,WMI,）支持例程,即,Windows,驱动程序模型（,WDM,）,WMI,提供者，主要用于系统管理和监视。,设备驱动程序可以使用,WDM WMI,提供者作为中间媒介与用户模式的,WMI,服务进行通信。,同时需要注意的是：,Windows,操作系统是

4、,分态,的操作系统，用户应用程序运行在,用户态,，操作系统代码（如系统服务和设备驱动程序）在,核心态,下运行。,用户态程序只能调用,Windows,子系统提供的,API,来同设备交互，当请求传递到,I/O,管理器,时，它进行必要的参数匹配和操作安全性检查，然后由这个请求构造出合适的,I/O,请求包,(IRP),并把此,IRP,传递到适当的驱动程序去，并给应用程序一个消息，通知这次,I/O,操作还没完成。,驱动程序一般是通过硬件抽象层来和硬件交互，从而完 成,I/O,请求工作。,驱动程序完成,I/O,操作后，它将调用一个特殊的内核服务 例程来完成,IRP,。这时，,I/O,管理器把数据和结果返回

5、给,Windows,和用户应用程序。,I/O,控制方式,程序,I/O,方式,中断驱动,I/O,控制方式,DMA I/O,控制方式,I/O,通道控制方式,程序,I/O,方式,向,I/O,控制器发读命令,读,I/O,控制器的状态,检查状态？,从,I/O,控制器中读入字,向存储器中写字,传送完成？,下一条指令,完成,CPUI/O,I/OCPU,I/OCPU,出错,CPU,内存,未完,未就绪,就绪,中断驱动,I/O,控制方式,向,I/O,控制器发读命令,读,I/O,控制器的状态,检查状态？,从,I/O,控制器中读入字,向存储器中写字,传送完成？,下一条指令,完成,CPUI/O,I/OCPU,I/OCP

6、U,出错,CPU,内存,未完,就绪,CPU,做其它事,中断,DMA,控制方式,设置,MAR,和,DC,初值,启动,DMA,传送命令,挪用存储器周期传送数据字,存储器地址增,1,字计数寄存器减,1,DC=0,？,请求中断,在继续执行用户程序的同时，准备又一次传送,否,是,I/O,通道控制方式,简介：,I/O,通道方式,是,DMA,方式,的发展，可进一步减少,CPU,的干预，把对一个,数据块,的读（或写）为单位的干 预减少为对,一组数据块,的读（或写）及有关的控制和管 理为单位的干预。通道时负责外围设备与主存之间进行 数据交换、能单独完成输入输出操作的处理机。它控制 设备与内存直接进行数据交换，它

7、有自己的通道指令，这些通道指令的运行由,CPU,启动，并在操作结束时向,CPU,发出中断信号。,通道程序由一系列通道指令所构成，通道指令的每条指 令中包含如下信息：,操作码,；,内存地址,；,计数,；,通道程序结束位,P,；,记录结束标志,R,。,工作流程：,CPU,向,I/O,通道发送一条,I/O,指令，以给出其所要执行的通道程序的首址和要访问的,I/O,设备，通道程序接到该指令后，通过执行通道程序便可完成,CPU,指定的,I/O,任务。,I/O,通道控制方式的优点：实现,CPU,、,通道,和,I/O,设备,三者的并行操作，执行一个通道程序可以完成几批,I/O,操作，更有效地提高整个系统的,

8、资源利用率,。,缓冲管理,缓冲技术：,1.,发送请求,发出一段时间,后才执行输出传送；,2.,输入请求,发出之前,就执行输入传送。,缓冲的引入的作用：,1.,缓和,CPU,与,I/O,设备,间速度不匹配的矛盾。,2.,减少对,CPU,的中断频率，放宽对,CPU,中断响应时间的限制,3.,提高,CPU,和,I/O,设备,之间的并行性。,0.1ms,0.8ms,0.8ms,单缓冲,(Single Buffer),Max(C,T)+M,双缓冲,(Double Buffer),Max(C,T),双机通信时缓冲区的设置,循环缓冲,公用缓冲池,(Buffer Pool),缓冲池的组成：对于既可用于输入又可

9、用于输出的公用缓冲池，其中至少应含有以下三种类型的缓冲区：,空,(,闲,),缓冲区；,装满输入数据的缓冲区；,装满输出数据的缓冲区。,为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个 队列，于是可形成以下三个队列：,(1),空缓冲队列,emq,。,(2),输入队列,inq,。,(3),输出队列,outq,。,Getbuf,过程和,Putbuf,过程,Procedure Getbuf(type),begin,Wait(RS(type);,Wait(MS(type);,B(number)=Takebuf(type);,Signal(MS(type);,end,Procedure Putbuf(typ

10、e,number),begin,Wait(MS(type);,Addbuf(type,number);,Signal(MS(type);,Signal(RS(type);,end,缓冲区的工作方式,I/O,软件的设计目标,I/O,软件的总目标：,高效率：确保,I/O,设备与,CPU,的并发性。,通用性：提供简单抽象清晰和统一的接口。,I/O,软件的具体目标：,与具体设备无关,统一命名：不同的,OS,命名规则不一样。,错误处理：越底层处理越好,缓冲技术,设备的分配和释放,I/O,控制方式,I/O,软件的层次结构,中断处理程序,中断程序的功能：,进程上下文的切换、中断源的测试、读取设备状态和修改进

