Linux的设备管理与文件系统.pptx

5.1 设备的概念 在计算机系统中，除了CPU和内存之外，其余的大部分硬件设备称为外部设备。外部设备包括常用的I/O(输入/输出)设备、外存设备以及终端设备等。1、I/O设备的类型 按设备的所属关系可以将I/O设备分为两类：系统设备、用户设备。按设备的信息交换的单位可将I/O设备分为两类：字符设备、块设备。按设备的共享属性可将I/O设备分为三类：独占设备、共享设备、虚拟设备。第1页/共24页2、设备管理的任务和功能 主要任务 选择和分配I/O设备以便进行数据传输操作。控制I/O设备和CPU（或内存）之间交换数据。为用户提供一个友好的透明接口，把用户和设备硬件特性分开，使得用户在编制应用程序时不必涉及具体设备，由系统按用户的要求来对设备的工作进行控制。提高设备和设备之间、CPU和设备之间以及进程和进程之间的并行操作程度，以使操作系统获得最佳效率。主要功能提供和进程管理系统的接口 进行设备分配 实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作 进行缓冲管理 设备控制与驱动 第2页/共24页3、设备控制器 为实现设备控制器的功能，大多数设备控制器都由以下三部分组成。设备控制器与处理机的接口 设备控制器与设备的接口 I/O逻辑 数据寄存器控制/状态寄存器I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据线地址线控制线CPU与控制器接口控制器与设备接口数据状态控制数据状态控制第3页/共24页4、I/O通道 虽然在CPU与I/O设备之间增加了设备控制器后，已能大大减少CPU对I/O的干预，但当主机所配置的外设很多时，CPU的负担仍然很重。为此，在CPU和设备控制器之间又增设了通道。设置I/O通道的目的是为了建立独立的I/O操作，不仅使数据的传送能独立于CPU，而且也希望有关对I/O操作的组织、管理及其结束处理也尽量独立，以保证CPU有更多的时间去进行数据处理。5、缓冲技术 引入缓冲区的主要原因 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。提高CPU和I/O设备之间的并行性。第4页/共24页6、设备驱动 设备驱动程序又称为设备处理程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，是一种低级的系统例程。设备驱动程序的处理过程 将抽象要求转换为具体要求 检查I/O请求的合法性 读出和检查设备的状态 传送必要的参数 工作方式的设置 启动I/O设备 第5页/共24页5.2 设备控制方式 1、I/O控制方式在I/O控制方式的整个发展过程中，始终贯穿着这样一条宗旨，即尽量减少主机对FO控制的干预，把主机从繁杂的I/O控制事务中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。程序I/O方式 中断驱动I/O控制方式 DMA控制方式 I/O通道控制方式 第6页/共24页2、设备分配与共享 在多道程序环境下，系统中的设备不允许用户（进程）自行使用，而是由操作系统中的设备分配程序负责。在某次设备分配可能和安全的前提下，设备分配程序向提出设备请求的进程分配设备。设备分配中的数据结构 系统设备表（System Device Table，SDT）设备控制表（Device Control Table，DCT）控制器表（Controler Control Table，COCT）通道控制表（Channel Control Table，CHCT）第7页/共24页设备分配时应考虑的因素 设备的固有属性 设备分配算法：先来先服务、优先级最高者优先 设备分配中的安全性：静态分配、动态分配设备独立性 独占设备的分配程序 若不考虑设备独立性和多通路的情况，当某进程提出I/O请求后，系统的设备分配程序将按下述步骤进行设备分配。分配设备 分配控制器 分配通道 注意：只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功。随后，便可启动I/O设备进行数据传送。第8页/共24页3、虚拟设备技术 在设备管理中，通过SPOOLing技术可将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，这就实现了所谓的虚拟设备。SPOOLing技术的定义 为了缓和CPU的高速性与I/O设备的低速性之间的矛盾，曾引入了脱机输入/输出技术。该技术是利用专门的外围控制机，将低速I/0设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。此时的外围操作与CPU对数据的处理可以同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing(Simultaneaus Periphemal Operating On-Line)，或称为假脱机操作。第9页/共24页SPOOLing系统的组成 主要由3部分组成:输入井和输出井 输入缓冲区和输出缓冲区 输入进程SPi和输出进程SPo SPOOLing技术的实例 输入进程SP1输入进程SPn输入缓冲区输出缓冲区内存输入设备输出设备输入井输出井磁盘第10页/共24页4、磁盘存储器管理 磁盘存储器不仅容量大，存取速度快，而且可以实现随机存取，是当前存放大量程序和数据的理想设备，故在现代计算机系统中，都配置了磁盘存储器，并以它为主来存放文件。磁盘性能简介 磁盘的每个盘片有正反两个磁表面，若干张盘片可以组成一个盘组。