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1、Windows-設(shè)備管理管理Windows I/OWindows I/O系統(tǒng)系統(tǒng)Windows I/O系統(tǒng)由若干執(zhí)行體組件與設(shè)備驅(qū)動(dòng)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。Windows I/O系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為為應(yīng)用程序應(yīng)用程序提供一個(gè)有關(guān)設(shè)提供一個(gè)有關(guān)設(shè)備的備的抽象抽象，包括硬件（物理）設(shè)備和軟件（虛擬或邏輯）設(shè)備。，包括硬件（物理）設(shè)備和軟件（虛擬或邏輯）設(shè)備。I/O管理器管理器nI/O管理器是管理器是I/O系統(tǒng)的核心；系統(tǒng)的核心；n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)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)

2、施來支持設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。備連接起來，并定義了基礎(chǔ)設(shè)施來支持設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序n設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常為某一種特定類型的設(shè)備提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常為某一種特定類型的設(shè)備提供I/O接接口；口；n設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接收來自設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接收來自I/O管理器傳送來的命令，完成管理器傳送來的命令，完成這些命令，然后通知這些命令，然后通知I/O管理器；管理器；n設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常使用I/O管理器來向其他的共享統(tǒng)一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(dòng)程序轉(zhuǎn)送設(shè)備接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序轉(zhuǎn)送I/O命令。命令。PnP管理器管理器nPnP管理器與管理器與I/O管理器及總線驅(qū)動(dòng)程序（管理器及總線

3、驅(qū)動(dòng)程序（bus driver）一起工作，以指導(dǎo)硬件資源的分配，檢測(cè)并響應(yīng)硬件設(shè)一起工作，以指導(dǎo)硬件資源的分配，檢測(cè)并響應(yīng)硬件設(shè)備的加入和移除。備的加入和移除。nPnP管理器和總線驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)在檢測(cè)到一個(gè)設(shè)備時(shí)，管理器和總線驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)在檢測(cè)到一個(gè)設(shè)備時(shí)，加載該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。加載該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。n當(dāng)一個(gè)設(shè)備被加入到缺乏正確設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的系統(tǒng)中時(shí)，當(dāng)一個(gè)設(shè)備被加入到缺乏正確設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的系統(tǒng)中時(shí)，執(zhí)行體執(zhí)行體PnP管理器將請(qǐng)求用戶模式管理器將請(qǐng)求用戶模式PnP管理器的設(shè)備安管理器的設(shè)備安裝服務(wù)。裝服務(wù)。電源管理器電源管理器n電源管理器與電源管理器與I/O管理器一起工作，以指導(dǎo)系統(tǒng)和各個(gè)管理器

4、一起工作，以指導(dǎo)系統(tǒng)和各個(gè)單獨(dú)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序能夠經(jīng)歷電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。單獨(dú)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序能夠經(jīng)歷電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。n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(jī)狀態(tài)等。狀態(tài)、系統(tǒng)休眠狀態(tài)及系統(tǒng)關(guān)機(jī)狀態(tài)等。硬件抽象層硬件抽象層HALnHAL提供一組提供一組API，將不同平臺(tái)之間的差異隱藏起來，將不同平臺(tái)之間的差異隱藏起來，從而使驅(qū)動(dòng)程序與處理器和中斷控制器的特殊性相互隔從而使驅(qū)動(dòng)程序與處理器和中斷控制器的特殊性相互隔離開。離開。一組一組Windows管理規(guī)范（管理規(guī)范（WMI）支持例程）支持例程n即即Windows驅(qū)動(dòng)程