11、程状态。,中断程序的过程：,唤醒被阻塞的驱动程序,保护中断进程的,CPU,环境,转入响应的设备处理程序,中断处理,恢复被中断的进程现场,中断现场保护示意图,中断处理流程图,设备驱动程序,设备驱动程序的功能：,(1),接收由,I/O,进程发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体要求,(2),检查用户,I/O,请求的合法性，了解,I/O,设备的状态，传 递有关参 数，设置设备的工作方式。,(3),发出,I/O,命令，如果设备空闲，便立即启动,I/O,设备去 完成指定的,I/O,操作；如果设备处于忙碌状态，则将请 求者的请求块挂在设备队列上等待。,(4),及时响应由控制器或通道发来的中断请求

12、并进行处理。,(5),对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根 据用户的,I/O,请求，自动地构成通道程序。,设备驱动程序的特点,(1),驱动程序主要是指在请求,I/O,的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序。,(2),驱动程序与设备控制器和,I/O,设备的硬件特性紧密相关，因而对不同类型的设备应配置不同的驱动程序。,(3),驱动程序与,I/O,设备所采用的,I/O,控制方式紧密相关。,(4),由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言书写。,设备驱动程序的处理过程,1.,将抽象要求转换为具体要求,2.,检查,I/O,请求的合法性,3.,读出和检查设备的状态,4.,传

13、送必要的参数,5.,工作方式的设置,6.,启动,I/O,设备,Windows,驱动程序模型重新定义了驱动程序分层：,FDO,FIDO,PDO,FIDO,上层过滤层驱动程序,IRP,功能驱动程序,下层过滤层驱动程序,总线驱动程序,。,。,。,。,WDM,驱动程序层次结构,该层次结构左边是一个,设备对象堆栈,。,设备对象,是系统 为帮助软件管理硬件而创建的数据结构。一个物理硬件 可以有多个这样的数据结构。,处于堆栈最底层的设备对象称为,物理设备对象,PDO(Physical Device Object),，代表了设备与总线之 间的连接。,在设备对象堆栈中间的对象称为,功能设备对象,FDO(Func

14、tional Device Object),，代表了设备的功能。,在,FDO,的上面或下面还会有一些,过滤器设备对象,FIDO(Filter Device Object),。,总线驱动程序,负责枚举它的总线，这意味着：发现总线上的全部设备和检测设备何时被添加或修改，并为每一个设备创建一个,PDO,。,功能驱动程序,知道如何控制设备的主要功能，它分层在总线驱动程序的上面。功能驱动程序创建一个功能设备对象，放在设备栈中。,对总线上的所有设备，,总线过滤驱动程序,被加在总线驱动程序之上；,设备过滤驱动程序,仅对特定的设备添加。,上层的过滤驱动程序,在功能驱动程序之上，,下层过滤驱动程序,在功能驱动程

15、序之下。这种层次结构可以使,I/O,请求过程更加明了。,I/O,管理器发送的,IRP,，先被送到设备堆栈的,上层过滤器驱动程序,(FIDO),它可以根据要求决定,IRP,的处理方式，是沿着设备栈继续向下传，或者做另外的处理。,每一层程序都可以决定如何处理,IRP,。,高层的驱动程序,可以把请求划分成更简单的请求并传递给下层驱动程序。,中间层次的驱动程序,进一步处理请求，将一个,IRP,中的请求划分为若干个小的请求，并传给下层驱动程序。最后，最底层的驱动程序与硬件打交道。,我们应该知道，一些,IRP,在到达总线程序之前，在设备传递过程中可能就被过滤掉了。,设备独立性软件,执行所有设备的公有操作：

16、,对独立设备的分配与回收；,将逻辑设备名映射为物理设备名，进一步可以找到相应物理设备的驱动程序；,对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；,缓冲管理，即对字符设备和块设备的缓冲区进行有效的管理，以提高,I/O,的效率；,差错控制。由于在,I/O,操作中的绝大多数错误都与设备无关，故主要由设备驱动程序处理，而设备独立性软件处理那些设备驱动程序无法处理的错误。,向用户层,(,或文件层,),软件提供统一接口，无论何种设备，它们向用户所提供的接口应该是相同的。例如，对各种设备的读操作，在应用程序中都使用,read;,而对各种设备的写操作，也都使用,write,。,逻辑设备表,2)LUT,的设置问题,设 备 分 配,设备分配中的数据结构,设备控制表,DCT,控制器控制表、通道控制表和系统设备表,控制器表、通道表、系统设备表,设备分配时应考虑的因素,独享设备：只能分配给一个用户或者进程使用。,(2),共享设备：可分配给多个用户或者多个进程使用。,(3),虚拟设备：可分配给多个用户或者多个进程使用，,但需要在实际的物理设备上排序。,设备的固有属性,独占设备的分配程序,分配设备,2),分配控制器,3),