每个盘面上有多条同心圆磁道，不同盘面上具有相同编号的磁道在同一个柱面上，从“0”开始按由外向里的次序顺序编号，称为“柱面号”。为区分不同的盘面，从“0”开始给每个盘面编号，称为“磁头号”。在磁盘初始化时把每个盘面划分成相等数量的扇区，按磁盘旋转的反向从“0”开始给各扇区编号，称为“扇区号”。每个扇区将磁道分割成弧段，我们称它为“块”。磁盘的每块上存放相等数量的信息，块是磁盘信息读写的最小单位。由此，要确定一个块所在的位置，就必须给出3个参数：柱面号、磁头号和扇区号。第11页/共24页 启动磁盘执行输入输出操作时，首先要把移动臂移动到指定的柱面，称为寻道。同时磁盘控制器控制磁盘高速旋转，待指定的扇区旋转到磁头位置下时，读写控制电路让指定的磁头进行读写。磁盘的访问时间分成3部分：寻道时间 旋转延迟时间 传输时间 移动臂读写磁头转动方向柱面磁道轴第12页/共24页查看系统硬盘使用情况 磁盘调度 目前常用的磁盘调度算法有：先来先服务（FCFS）算法 最短寻道时间优先（SSTF）算法 扫描（SCAN）算法 循环扫描（CSCAN）算法 第13页/共24页5.3 Linux设备管理 1、设备文件 设备类型 主设备号与次设备号 设备文件 2、设备驱动程序概述 驱动程序 设备驱动程序的特点 查询与中断 DMA 设备驱动程序与内核的接口 第14页/共24页3、设备驱动程序的结构 设备驱动程序的实现方法 字符设备驱动程序的结构 块设备驱动程序的结构 4、Linux系统中光盘的使用 在光盘驱动器中插入这张MP3光盘，进入/mnt目录，看到有cdrom目录和floppy目录，前一个很明显是用来安装光盘文件系统的，后一个则是用来安装软盘文件系统的。用mount命令进行文件系统的安装。mount命令的基本格式如下：mount系统设备名称安装点 现在安装光盘文件系统，可以在命令行上键人：mount/dev/cdrom/mnt/cdrom 稍候片刻，光盘文件系统便安装上了。第15页/共24页5.4 目录与文件系统简介 文件：Linux系统和Unix系统一样，把一切都视为文件，包括目录、硬件接口设备等。目录：其中包含许多文件项目的一类特殊文件。子目录：被包含在另一个目录中的目录。用 于 安装光盘用于安装软盘用户主目录第16页/共24页文件名：用来标识文件的字符串，它保存在一个目录文件项中。路径名：由斜线字符（/）结合在一起的一个或多个文件名的集合。文件命名：Linux的文件名几乎可以由ASCII字符的任意组合构成，文件名最长可多达255个字符。管理文件的约定：文件名应尽量简单，并且应反映出文件的内容。除斜线（/）和空字符（ASCII字符为0）以外，文件名可以包含任意的ASCII字符。习惯上允许使用下线符（-）和点（.）来区别文件的类型，使文件名更易读；但是应避免使用 ；|”！%&*？（）。同类文件应使用同样的后缀或扩展名。以圆点（.）开头的文件名是隐含文件，默认方式下使用ls命令并不能把它们在屏幕上显示出来。第17页/共24页5.5 Linux文件系统管理 文件系统是操作系统中负责存取和管理信息的程序模块，它用统一的方法管理用户和数据信息的存储、检索、更新、共享和保护，并为用户提供方便有效的文件使用和操作方法。1、Linux基本文件系统与Linux支持的文件系统 Linux基本文件系统 Linux系统支持的文件系统 第18页/共24页2、文件名和通配符 文件名 Linux系统对文件名有以下规定：文件名中不能包含任何对Shell有特殊含义的字符。这些字符是！？$#*&!;()%|/等。可使用长文件名，最长为256个字符。文件名区分大小写。文件分类 普通文件 目录文件 链接文件 设备文件 第19页/共24页通配符 通配符的作用是代替一个或多个字符。常用通配符及含义如下：“*”代表若干个任意字符。“?”代表一个任意字符。“”表示匹配方括号内的任意一个字符。“a-y”表示匹配方括号内两个字符之间的任意一个字符。“!”表示匹配不在方括号内的任意一个字符。第20页/共24页3、Linux文件系统结构 Linux操作系统将所有的文件系统放在唯一的根目录（）下形成树形结构，采用树形目录结构来组织和管理系统的所有文件。根是所有目录的起始点，根目录下主要有以下的子目录。/bin 存放常用命令和实用程序 /sbin /boot 该目录存放Linux引导程序，操作系统内核，以及相关文件 /dev 存放与硬件设备驱动程序有关的设备文件 /etc 又称杂项目录，存放了大量系统配置文件 /home 用于存放各用户的主目录，用户文件 第21页/共24页 /lib 存放常用程序的库函数文件 /mnt：移动存储设备的挂载点目录 /proc：存放操作系统运行时，进程（正在运行中的程序）信息及内核信息 /root：Linux系统超级权限用户root的主目录 /tmp：临时文件目录，有时用户运行程序的时候，会产生临时文件 /usr 存放用户服务例程 /var 包括用于管理和维护本地计算机的文件，主要是一些进程频繁变动的文件 第22页/共24页5.6 小结Linux系统对计算机的所有的外部设备进行统一的分配和控制，对设备驱动、设备分配和共享等操作等进行统一的管理。Linux设备管理主要是从Linux设备的原理、设备的控制方式和虚拟设备等方面来展开的；无论是哪个类型的设备，Linux都把它统一当作文件来处理，只要安装了驱动程序，任何用户都可以像使用文件一样来使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。Linux把外部设备当作文件来处理，并根据数据交换的特性将外部设备分为三类：字符设备、块设备和网络设备。第23页/共24页感谢您的观看！第24页/共24页