linux内核完全注释(ppt课件)第六章.ppt

Linux操作系统内核分析,湘潭大学信息工程学院,讲课内容,设备管理简介硬盘驱动虚拟盘驱动,块设备的操作方式,P132图6-2,设备管理模块读处理过程,进程向缓冲区模块提出读块（2扇区）请求。缓冲区模块检查该块是否已经被缓冲。如果已经被缓冲，则直接返回缓冲的块；否则，向设备管理模块提出读请求。设备管理模块接受请求。如果设备不忙，则向设备发送命令；否则，把请求插入到设备的请求队列中。缓冲区模块挂起进程。设备控制器从设备中读入数据到自己的缓冲区中，并产生中断。设备中断处理程序把数据从控制器缓冲区读到内存缓冲区，然后唤醒进程。P248第267,设备管理模块写处理过程,缓冲区模块决定要回写被缓冲的块。如果该块是脏的，向设备管理模块提出写请求。设备管理模块接受请求。如果设备不忙，则向设备发送命令和数据；否则，把请求插入到设备的请求队列中。缓冲区模块挂起进程。设备控制器把数据写入到设备并产生中断。设备中断处理程序唤醒进程。,低级读写流程,根据缓冲区头创建一个请求,队列中没有请求,把请求插入到设备的请求队列中,向设备发送命令,是,否,说明设备空闲,设备号,设备是通过主设备号和次设备号(两者构成了物理设备号)来进行区分的主设备号: 区分不同类型的设备(P131表6-2)次设备号: 区分相同类型设备中的个体逻辑设备号用于区分不同的设备，逻辑设备号=主设备号8)#define MINOR(a) (a)&0 xff),P395第33、34行,逻辑设备号,块设备请求项,struct request int dev; /逻辑设备号，-1表示是自由的请求项int cmd; /命令（P395第2629）int errors; /如果超过MAX_ERRORS，要重置设备unsigned long sector; /要读或写的开始扇区unsigned long nr_sectors; /要读或写的数量char * buffer; /数据缓冲区指针struct task_struct * waiting; /等待请求完成的进程队列struct buffer_head * bh; /缓冲区头指针struct request * next; /同一设备的下一个请求项;,P131或P134第23行,块设备请求项数组,为方便查找空闲请求项，建立了请求项数组。struct request requestNR_REQUEST; /定义在ll_rw_blk.c（P150第21行）#define NR_REQUEST32 /定义在blk.h（P134第15行）,块设备结构,每个块设备都有自己的独立的请求队列。为方便管理队列，建立了块设备结构。struct blk_dev_struct void (*request_fn)(void); /设备独有的请求处理函数指针struct request * current_request;/请求队列头指针 ;/blk.h（P134第45行或P130）,块设备结构,Linux支持多种块设备,为所有这些块设备结构建立了一个数组，数组下标就是设备的主设备号。struct blk_dev_struct blk_devNR_BLK_DEV/P151第32行#define NR_BLK_DEV7,数据结构间的关系,P132图6-1,设备管理模块接口,设备管理模块,文件管理模块(缓冲区),ll_rw_block,中断管理模块,hd_interruptfloppy_interrupt,初始化模块,blk_dev_inithd_initfloppy_initsetup,初始化,void blk_dev_init(void)/定义在ll_rw_blk.c（P153第157行）作用：完成请求项数组的初始化void hd_init(void)/定义在hd.c（P146第343行）void floppy_init(void)/定义在floppy.c（P168第457行）long rd_init(long mem_start, int length)/定义在ramdisk.c（P155第52行）,低级读写操作,void ll_rw_block (int rw, struct buffer_head * bh)/定义在ll_rw_blk.c（P153第145行）作用：完成低级读写操作参数：rw读写命令 bh缓冲区头指针,电梯算法,磁头朝一个方向运动来满足该方向上最近的请求。当该方向上所有的请求都处理完之后，则反方向来处理其它请求。,例如：磁头正在第5柱面处理请求，磁头向内运动，其后有5个请求到达，分别是第7、2、6、1、8柱面上的请求。则处理顺序是： 5 6 7 8 2 1,电梯算法,在一般情况下，所有请求都能获得合适的处理。但是，在极端情况下仍然会造成饿死现象。例如：上例中，如果不断的有第5柱面之后的处理请求，则第1、2柱面的处理请求会饿死。