5 Linux的設備管理與文件系統(tǒng)

1、第5章 Linux的設備管理與文件系統(tǒng) 設備的概念 設備控制方式 Linux設備管理 目錄與文件系統(tǒng)簡介 Linux文件系統(tǒng)管理 操作系統(tǒng)中設備管理的主要對象是I/O設備，還可能涉及到設備控制器和I/O通道?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)都配有種類繁多的I/O設備，I/O設備在整個計算機系統(tǒng)的成本中占有相當大的比重。 5.1 設備的概念 在計算機系統(tǒng)中，除了CPU和內存之外，其余的大部分硬件設備稱為外部設備。外部設備包括常用的I/O(輸入/輸出)設備、外存設備以及終端設備等。 1、I/O設備的類型 按設備的所屬關系可以將I/O設備分為兩類：系統(tǒng)設備 、用戶設備 。 按設備的信息交換的單位可將I/O設備分為兩類

2、：字符設備 、塊設備。 按設備的共享屬性可將I/O設備分為三類：獨占設備 、共享設備 、虛擬設備 。2、設備管理的任務和功能主要任務 選擇和分配I/O設備以便進行數(shù)據傳輸操作。控制I/O設備和CPU（或內存）之間交換數(shù)據。為用戶提供一個友好的透明接口，把用戶和設備硬件特性分開，使得用戶在編制應用程序時不必涉及具體設備，由系統(tǒng)按用戶的要求來對設備的工作進行控制。提高設備和設備之間、CPU和設備之間以及進程和進程之間的并行操作程度，以使操作系統(tǒng)獲得最佳效率。 主要功能提供和進程管理系統(tǒng)的接口 進行設備分配 實現(xiàn)設備和設備、設備和CPU等之間的并行操作 進行緩沖管理 設備控制與驅動 3、設備控制器

3、為實現(xiàn)設備控制器的功能，大多數(shù)設備控制器都由以下三部分組成。 設備控制器與處理機的接口 設備控制器與設備的接口 I/O邏輯 數(shù)據寄存器控制/狀態(tài)寄存器I/O邏輯控制器與設備接口1控制器與設備接口i數(shù)據線地址線控制線CPU與控制器接口控制器與設備接口數(shù)據狀態(tài)控制數(shù)據狀態(tài)控制4、I/O通道 雖然在CPU與I/O設備之間增加了設備控制器后，已能大大減少CPU對I/O的干預，但當主機所配置的外設很多時，CPU的負擔仍然很重。為此，在CPU和設備控制器之間又增設了通道。設置I/O通道的目的是為了建立獨立的I/O操作，不僅使數(shù)據的傳送能獨立于CPU，而且也希望有關對I/O操作的組織、管理及其結束處理也盡量

4、獨立，以保證CPU有更多的時間去進行數(shù)據處理。 5、緩沖技術 引入緩沖區(qū)的主要原因 緩和CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾。 減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應時間的限制。 提高CPU和I/O設備之間的并行性。 6、設備驅動 設備驅動程序又稱為設備處理程序，它是I/O進程與設備控制器之間的通信程序，是一種低級的系統(tǒng)例程。 設備驅動程序的處理過程 將抽象要求轉換為具體要求 檢查I/O請求的合法性 讀出和檢查設備的狀態(tài) 傳送必要的參數(shù) 工作方式的設置 啟動I/O設備 5.2 設備控制方式 1、I/O控制方式在I/O控制方式的整個發(fā)展過程中，始終貫穿著這樣一條宗旨，即盡量減少主機對FO控

5、制的干預，把主機從繁雜的I/O控制事務中解脫出來，以便更多地去完成數(shù)據處理任務。 程序I/O方式 中斷驅動I/O控制方式 DMA控制方式 I/O通道控制方式 2、設備分配與共享 在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設備不允許用戶（進程）自行使用，而是由操作系統(tǒng)中的設備分配程序負責。在某次設備分配可能和安全的前提下，設備分配程序向提出設備請求的進程分配設備。 設備分配中的數(shù)據結構 系統(tǒng)設備表（System Device Table，SDT） 設備控制表（Device Control Table，DCT） 控制器表（Controler Control Table，COCT） 通道控制表（Channel Co

