windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件

Windows-設(shè)備管理Windows-設(shè)備管理WindowsI/O系統(tǒng)

WindowsI/O系統(tǒng)由若干執(zhí)行體組件與設(shè)備驅(qū)動程序構(gòu)成，聯(lián)合起來管理硬件設(shè)備，并向應(yīng)用程序和系統(tǒng)提供接口以操縱硬件設(shè)備。WindowsI/O系統(tǒng)的設(shè)計目標是為應(yīng)用程序提供一個有關(guān)設(shè)備的抽象，包括硬件（物理）設(shè)備和軟件（虛擬或邏輯）設(shè)備。

WindowsI/O系統(tǒng) WindowsI/O系統(tǒng)由若 I/O管理器I/O管理器是I/O系統(tǒng)的核心；它將應(yīng)用程序和系統(tǒng)組件與虛擬的、邏輯的和物理的設(shè)備連接起來，并定義了基礎(chǔ)設(shè)施來支持設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序通常為某一種特定類型的設(shè)備提供I/O接口；設(shè)備驅(qū)動程序接收來自I/O管理器傳送來的命令，完成這些命令，然后通知I/O管理器；設(shè)備驅(qū)動程序通常使用I/O管理器來向其他的共享統(tǒng)一設(shè)備接口的設(shè)備驅(qū)動程序轉(zhuǎn)送I/O命令。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件PnP管理器PnP管理器與I/O管理器及總線驅(qū)動程序（busdriver）一起工作，以指導硬件資源的分配，檢測并響應(yīng)硬件設(shè)備的加入和移除。PnP管理器和總線驅(qū)動程序負責在檢測到一個設(shè)備時，加載該設(shè)備的驅(qū)動程序。當一個設(shè)備被加入到缺乏正確設(shè)備驅(qū)動程序的系統(tǒng)中時，執(zhí)行體PnP管理器將請求用戶模式PnP管理器的設(shè)備安裝服務(wù)。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件電源管理器電源管理器與I/O管理器一起工作，以指導系統(tǒng)和各個單獨的設(shè)備驅(qū)動程序能夠經(jīng)歷電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)電源狀態(tài)描述整體系統(tǒng)的能源消耗，包括系統(tǒng)工作狀態(tài)、系統(tǒng)休眠狀態(tài)及系統(tǒng)關(guān)機狀態(tài)等。硬件抽象層HALHAL提供一組API，將不同平臺之間的差異隱藏起來，從而使驅(qū)動程序與處理器和中斷控制器的特殊性相互隔離開。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件一組Windows管理規(guī)范（WMI）支持例程即Windows驅(qū)動程序模型（WDM）WMI提供者，主要用于系統(tǒng)管理和監(jiān)視。設(shè)備驅(qū)動程序可以使用WDMWMI提供者作為中間媒介與用戶模式的WMI服務(wù)進行通信。 同時需要注意的是：Windows操作系統(tǒng)是分 態(tài)的操作系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序運行在用戶 態(tài)，操作系統(tǒng)代碼（如系統(tǒng)服務(wù)和設(shè)備驅(qū)動 程序）在核心態(tài)下運行。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件

用戶態(tài)程序只能調(diào)用Windows子系統(tǒng)提供的API來同設(shè)備交互，當請求傳遞到I/O管理器時，它進行必要的參數(shù)匹配和操作安全性檢查，然后由這個請求構(gòu)造出合適的I/O請求包(IRP),并把此IRP傳遞到適當?shù)尿?qū)動程序去，并給應(yīng)用程序一個消息，通知這次I/O操作還沒完成。 驅(qū)動程序一般是通過硬件抽象層來和硬件交互，從而完 成I/O請求工作。 驅(qū)動程序完成I/O操作后，它將調(diào)用一個特殊的內(nèi)核服務(wù) 例程來完成IRP。這時，I/O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給 Windows和用戶應(yīng)用程序。

I/O控制方式

程序I/O方式

中斷驅(qū)動I/O控制方式

DMAI/O控制方式

I/O通道控制方式 I/O控制方式程序I/O方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向存儲器中寫字

傳送完成？下一條指令完成CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPU出錯CPU→內(nèi)存未完未就緒就緒程序I/O方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀中斷驅(qū)動I/O控制方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向存儲器中寫字

傳送完成？下一條指令完成﹍﹍CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPU出錯CPU→內(nèi)存未完就緒CPU做其它事﹍﹍中斷中斷驅(qū)動I/O控制方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控DMA控制方式設(shè)置MAR和DC初值啟動DMA傳送命令挪用存儲器周期傳送數(shù)據(jù)字存儲器地址增1字計數(shù)寄存器減1DC=0？請求中斷在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時，準備又一次傳送否是DMA控制方式設(shè)置MAR和DC初值啟動DMA傳送命令挪用存儲I/O通道控制方式

