Linux的设备管理

一 设备管理    

     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 。

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 

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。

   (1) 设备控制器与处理机的接口 

   (2) 设备控制器与设备的接口 

   (3) I/O逻辑

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。

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 

二 设备控制

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。  
     ⑴ 程序I/O方式 
     ⑵中断驱动I/O控制方式 
     ⑶ DMA控制方式
     ⑷ I/O通道控制方式 

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。 
  

   ⑴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）

   ⑵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 

   ⑶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。 

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。 
     

    ⑴ 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。 

    ⑵SPOOLing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

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。 

 ⑴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。 

  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。 

 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 

三 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  

 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

四 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

 

●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。 

五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 
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 
●Linux基本文件系统 
●Linux系统支持的文件系统

●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。

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 

        ●  /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 

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。