6、ntrol Table，CHCT） 設備分配時應考慮的因素 設備的固有屬性 設備分配算法 ：先來先服務 、優(yōu)先級最高者優(yōu)先 設備分配中的安全性 ：靜態(tài)分配、動態(tài)分配設備獨立性 獨占設備的分配程序 若不考慮設備獨立性和多通路的情況，當某進程提出I/O請求后，系統(tǒng)的設備分配程序將按下述步驟進行設備分配。 分配設備 分配控制器 分配通道 注意：只有在設備、控制器和通道三者都分配成功時，這次設備分配才算成功。隨后，便可啟動I/O設備進行數(shù)據傳送。 3、虛擬設備技術 在設備管理中，通過SPOOLing技術可將一臺物理I/O設備虛擬為多臺邏輯I/O設備，這就實現(xiàn)了所謂的虛擬設備。 SPOOLing技術的定

7、義 為了緩和CPU的高速性與I/O設備的低速性之間的矛盾，曾引入了脫機輸入/輸出技術。該技術是利用專門的外圍控制機，將低速I/0設備上的數(shù)據傳送到高速磁盤上，或者相反。此時的外圍操作與CPU對數(shù)據的處理可以同時進行，我們把這種在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLing(Simultaneaus Periphemal Operating On-Line)，或稱為假脫機操作。 SPOOLing系統(tǒng)的組成 主要由3部分組成 :輸入井和輸出井 輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū) 輸入進程SPi和輸出進程SPo SPOOLing技術的實例 輸入進程SP1輸入進程SPn輸入緩沖區(qū)輸出緩沖區(qū)內存輸入設備輸出設備

8、輸入井輸出井磁盤4、磁盤存儲器管理 磁盤存儲器不僅容量大，存取速度快，而且可以實現(xiàn)隨機存取，是當前存放大量程序和數(shù)據的理想設備，故在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，都配置了磁盤存儲器，并以它為主來存放文件。 磁盤性能簡介 磁盤的每個盤片有正反兩個磁表面，若干張盤片可以組成一個盤組。每個盤面上有多條同心圓磁道，不同盤面上具有相同編號的磁道在同一個柱面上，從“0”開始按由外向里的次序順序編號，稱為“柱面號”。為區(qū)分不同的盤面，從“0”開始給每個盤面編號，稱為“磁頭號”。在磁盤初始化時把每個盤面劃分成相等數(shù)量的扇區(qū)，按磁盤旋轉的反向從“0”開始給各扇區(qū)編號，稱為“扇區(qū)號”。每個扇區(qū)將磁道分割成弧段，我們稱它為“塊

9、”。磁盤的每塊上存放相等數(shù)量的信息，塊是磁盤信息讀寫的最小單位。由此，要確定一個塊所在的位置，就必須給出3個參數(shù)：柱面號、磁頭號和扇區(qū)號。 啟動磁盤執(zhí)行輸入輸出操作時，首先要把移動臂移動到指定的柱面，稱為尋道。同時磁盤控制器控制磁盤高速旋轉，待指定的扇區(qū)旋轉到磁頭位置下時，讀寫控制電路讓指定的磁頭進行讀寫。 磁盤的訪問時間分成3部分： 尋道時間 旋轉延遲時間 傳輸時間 移動臂讀寫磁頭轉動方向柱面磁道軸查看系統(tǒng)硬盤使用情況 磁盤調度 目前常用的磁盤調度算法有： 先來先服務（FCFS）算法 最短尋道時間優(yōu)先（SSTF）算法 掃描（SCAN）算法 循環(huán)掃描（CSCAN）算法 5.3 Linux設備管