簡介：I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，可進一步減少 CPU的干預，把對一個數(shù)據(jù)塊的讀（或?qū)懀閱挝坏母?預減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀（或?qū)懀┘坝嘘P(guān)的控制和管 理為單位的干預。通道時負責外圍設(shè)備與主存之間進行 數(shù)據(jù)交換、能單獨完成輸入輸出操作的處理機。它控制 設(shè)備與內(nèi)存直接進行數(shù)據(jù)交換，它有自己的通道指令， 這些通道指令的運行由CPU啟動，并在操作結(jié)束時向CPU 發(fā)出中斷信號。 通道程序由一系列通道指令所構(gòu)成，通道指令的每條指 令中包含如下信息：①操作碼；②內(nèi)存地址；③計數(shù)； ④通道程序結(jié)束位P；⑤記錄結(jié)束標志R。I/O通道控制方式

工作流程：CPU向I/O通道發(fā)送一條I/O指令，以給出 其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設(shè)備， 通道程序接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成 CPU指定的I/O任務(wù)。

I/O通道控制方式的優(yōu)點：實現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備 三者的并行操作，執(zhí)行一個通道程序可以完成幾批 I/O操作，更有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率。

緩沖管理 緩沖技術(shù)：1.發(fā)送請求發(fā)出一段時間后才執(zhí)行輸出傳送；

2.輸入請求發(fā)出之前就執(zhí)行輸入傳送。

緩沖的引入的作用：

1.緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。

2.減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應(yīng)時間的 限制

3.提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。

0.1ms0.8ms0.8ms緩沖管理 緩沖技術(shù)：1.發(fā)送請求發(fā)出一段時間后才執(zhí)單緩沖(SingleBuffer)Max(C,T)+M雙緩沖(DoubleBuffer)Max(C,T)單緩沖(SingleBuffer)Max(C,T)+M雙緩15雙機通信時緩沖區(qū)的設(shè)置循環(huán)緩沖雙機通信時緩沖區(qū)的設(shè)置循環(huán)緩沖公用緩沖池(BufferPool) 緩沖池的組成：對于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池，其中至少應(yīng)含有以下三種類型的緩沖區(qū)： ①空(閑)緩沖區(qū)； ②裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)； ③裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。

為了管理上的方便，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個 隊列，于是可形成以下三個隊列： (1)空緩沖隊列emq。 (2)輸入隊列inq。 (3)輸出隊列outq。公用緩沖池(BufferPool) 緩沖池的組成：對于既可 Getbuf過程和Putbuf過程

ProcedureGetbuf(type) begin Wait(RS(type)); Wait(MS(type)); B(number)∶=Takebuf(type); Signal(MS(type)); end

ProcedurePutbuf(type,number) begin Wait(MS(type)); Addbuf(type,number); Signal(MS(type)); Signal(RS(type)); end Getbuf過程和Putbuf過程緩沖區(qū)的工作方式緩沖區(qū)的工作方式I/O軟件的設(shè)計目標 I/O軟件的總目標：高效率：確保I/O設(shè)備與CPU的并發(fā)性。通用性：提供簡單抽象清晰和統(tǒng)一的接口。 I/O軟件的具體目標：與具體設(shè)備無關(guān)統(tǒng)一命名：不同的OS命名規(guī)則不一樣。錯誤處理：越底層處理越好緩沖技術(shù)設(shè)備的分配和釋放I/O控制方式I/O軟件的設(shè)計目標 I/O軟件的總目標：I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)中斷處理程序 中斷程序的功能：

進程上下文的切換、中斷源的測試、讀取設(shè)備狀態(tài)和 修改進程狀態(tài)。 中斷程序的過程：喚醒被阻塞的驅(qū)動程序保護中斷進程的CPU環(huán)境轉(zhuǎn)入響應(yīng)的設(shè)備處理程序中斷處理恢復被中斷的進程現(xiàn)場中斷處理程序 中斷程序的功能：中斷現(xiàn)場保護示意圖中斷現(xiàn)場保護示意圖23中斷處理流程圖中斷處理流程圖24設(shè)備驅(qū)動程序 設(shè)備驅(qū)動程序的功能： (1)接收由I/O進程發(fā)來的命令和參數(shù)，并將命令中的抽 象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 (2)檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳 遞有關(guān)參 數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。 (3)發(fā)出I/O命令，如果設(shè)備空閑，便立即啟動I/O設(shè)備去 完成指定 的I/O操作；如果設(shè)備處于忙碌狀態(tài)，則將請 求者的請求塊掛 在設(shè)備隊列上等待。 (4)及時響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請求并進行處 理。 (5)對于設(shè)置有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應(yīng)能夠根 據(jù)用戶的I/O請求，自動地構(gòu)成通道程序。