5、序模型（驅(qū)動(dòng)程序模型（WDM）WMI提供者，主要提供者，主要用于系統(tǒng)管理和監(jiān)視。用于系統(tǒng)管理和監(jiān)視。n設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以使用WDM WMI提供者作為中間媒提供者作為中間媒介與用戶模式的介與用戶模式的WMI服務(wù)進(jìn)行通信。服務(wù)進(jìn)行通信。同時(shí)需要注意的是：同時(shí)需要注意的是：Windows操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)是分分態(tài)態(tài)的操作系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序運(yùn)行在的操作系統(tǒng)，用戶應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶用戶態(tài)態(tài)，操作系統(tǒng)代碼（如系統(tǒng)服務(wù)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，操作系統(tǒng)代碼（如系統(tǒng)服務(wù)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）在程序）在核心態(tài)核心態(tài)下運(yùn)行。下運(yùn)行。用戶態(tài)程序只能調(diào)用用戶態(tài)程序只能調(diào)用WindowsWindows子系統(tǒng)提供的子系統(tǒng)提

6、供的APIAPI來同設(shè)備交互，當(dāng)來同設(shè)備交互，當(dāng)請(qǐng)求傳遞到請(qǐng)求傳遞到I/OI/O管理器管理器時(shí)，它進(jìn)行必要的參數(shù)匹配和操作安全性時(shí)，它進(jìn)行必要的參數(shù)匹配和操作安全性檢查，然后由這個(gè)請(qǐng)求構(gòu)造出合適的檢查，然后由這個(gè)請(qǐng)求構(gòu)造出合適的I/OI/O請(qǐng)求包請(qǐng)求包(IRP),(IRP),并把此并把此IRPIRP傳遞到適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序去，并給應(yīng)用程序一個(gè)消息，通知這次傳遞到適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序去，并給應(yīng)用程序一個(gè)消息，通知這次I/OI/O操作還沒完成。操作還沒完成。驅(qū)動(dòng)程序一般是通過硬件抽象層來和硬件交互，從而完驅(qū)動(dòng)程序一般是通過硬件抽象層來和硬件交互，從而完 成成I/OI/O請(qǐng)求工作。請(qǐng)求工作。驅(qū)動(dòng)程序完成驅(qū)動(dòng)程

7、序完成I/OI/O操作后，它將調(diào)用一個(gè)特殊的內(nèi)核服務(wù)操作后，它將調(diào)用一個(gè)特殊的內(nèi)核服務(wù) 例程來完成例程來完成IRPIRP。這時(shí)，。這時(shí)，I/OI/O管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給管理器把數(shù)據(jù)和結(jié)果返回給 WindowsWindows和用戶應(yīng)用程序。和用戶應(yīng)用程序。I/OI/O控制方式控制方式 程序程序I/O方式方式 中斷驅(qū)動(dòng)中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式控制方式 DMA I/O控制方式控制方式 I/O通道控制方式通道控制方式程序程序I/O方式方式向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(chǔ)器中寫字 傳送完成？下一條指令完成CPUI/OI/OCPUI/OCPU出錯(cuò)CPU

8、內(nèi)存未完未就緒就緒中斷驅(qū)動(dòng)中斷驅(qū)動(dòng)I/OI/O控制方式控制方式向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(chǔ)器中寫字 傳送完成？下一條指令完成CPUI/OI/OCPUI/OCPU出錯(cuò)CPU內(nèi)存未完就緒 CPU做其它事中斷DMADMA控制方式控制方式設(shè)置MAR和DC初值啟動(dòng)DMA傳送命令挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字 存儲(chǔ)器地址增1 字計(jì)數(shù)寄存器減1 DC=0？請(qǐng)求中斷在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時(shí)，準(zhǔn)備又一次傳送否是I/OI/O通道控制方式通道控制方式 簡(jiǎn)介：簡(jiǎn)介：I/OI/O通道方式通道方式是是DMADMA方式方式的發(fā)展，可進(jìn)一步減少的發(fā)展，可進(jìn)一步減少 CPUCP