10、理 1、設備文件 設備類型 主設備號與次設備號 設備文件 2、設備驅動程序概述 驅動程序 設備驅動程序的特點 查詢與中斷 DMA 設備驅動程序與內核的接口 3、設備驅動程序的結構 設備驅動程序的實現(xiàn)方法 字符設備驅動程序的結構 塊設備驅動程序的結構 4、Linux系統(tǒng)中光盤的使用 在光盤驅動器中插入這張MP3光盤，進入/mnt目錄，看到有cdrom目錄和floppy目錄，前一個很明顯是用來安裝光盤文件系統(tǒng)的，后一個則是用來安裝軟盤文件系統(tǒng)的。 用mount命令進行文件系統(tǒng)的安裝。mount命令的基本格式如下： mount系統(tǒng)設備名稱安裝點 現(xiàn)在安裝光盤文件系統(tǒng)，可以在命令行上鍵人： mount

11、/dev/cdrom/mnt/cdrom 稍候片刻，光盤文件系統(tǒng)便安裝上了。 5.4 目錄與文件系統(tǒng)簡介 文件：Linux系統(tǒng)和Unix系統(tǒng)一樣，把一切都視為文件，包括目錄、硬件接口設備等。 目錄：其中包含許多文件項目的一類特殊文件。 子目錄：被包含在另一個目錄中的目錄。 用于安裝光盤用于安裝軟盤用戶主目錄文件名：用來標識文件的字符串，它保存在一個目錄文件項中。 路徑名：由斜線字符（/）結合在一起的一個或多個文件名的集合。 文件命名：Linux的文件名幾乎可以由ASCII字符的任意組合構成，文件名最長可多達255個字符。 管理文件的約定：文件名應盡量簡單，并且應反映出文件的內容。 除斜線（/）

12、和空字符（ASCII字符為0）以外，文件名可以包含任意的ASCII字符。 習慣上允許使用下線符（-）和點（.）來區(qū)別文件的類型，使文件名更易讀；但是應避免使用 ；| ” ！ % & * ？ （） 。 同類文件應使用同樣的后綴或擴展名。 以圓點（.）開頭的文件名是隱含文件，默認方式下使用ls命令并不能把它們在屏幕上顯示出來。 5.5 Linux文件系統(tǒng)管理 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負責存取和管理信息的程序模塊，它用統(tǒng)一的方法管理用戶和數(shù)據信息的存儲、檢索、更新、共享和保護，并為用戶提供方便有效的文件使用和操作方法。 1、Linux基本文件系統(tǒng)與Linux支持的文件系統(tǒng) Linux基本文件系統(tǒng) Lin

13、ux系統(tǒng)支持的文件系統(tǒng) 2、文件名和通配符 文件名 Linux系統(tǒng)對文件名有以下規(guī)定： 文件名中不能包含任何對Shell有特殊含義的字符。這些字符是??？$ # * & ! ; ( ) % | /等。 可使用長文件名，最長為256個字符。 文件名區(qū)分大小寫。文件分類 普通文件 目錄文件 鏈接文件 設備文件 通配符 通配符的作用是代替一個或多個字符。 常用通配符及含義如下： “*”代表若干個任意字符。 “?”代表一個任意字符。 “”表示匹配方括號內的任意一個字符。 “a-y”表示匹配方括號內兩個字符之間的任意一個字符。 “!”表示匹配不在方括號內的任意一個字符。 3、Linux文件系統(tǒng)結構 Lin

14、ux操作系統(tǒng)將所有的文件系統(tǒng)放在唯一的根目錄（）下形成樹形結構，采用樹形目錄結構來組織和管理系統(tǒng)的所有文件。根是所有目錄的起始點，根目錄下主要有以下的子目錄。 /bin 存放常用命令和實用程序 /sbin /boot 該目錄存放Linux引導程序，操作系統(tǒng)內核，以及相關文件 /dev 存放與硬件設備驅動程序有關的設備文件 /etc 又稱雜項目錄，存放了大量系統(tǒng)配置文件 /home 用于存放各用戶的主目錄，用戶文件 /lib 存放常用程序的庫函數(shù)文件 /mnt：移動存儲設備的掛載點目錄 /proc：存放操作系統(tǒng)運行時，進程（正在運行中的程序）信息及內核信息 /root： Linux系統(tǒng)超級權限用戶root的主目錄 /tmp： 臨時文件目錄，有時用戶運行程序的時候，會產生臨時文件 /usr 存放用戶服務例程 /var 包括用于管理和維護本地計算機的文件，主要是一些進程頻繁變動的文件 5.6 小結L