設(shè)備驅(qū)動程序 設(shè)備驅(qū)動程序的功能：設(shè)備驅(qū)動程序的特點

(1)驅(qū)動程序主要是指在請求I/O的進程與設(shè)備控制器之間的 一個通信和轉(zhuǎn)換程序。 (2)驅(qū)動程序與設(shè)備控制器和I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān) ，因而對不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動程序。

(3)驅(qū)動程序與I/O設(shè)備所采用的I/O控制方式緊密相關(guān)。

(4)由于驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，因而其中的一部分必 須用匯編語言書寫。設(shè)備驅(qū)動程序的特點

設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程 1.將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 2.檢查I/O請求的合法性 3.讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài) 4.傳送必要的參數(shù) 5.工作方式的設(shè)置 6.啟動I/O設(shè)備

設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程 1.將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要Windows驅(qū)動程序模型重新定義了驅(qū)動程序分層：FDOFIDOPDOFIDO上層過濾層驅(qū)動程序IRP功能驅(qū)動程序下層過濾層驅(qū)動程序總線驅(qū)動程序。。。。。。。。。。。。WDM驅(qū)動程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)Windows驅(qū)動程序模型重新定義了驅(qū)動程序分層：FDOFI

該層次結(jié)構(gòu)左邊是一個設(shè)備對象堆棧。設(shè)備對象是系統(tǒng) 為幫助軟件管理硬件而創(chuàng)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個物理硬件 可以有多個這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 處于堆棧最底層的設(shè)備對象稱為物理設(shè)備對象 PDO(PhysicalDeviceObject)，，代表了設(shè)備與總線之 間的連接。 在設(shè)備對象堆棧中間的對象稱為功能設(shè)備對象 FDO(FunctionalDeviceObject)，代表了設(shè)備的功能。 在FDO的上面或下面還會有一些過濾器設(shè)備對象 FIDO(FilterDeviceObject)。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件 總線驅(qū)動程序負責枚舉它的總線，這意味著：發(fā)現(xiàn)總 線上的全部設(shè)備和檢測設(shè)備何時被添加或修改，并為 每一個設(shè)備創(chuàng)建一個PDO。 功能驅(qū)動程序知道如何控制設(shè)備的主要功能，它分層 在總線驅(qū)動程序的上面。功能驅(qū)動程序創(chuàng)建一個功能 設(shè)備對象，放在設(shè)備棧中。 對總線上的所有設(shè)備，總線過濾驅(qū)動程序被加在總線 驅(qū)動程序之上；設(shè)備過濾驅(qū)動程序僅對特定的設(shè)備添 加。上層的過濾驅(qū)動程序在功能驅(qū)動程序之上，下層 過濾驅(qū)動程序在功能驅(qū)動程序之下。這種層次結(jié)構(gòu)可 以使I/O請求過程更加明了。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件 I/O管理器發(fā)送的IRP，先被送到設(shè)備堆棧的上層過濾 器驅(qū)動程序(FIDO),它可以根據(jù)要求決定IRP的處理方 式，是沿著設(shè)備棧繼續(xù)向下傳，或者做另外的處理。 每一層程序都可以決定如何處理IRP。 高層的驅(qū)動程序可以把請求劃分成更簡單的請求并傳 遞給下層驅(qū)動程序。 中間層次的驅(qū)動程序進一步處理請求，將一個IRP中 的請求劃分為若干個小的請求，并傳給下層驅(qū)動程序 。最后，最底層的驅(qū)動程序與硬件打交道。 我們應(yīng)該知道，一些IRP在到達總線程序之前，在設(shè) 備傳遞過程中可能就被過濾掉了。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件設(shè)備獨立性軟件 執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作：

①對獨立設(shè)備的分配與回收； ②將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，進一步可以找到 相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動程序； ③對設(shè)備進行保護，禁止用戶直接訪問設(shè)備； ④緩沖管理，即對字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進行有 效的管理，以提高I/O的效率； ⑤差錯控制。由于在I/O操作中的絕大多數(shù)錯 誤都與設(shè)備無關(guān)，故主要由設(shè)備驅(qū)動程序處理，而設(shè) 備獨立性軟件處理 那些設(shè)備驅(qū)動程序無法處理的錯 誤。設(shè)備獨立性軟件 執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作：

向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口，無論何種設(shè)備，它們向用戶所提供的接口應(yīng)該是相同的。例如，對各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用read;而對各種設(shè)備的寫操作，也都使用write。邏輯設(shè)備表2)LUT的設(shè)置問題 邏輯設(shè)備表設(shè)備分配 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表DCT設(shè)備分配 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表DC控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表控制器表、通道表、系統(tǒng)設(shè)備表控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表控制器表、通道表、系統(tǒng)35 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素獨享設(shè)備：只能分配給一個用戶或者進程使用。