9、U的干預(yù)，把對(duì)一個(gè)的干預(yù)，把對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊的讀（或?qū)懀閱挝坏母傻淖x（或?qū)懀閱挝坏母?預(yù)減少為對(duì)預(yù)減少為對(duì)一組數(shù)據(jù)塊一組數(shù)據(jù)塊的讀（或?qū)懀┘坝嘘P(guān)的控制和管的讀（或?qū)懀┘坝嘘P(guān)的控制和管 理為單位的干預(yù)。通道時(shí)負(fù)責(zé)外圍設(shè)備與主存之間進(jìn)行理為單位的干預(yù)。通道時(shí)負(fù)責(zé)外圍設(shè)備與主存之間進(jìn)行 數(shù)據(jù)交換、能單獨(dú)完成輸入輸出操作的處理機(jī)。它控制數(shù)據(jù)交換、能單獨(dú)完成輸入輸出操作的處理機(jī)。它控制 設(shè)備與內(nèi)存直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它有自己的通道指令，設(shè)備與內(nèi)存直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它有自己的通道指令，這些通道指令的運(yùn)行由這些通道指令的運(yùn)行由CPUCPU啟動(dòng)，并在操作結(jié)束時(shí)向啟動(dòng)，并在操作結(jié)束時(shí)向CPUCPU 發(fā)出中斷

10、信號(hào)。發(fā)出中斷信號(hào)。通道程序由一系列通道指令所構(gòu)成，通道指令的每條指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：令中包含如下信息：操作碼操作碼；內(nèi)存地址內(nèi)存地址；計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)；通道程序結(jié)束位通道程序結(jié)束位P P；記錄結(jié)束標(biāo)志記錄結(jié)束標(biāo)志R R。工作流程：工作流程：CPUCPU向向I/OI/O通道發(fā)送一條通道發(fā)送一條I/OI/O指令，以給出指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/OI/O設(shè)備，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通道程序接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成CPUCPU指定的指定的I/OI/O任務(wù)

11、。任務(wù)。I/OI/O通道控制方式的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)通道控制方式的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)CPUCPU、通道通道和和I/OI/O設(shè)備設(shè)備三者的并行操作，執(zhí)行一個(gè)通道程序可以完成幾批三者的并行操作，執(zhí)行一個(gè)通道程序可以完成幾批I/OI/O操作，更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的操作，更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率資源利用率。緩沖管理緩沖管理 緩沖技術(shù)：緩沖技術(shù)：1.發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送請(qǐng)求發(fā)出一段時(shí)間發(fā)出一段時(shí)間后才執(zhí)行輸出傳送后才執(zhí)行輸出傳送；2.輸入請(qǐng)求輸入請(qǐng)求發(fā)出之前發(fā)出之前就執(zhí)行輸入傳送。就執(zhí)行輸入傳送。緩沖的引入的作用：緩沖的引入的作用：1.緩和緩和CPU與與I/O設(shè)備設(shè)備間速度不匹配的矛盾。間速度不匹配的矛盾。2.減少對(duì)減

12、少對(duì)CPU的中斷頻率，的中斷頻率，放寬對(duì)放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的中斷響應(yīng)時(shí)間的限制限制 3.提高提高CPU和和I/O設(shè)備設(shè)備之間的并行性。之間的并行性。0.1ms0.8ms0.8ms單緩沖單緩沖(Single Buffer)Max(C,T)+M雙緩沖雙緩沖(Double Buffer)Max(C,T)雙機(jī)通信時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置雙機(jī)通信時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖公用緩沖池公用緩沖池(Buffer Pool)緩沖池的組成：對(duì)于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池，緩沖池的組成：對(duì)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)：其中至少應(yīng)含有以下三種類型的緩沖區(qū)：空空(

13、閑閑)緩沖區(qū)；緩沖區(qū)；裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。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(gè)為了管理上的方便，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個(gè) 隊(duì)列，于是可形成以下三個(gè)隊(duì)列：隊(duì)列，于是可形成以下三個(gè)隊(duì)列：(1)(1)空緩沖隊(duì)列空緩沖隊(duì)列emqemq。(2)(2)輸入隊(duì)列輸入隊(duì)列inqinq。(3)(3)輸出隊(duì)列輸出隊(duì)列outqoutq。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(jì)目標(biāo)軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)I/O軟件的總目標(biāo)：軟件的總目標(biāo)：高效率：確保高效率：確保I/O設(shè)備與設(shè)備與CPU的并發(fā)性。的并發(fā)性。通用性：提供簡(jiǎn)單抽象清晰和統(tǒng)一的接