(2)共享設(shè)備：可分配給多個用戶或者多個進程使用。

(3)虛擬設(shè)備：可分配給多個用戶或者多個進程使用， 但需要在實際的物理設(shè)備上排序。 設(shè)備的固有屬性 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素獨享設(shè)備：只能分配給一個用戶獨占設(shè)備的分配程序分配設(shè)備 2)分配控制器 3)分配通道 存在的問題： 1）進程以物理設(shè)備請求資源 2）單通道型，造成瓶頸 基本的設(shè)備分配程序：以有I/O通道的系統(tǒng)為例獨占設(shè)備的分配程序分配設(shè)備 基本的設(shè)備分配程序：以有I/設(shè)備分配程序的改進

增加設(shè)備的獨立性：進程采用邏輯名請求I/O。這樣，可以從SDT(系統(tǒng)設(shè)備表)中輪詢合適的同類設(shè)備。

2)考慮多通路情況：對通道和控制器采用輪詢的方式查找合適的設(shè)備。設(shè)備分配程序的改進增加設(shè)備的獨立性：進程采用邏輯名請求I/磁盤調(diào)度

磁盤是一種共享設(shè)備，當有多個進程共同請求磁盤時，需要采用合理 的磁盤調(diào)度方法，保證各個進程對磁盤的平均 訪問時間（尋 道時間）最少。即磁盤調(diào)度的目標是使磁盤的平均尋道時間最少。

下面介紹幾種目前常用的磁盤調(diào)度算法:

先來先服務(wù)(FCFS,FirstComeFirstServerd)

它根據(jù)進程請求訪問磁盤的先后次序進行調(diào)度。此算法優(yōu)點是公平、 簡單，且每個進程的請求都能依次地得到處理，不會出現(xiàn)某一進程 的請求長期得不到滿足的情況。但此算法由于未對尋道進行優(yōu)化， 致使平均尋道時間可能較長。故FCFS算法僅適用于請求磁盤I/O的進 程數(shù)目較少的場合。

最短尋道時間優(yōu)先(SSTF,ShortestSeekTimeFirst)

其要求訪問的磁道與當前磁頭所在的磁道距離最近，以使每次的尋 道時間最短。但這種算法不能保證平均尋道時間最短。

磁盤調(diào)度 磁盤是一種共享設(shè)備，當有多個進程共同請求磁

掃描(SCAN)算法

SCAN算法既能獲得較好的尋道性能，又能防止“饑餓”現(xiàn) 象，故被廣泛用于大、中、小型機器和網(wǎng)絡(luò)中的磁盤調(diào) 度。該算法不僅考慮到欲訪問的磁道與當前磁道間的距 離，更優(yōu)先考慮的是磁頭當前的移動方向。磁頭逐步從 外（里）向里（外）移動，直至再無更里面（外面）的 磁道要訪問，從而避免了出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象。

循環(huán)掃描(CSCAN)算法

SCAN存在這樣的問題：當磁頭剛從里向外移動而越過 了某一磁道時，恰好又有一進程請求訪問此磁道，這 時，該進程必須等待，待磁頭繼續(xù)從里向外，然后再從 外向里掃描完所有要訪問的磁道后，才處理該進程的請 求，致使該進程的請求被大大地推遲。為了減少這種延 遲，CSCAN算法規(guī)定磁頭單向移動。 掃描(SCAN)算法

磁頭從最外面被訪問的磁道直接移到最里面欲訪問的 磁道(或相反)的尋道時間。

NStepSCAN算法: N步SCAN算法是將磁盤請求隊列分成若干個長度為N的子隊列，磁盤調(diào)度將按FCFS算法依次處理這些子隊列。而每處理一個隊列時又是按SCAN算法，對一個隊列處理完后，再處理其他隊列。當正在處理某子隊列時，如果又出現(xiàn)新的磁盤I/O請求，便將新請求進程放入其他隊列，這樣就可避免出現(xiàn)粘著現(xiàn)象。

FSCAN算法:

一個是由當前所有請求磁盤I/O的進程形成的隊列，由磁盤調(diào)度按SCAN算法進行處理。在掃描期間，將新出現(xiàn)的所有請求磁盤I/O的進程，放入另一個等待處理的請求隊列。這樣，所有的新請求都將被推遲到下一次掃描時處理。 NStepSCAN算法:FCFSSSTFSCANCSCANFCFSSSTFSCANCSCAN磁盤高速緩存

磁盤高速緩存，并非通常意義下的內(nèi)存和CPU之間所增 設(shè)的一個小容量高速存儲器，而是指利用內(nèi)存中的存儲 空間來暫存從磁盤中讀出的一系列盤塊中的信息。因 此，高速緩存是一組在邏輯上屬于磁盤，而物理上是駐 留在內(nèi)存中的盤塊。

磁盤高速緩存的形式:在內(nèi)存中開辟一個單獨的存儲空間來作為磁盤高速緩存，其大小是固定的，不會受應(yīng)用程序多少的影響；把所有未利用的內(nèi)存空間變?yōu)橐粋€緩沖池，供請求分頁系統(tǒng)和磁盤I/O時(作為磁盤高速緩存)共享。磁盤高速緩存

磁盤高速緩存，并非通常意義下的內(nèi)存和系統(tǒng)將數(shù)據(jù)交付給請求進程的方式：數(shù)據(jù)交付：直接將高速緩存中的數(shù)據(jù)，傳送到請求者進程的內(nèi)存工作區(qū)中。指針交付：只將指向高速緩存中某區(qū)域的指針交付給請求者進程。該方式由于所傳送的數(shù)據(jù)量少，節(jié)省了數(shù)據(jù)從磁盤高速緩存到進程的內(nèi)存工作區(qū)的時間。

磁盤高速緩存置換算法:最近最久未使用算法LRU最近未使用算法NRU最少使用算法LFU系統(tǒng)將數(shù)據(jù)交付給請求進程的方式：置換算法的考慮因素:訪問頻率

高速緩存的訪問頻率遠遠低于存儲器的訪問頻率?？深A見性

在高速緩存中的各盤塊數(shù)據(jù)，有哪些數(shù)據(jù)可能在較長 時間內(nèi)不會再被訪問，又有哪些數(shù)據(jù)可能很快就再被 訪問，會有相當一部分是可預知的。數(shù)據(jù)的一致性

高速緩存一種易失性的存儲器，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障， 存放在高速緩存中的數(shù)據(jù)將會丟失；而其中有些盤塊 (如索引結(jié)點盤塊)中的數(shù)據(jù)已被修改，但尚未拷回磁 盤，因此，當系統(tǒng)發(fā)生故障后，可能會造成數(shù)據(jù)的不 一致性。置換算法的考慮因素:提高磁盤I/O速度的其它方法:

提前讀(Read-ahead)

延遲寫

優(yōu)化物理塊的分布虛擬盤提高磁盤I/O速度的其它方法:windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件Windows-設(shè)備管理Windows-設(shè)備管理WindowsI/O系統(tǒng)

WindowsI/O系統(tǒng)由若干執(zhí)行體組件與設(shè)備驅(qū)動程序構(gòu)成，聯(lián)合起來管理硬件設(shè)備，并向應(yīng)用程序和系統(tǒng)提供接口以操縱硬件設(shè)備。WindowsI/O系統(tǒng)的設(shè)計目標是為應(yīng)用程序提供一個有關(guān)設(shè)備的抽象，包括硬件（物理）設(shè)備和軟件（虛擬或邏輯）設(shè)備。

WindowsI/O系統(tǒng) WindowsI/O系統(tǒng)由若 I/O管理器I/O管理器是I/O系統(tǒng)的核心；它將應(yīng)用程序和系統(tǒng)組件與虛擬的、邏輯的和物理的設(shè)備連接起來，并定義了基礎(chǔ)設(shè)施來支持設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序通常為某一種特定類型的設(shè)備提供I/O接口；設(shè)備驅(qū)動程序接收來自I/O管理器傳送來的命令，完成這些命令，然后通知I/O管理器；設(shè)備驅(qū)動程序通常使用I/O管理器來向其他的共享統(tǒng)一設(shè)備接口的設(shè)備驅(qū)動程序轉(zhuǎn)送I/O命令。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件PnP管理器PnP管理器與I/O管理器及總線驅(qū)動程序（busdriver）一起工作，以指導硬件資源的分配，檢測并響應(yīng)硬件設(shè)備的加入和移除。PnP管理器和總線驅(qū)動程序負責在檢測到一個設(shè)備時，加載該設(shè)備的驅(qū)動程序。當一個設(shè)備被加入到缺乏正確設(shè)備驅(qū)動程序的系統(tǒng)中時，執(zhí)行體PnP管理器將請求用戶模式PnP管理器的設(shè)備安裝服務(wù)。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件電源管理器電源管理器與I/O管理器一起工作，以指導系統(tǒng)和各個單獨的設(shè)備驅(qū)動程序能夠經(jīng)歷電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)電源狀態(tài)描述整體系統(tǒng)的能源消耗，包括系統(tǒng)工作狀態(tài)、系統(tǒng)休眠狀態(tài)及系統(tǒng)關(guān)機狀態(tài)等。硬件抽象層HALHAL提供一組API，將不同平臺之間的差異隱藏起來，從而使驅(qū)動程序與處理器和中斷控制器的特殊性相互隔離開。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件一組Windows管理規(guī)范（WMI）支持例程即Windows驅(qū)動程序模型（WDM）WMI提供者，主要用于系統(tǒng)管理和監(jiān)視。設(shè)備驅(qū)動程序可以使用WDMWMI提供者作為中間媒介與用戶模式的WMI服務(wù)進行通信。 同時需要注意的是：Windows操作系統(tǒng)是分 態(tài)的操作系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序運行在用戶 態(tài)，操作系統(tǒng)代碼（如系統(tǒng)服務(wù)和設(shè)備驅(qū)動 程序）在核心態(tài)下運行。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件