14、口。通用性：提供簡(jiǎn)單抽象清晰和統(tǒng)一的接口。I/O軟件的具體目標(biāo)：軟件的具體目標(biāo)：與具體設(shè)備無關(guān)與具體設(shè)備無關(guān)統(tǒng)一命名：不同的統(tǒng)一命名：不同的OS命名規(guī)則不一樣。命名規(guī)則不一樣。錯(cuò)誤處理：越底層處理越好錯(cuò)誤處理：越底層處理越好緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)設(shè)備的分配和釋放設(shè)備的分配和釋放I/O控制方式控制方式I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)軟件的層次結(jié)構(gòu)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能：(1)接收由接收由I/O進(jìn)程發(fā)來的命令和參數(shù)，進(jìn)程發(fā)來的命令和參數(shù)，并將命令中的抽并將命令中的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 (2)檢查用戶檢查用戶I/O請(qǐng)求的合法性，了解請(qǐng)求的合法性，了解I/O

15、設(shè)備的狀態(tài)，傳設(shè)備的狀態(tài)，傳 遞有關(guān)參遞有關(guān)參 數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。(3)發(fā)出發(fā)出I/O命令，如果設(shè)備空閑，便立即啟動(dòng)命令，如果設(shè)備空閑，便立即啟動(dòng)I/O設(shè)備去設(shè)備去 完成指定完成指定 的的I/O操作；如果設(shè)備處于忙碌狀態(tài)，則將請(qǐng)操作；如果設(shè)備處于忙碌狀態(tài)，則將請(qǐng) 求者的請(qǐng)求塊掛求者的請(qǐng)求塊掛 在設(shè)備隊(duì)列上等待。在設(shè)備隊(duì)列上等待。(4)及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求并進(jìn)行處及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求并進(jìn)行處理。理。(5)對(duì)對(duì)于于設(shè)設(shè)置置有有通通道道的的計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)，驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)程程序序還還應(yīng)應(yīng)能能夠夠根根 據(jù)用戶的據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通

16、道程序。請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程1.將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 2.檢查檢查I/O請(qǐng)求的合法性請(qǐng)求的合法性 3.讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài) 4.傳送必要的參數(shù)傳送必要的參數(shù) 5.工作方式的設(shè)置工作方式的設(shè)置 6.啟動(dòng)啟動(dòng)I/O設(shè)備設(shè)備 Windows驅(qū)動(dòng)程序模型重新定義了驅(qū)動(dòng)程序分層：FDOFIDOPDOFIDO上層過濾層驅(qū)動(dòng)程序上層過濾層驅(qū)動(dòng)程序IRP功能驅(qū)動(dòng)程序功能驅(qū)動(dòng)程序下層過濾層驅(qū)動(dòng)程序下層過濾層驅(qū)動(dòng)程序總線驅(qū)動(dòng)程序總線驅(qū)動(dòng)程序。WDM驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu) 該層次結(jié)構(gòu)左邊是一個(gè)該層次結(jié)構(gòu)左邊是一個(gè)設(shè)備對(duì)象堆棧設(shè)備對(duì)象堆棧。設(shè)備對(duì)象設(shè)備對(duì)象是系統(tǒng)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(gè)物理硬件為幫助軟件管理硬件而創(chuàng)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)物理硬件 可以有多個(gè)這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？梢杂卸鄠€(gè)這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。處于堆棧最底層的設(shè)備對(duì)象稱為處于堆棧最底層的設(shè)備對(duì)象稱為物理設(shè)備對(duì)象物理設(shè)備對(duì)象 PDO(Physical Device Object)，代表了設(shè)備與總線之，代表了設(shè)備與總線之 間的連接。間的連接。在設(shè)備對(duì)