用戶態(tài)程序只能調(diào)用Windows子系統(tǒng)提供的API來同設(shè)備交互，當請求傳遞到I/O管理器時，它進行必要的參數(shù)匹配和操作安全性檢查，然后由這個請求構(gòu)造出合適的I/O請求包(IRP),并把此IRP傳遞到適當?shù)尿?qū)動程序去，并給應(yīng)用程序一個消息，通知這次I/O操作還沒完成。 驅(qū)動程序一般是通過硬件抽象層來和硬件交互，從而完 成I/O請求工作。 驅(qū)動程序完成I/O操作后，它將調(diào)用一個特殊的內(nèi)核服務(wù) 例程來完成IRP。這時，I/O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給 Windows和用戶應(yīng)用程序。

I/O控制方式

程序I/O方式

中斷驅(qū)動I/O控制方式

DMAI/O控制方式

I/O通道控制方式 I/O控制方式程序I/O方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向存儲器中寫字

傳送完成？下一條指令完成CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPU出錯CPU→內(nèi)存未完未就緒就緒程序I/O方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀中斷驅(qū)動I/O控制方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向存儲器中寫字

傳送完成？下一條指令完成﹍﹍CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPU出錯CPU→內(nèi)存未完就緒CPU做其它事﹍﹍中斷中斷驅(qū)動I/O控制方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控DMA控制方式設(shè)置MAR和DC初值啟動DMA傳送命令挪用存儲器周期傳送數(shù)據(jù)字存儲器地址增1字計數(shù)寄存器減1DC=0？請求中斷在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時，準備又一次傳送否是DMA控制方式設(shè)置MAR和DC初值啟動DMA傳送命令挪用存儲I/O通道控制方式

簡介：I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，可進一步減少 CPU的干預，把對一個數(shù)據(jù)塊的讀（或?qū)懀閱挝坏母?預減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀（或?qū)懀┘坝嘘P(guān)的控制和管 理為單位的干預。通道時負責外圍設(shè)備與主存之間進行 數(shù)據(jù)交換、能單獨完成輸入輸出操作的處理機。它控制 設(shè)備與內(nèi)存直接進行數(shù)據(jù)交換，它有自己的通道指令， 這些通道指令的運行由CPU啟動，并在操作結(jié)束時向CPU 發(fā)出中斷信號。 通道程序由一系列通道指令所構(gòu)成，通道指令的每條指 令中包含如下信息：①操作碼；②內(nèi)存地址；③計數(shù)； ④通道程序結(jié)束位P；⑤記錄結(jié)束標志R。I/O通道控制方式

工作流程：CPU向I/O通道發(fā)送一條I/O指令，以給出 其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設(shè)備， 通道程序接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成 CPU指定的I/O任務(wù)。

I/O通道控制方式的優(yōu)點：實現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備 三者的并行操作，執(zhí)行一個通道程序可以完成幾批 I/O操作，更有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率。

緩沖管理 緩沖技術(shù)：1.發(fā)送請求發(fā)出一段時間后才執(zhí)行輸出傳送；

2.輸入請求發(fā)出之前就執(zhí)行輸入傳送。

緩沖的引入的作用：

1.緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。

2.減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應(yīng)時間的 限制

3.提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。

0.1ms0.8ms0.8ms緩沖管理 緩沖技術(shù)：1.發(fā)送請求發(fā)出一段時間后才執(zhí)單緩沖(SingleBuffer)Max(C,T)+M雙緩沖(DoubleBuffer)Max(C,T)單緩沖(SingleBuffer)Max(C,T)+M雙緩63雙機通信時緩沖區(qū)的設(shè)置循環(huán)緩沖雙機通信時緩沖區(qū)的設(shè)置循環(huán)緩沖公用緩沖池(BufferPool) 緩沖池的組成：對于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池，其中至少應(yīng)含有以下三種類型的緩沖區(qū)： ①空(閑)緩沖區(qū)； ②裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)； ③裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。

為了管理上的方便，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個 隊列，于是可形成以下三個隊列： (1)空緩沖隊列emq。 (2)輸入隊列inq。 (3)輸出隊列outq。公用緩沖池(BufferPool) 緩沖池的組成：對于既可 Getbuf過程和Putbuf過程

ProcedureGetbuf(type) begin Wait(RS(type)); Wait(MS(type)); B(number)∶=Takebuf(type); Signal(MS(type)); end

ProcedurePutbuf(type,number) begin Wait(MS(type)); Addbuf(type,number); Signal(MS(type)); Signal(RS(type)); end Getbuf過程和Putbuf過程緩沖區(qū)的工作方式緩沖區(qū)的工作方式I/O軟件的設(shè)計目標 I/O軟件的總目標：高效率：確保I/O設(shè)備與CPU的并發(fā)性。通用性：提供簡單抽象清晰和統(tǒng)一的接口。 I/O軟件的具體目標：與具體設(shè)備無關(guān)統(tǒng)一命名：不同的OS命名規(guī)則不一樣。錯誤處理：越底層處理越好緩沖技術(shù)設(shè)備的分配和釋放I/O控制方式I/O軟件的設(shè)計目標 I/O軟件的總目標：I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)中斷處理程序 中斷程序的功能：

進程上下文的切換、中斷源的測試、讀取設(shè)備狀態(tài)和 修改進程狀態(tài)。 中斷程序的過程：喚醒被阻塞的驅(qū)動程序保護中斷進程的CPU環(huán)境轉(zhuǎn)入響應(yīng)的設(shè)備處理程序中斷處理恢復被中斷的進程現(xiàn)場中斷處理程序 中斷程序的功能：中斷現(xiàn)場保護示意圖中斷現(xiàn)場保護示意圖71中斷處理流程圖中斷處理流程圖72設(shè)備驅(qū)動程序 設(shè)備驅(qū)動程序的功能： (1)接收由I/O進程發(fā)來的命令和參數(shù)，并將命令中的抽 象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 (2)檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳 遞有關(guān)參 數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。 (3)發(fā)出I/O命令，如果設(shè)備空閑，便立即啟動I/O設(shè)備去 完成指定 的I/O操作；如果設(shè)備處于忙碌狀態(tài)，則將請 求者的請求塊掛 在設(shè)備隊列上等待。 (4)及時響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請求并進行處 理。 (5)對于設(shè)置有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應(yīng)能夠根 據(jù)用戶的I/O請求，自動地構(gòu)成通道程序。

設(shè)備驅(qū)動程序 設(shè)備驅(qū)動程序的功能：設(shè)備驅(qū)動程序的特點

(1)驅(qū)動程序主要是指在請求I/O的進程與設(shè)備控制器之間的 一個通信和轉(zhuǎn)換程序。 (2)驅(qū)動程序與設(shè)備控制器和I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān) ，因而對不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動程序。

(3)驅(qū)動程序與I/O設(shè)備所采用的I/O控制方式緊密相關(guān)。

(4)由于驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，因而其中的一部分必 須用匯編語言書寫。設(shè)備驅(qū)動程序的特點

設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程 1.將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 2.檢查I/O請求的合法性 3.讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài) 4.傳送必要的參數(shù) 5.工作方式的設(shè)置 6.啟動I/O設(shè)備

設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程 1.將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要Windows驅(qū)動程序模型重新定義了驅(qū)動程序分層：FDOFIDOPDOFIDO上層過濾層驅(qū)動程序IRP功能驅(qū)動程序下層過濾層驅(qū)動程序總線驅(qū)動程序。。。。。。。。。。。。WDM驅(qū)動程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)Windows驅(qū)動程序模型重新定義了驅(qū)動程序分層：FDOFI

該層次結(jié)構(gòu)左邊是一個設(shè)備對象堆棧。設(shè)備對象是系統(tǒng) 為幫助軟件管理硬件而創(chuàng)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個物理硬件 可以有多個這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 處于堆棧最底層的設(shè)備對象稱為物理設(shè)備對象 PDO(PhysicalDeviceObject)，，代表了設(shè)備與總線之 間的連接。 在設(shè)備對象堆棧中間的對象稱為功能設(shè)備對象 FDO(FunctionalDeviceObject)，代表了設(shè)備的功能。 在FDO的上面或下面還會有一些過濾器設(shè)備對象 FIDO(FilterDeviceObject)。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件 總線驅(qū)動程序負責枚舉它的總線，這意味著：發(fā)現(xiàn)總 線上的全部設(shè)備和檢測設(shè)備何時被添加或修改，并為 每一個設(shè)備創(chuàng)建一個PDO。 功能驅(qū)動程序知道如何控制設(shè)備的主要功能，它分層 在總線驅(qū)動程序的上面。功能驅(qū)動程序創(chuàng)建一個功能 設(shè)備對象，放在設(shè)備棧中。 對總線上的所有設(shè)備，總線過濾驅(qū)動程序被加在總線 驅(qū)動程序之上；設(shè)備過濾驅(qū)動程序僅對特定的設(shè)備添 加。上層的過濾驅(qū)動程序在功能驅(qū)動程序之上，下層 過濾驅(qū)動程序在功能驅(qū)動程序之下。這種層次結(jié)構(gòu)可 以使I/O請求過程更加明了。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件 I/O管理器發(fā)送的IRP，先被送到設(shè)備堆棧的上層過濾 器驅(qū)動程序(FIDO),它可以根據(jù)要求決定IRP的處理方 式，是沿著設(shè)備棧繼續(xù)向下傳，或者做另外的處理。 每一層程序都可以決定如何處理IRP。 高層的驅(qū)動程序可以把請求劃分成更簡單的請求并傳 遞給下層驅(qū)動程序。 中間層次的驅(qū)動程序進一步處理請求，將一個IRP中 的請求劃分為若干個小的請求，并傳給下層驅(qū)動程序 。最后，最底層的驅(qū)動程序與硬件打交道。 我們應(yīng)該知道，一些IRP在到達總線程序之前，在設(shè) 備傳遞過程中可能就被過濾掉了。windows操作系統(tǒng)之設(shè)備管理解析課件設(shè)備獨立性軟件 執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作：

①對獨立設(shè)備的分配與回收； ②將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，進一步可以找到 相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動程序； ③對設(shè)備進行保護，禁止用戶直接訪問設(shè)備； ④緩沖管理，即對字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進行有 效的管理，以提高I/O的效率； ⑤差錯控制。由于在I/O操作中的絕大多數(shù)錯 誤都與設(shè)備無關(guān)，故主要由設(shè)備驅(qū)動程序處理，而設(shè) 備獨立性軟件處理 那些設(shè)備驅(qū)動程序無法處理的錯 誤。設(shè)備獨立性軟件 執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作：

向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口，無論何種設(shè)備，它們向用戶所提供的接口應(yīng)該是相同的。例如，對各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用read;而對各種設(shè)備的寫操作，也都使用write。邏輯設(shè)備表2)LUT的設(shè)置問題 邏輯設(shè)備表設(shè)備分配 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表DCT設(shè)備分配 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表DC控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表控制器表、通道表、系統(tǒng)設(shè)備表控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表控制器表、通道表、系統(tǒng)83 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素獨享設(shè)備：只能分配給一個用戶或者進程使用。

(2)共享設(shè)備：可分配給多個用戶或者多個進程使用。

(3)虛擬設(shè)備：可分配給多個用戶或者多個進程使用， 但需要在實際的物理設(shè)備上排序。 設(shè)備的固有屬性 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素獨享設(shè)備：只能分配給一個用戶獨占設(shè)備的分配程序分配設(shè)備 2)分配控制器 3)分配通道 存在的問題： 1）進程以物理設(shè)備請求資源 2）單通道型，造成瓶頸 基本的設(shè)備分配程序：以有I/O通道的系統(tǒng)為例獨占設(shè)備的分配程序分配設(shè)備 基本的設(shè)備分配程序：以有I/設(shè)備分配程序的改進

增加設(shè)備的獨立性：進程采用邏輯名請求I/O。這樣，可以從SDT(系統(tǒng)設(shè)備表)中輪詢合適的同類設(shè)備。

2)考慮多通路情況：對通道和控制器采用輪詢的方式查找合適的設(shè)備。設(shè)備分配程序的改進增加設(shè)備的獨立性：進程采用邏輯名請求I/磁盤調(diào)度

磁盤是一種共享設(shè)備，當有多個進程共同請求磁盤時，需要采用合理 的磁盤調(diào)度方法，保證各個進程對磁盤的平均 訪問時間（尋 道時間）最少。即磁盤調(diào)度的目標是使磁盤的平均尋道時間最少。

下面介紹幾種目前常用的磁盤調(diào)度算法:

先來先服務(wù)(FCFS,FirstComeFirstServerd)

它根據(jù)進程請求訪問磁盤的先后次序進行調(diào)度。此算法優(yōu)點是公平、 簡單，且每個進程的請求都能依次地得到處理，不會出現(xiàn)某一進程 的請求長期得不到滿足的情況。但此算法由于未對尋道進行優(yōu)化， 致使平均尋道時間可能較長。故FCFS算法僅適用于請求磁盤I/O的進 程數(shù)目較少的場合。

最短尋道時間優(yōu)先(SSTF,ShortestSeekTimeFirst)

其要求訪問的磁