,电梯算法改进,5 7 5 7 2 5 6 7 2 5 6 7 1 2 5 6 7 1 2 8,对于请求Q，如果队列中存在A1和A2，1、满足A1QA2，则把Q插入到A1和A2中2、满足QA2A1，则把Q插入到A1和A2中3、否则插入到队列最后,IN_ORDER,#define IN_ORDER(s1,s2) (s1)-cmdcmd | (s1)-cmd=(s2)-cmd & (s1)-dev dev | (s1)-dev = (s2)-dev & (s1)-sector sector),P134第40行,read、write、reada、writea,宏可以简单理解为s1s2是否为真,add_request,(IN_ORDER(tmp,req) | !IN_ORDER(tmp,tmp-next)& IN_ORDER(req,tmp-next)IN_ORDER(tmp,req)&IN_ORDER(req,tmp-next)|!IN_ORDER(tmp,tmp-next)& IN_ORDER(req,tmp-next),tmpnext,reqnext tmp,ll_rw_block,根据缓冲区头创建一个请求,队列中没有请求,把请求插入到设备的请求队列中,向设备发送命令,是,否,说明设备空闲,make_request,P150图6-4,讲课内容,设备管理简介硬盘驱动虚拟盘驱动,硬盘分类,按照接口分，硬盘可以分为IDE（ATA）硬盘SCSI硬盘FC硬盘SATA硬盘,硬盘内部结构,硬盘参数表,在setup.s中，Linux通过BIOS调用读取了硬盘的参数，并保存在物理地址0 x90080处（第1块硬盘）和物理地址0 x90090处（第2块硬盘）。(参见P44表3-3),硬盘参数表,硬盘结构,struct hd_i_struct int head,sect,cyl,wpcom,lzone,ctl;/定义在hd.c（P139第45行）,硬盘分区表,一个硬盘最多可以分为4个区，每个分区用一个整数标识（次设备号）0对应第一个硬盘1、2、3、4对应第一个硬盘的四个分区5对应第二个硬盘6、7、8、9对应第二个硬盘的四个分区,硬盘逻辑设备号,硬盘分区表,引导程序,第1分区表项,第2分区表项,第3分区表项,第4分区表项,0 x55AA,主引导记录,分区表,引导标志,开始磁头号,开始扇区号,开始柱面号,分区类型,结束磁头号,结束扇区号,结束柱面号,起始物理扇区号,分区扇区数量,参见P149表6-8,0 x1BE,分区数据结构,struct partition unsigned char boot_ind;unsigned char head;unsigned char sector;unsigned char cyl;unsigned char sys_ind;unsigned char end_head;unsigned char end_sector;unsigned char end_cyl;unsigned int start_sect;/* starting sector counting from 0 */unsigned int nr_sects;/* nr of sectors in partition */;,参见Hdreg.h（P400第52行）,硬盘分区结构,static struct hd_struct long start_sect;long nr_sects; hd5*MAX_HD=0,0,;/定义在hd.c（P140第56行）,硬盘初始化,int sys_setup(void * BIOS)/定义在hd.c（P140第71行）作用：通过读BIOS调用的结果来设置硬盘数据结 构。参数：BIOS保存硬盘数据的内存块地址该函数在main.c的init函数中（P66第172行）被调用,硬盘初始化,void hd_init(void)P146第343,硬盘操作的过程,向硬盘发送控制字节等待控制器处于空闲状态等待控制器处于准备状态向控制器数据端口和命令端口发送参数和命令等待中断中断发生时检测处理结果（读状态控制器），并做其它处理,参见P149上,硬盘控制器端口,P146表6-3,向硬盘控制器发送命令,static void hd_out(unsigned int drive, /硬盘号（0或1）unsigned int nsect, /扇区数量unsigned int sect, /开始扇区unsigned int head, /磁头号 unsigned int cyl, /柱面号unsigned int cmd, /命令（P148表6-6）void (*intr_addr)(void) /中断实施的操作/定义在hd.c（P143第180行），参考P148表6-7,中断操作,对于不同的命令，在中断中实施的操作也不同。Linux使用一个函数指针来记录要实施的操作。#define DEVICE_INTR do_hd/定义在blk.h（P135第81行）#ifdef DEVICE_INTRvoid (*DEVICE_INTR)(void) = NULL;#endif/定义在blk.h（P135第96行）,对硬盘的操作,读硬盘写硬盘,读硬盘,操作系统,硬盘控制器,发送命令,发送中断,发送中断,READY=1,从硬盘读数据,从硬盘读数据,从控制器的数据端口读数据,从控制器的数据端口读数据,写硬盘,操作系统,硬盘控制器,发送命令,DRQ=1,发送中断,发送中断,READY=1,写数据到硬盘,写数据到硬盘,向控制器的数据端口写数据,向控制器的数据端口写数据,硬盘请求处理函数,void do_hd_request(void)/定义在hd.c（P145第294行）作用：处理对于硬盘的请求,逻辑扇区号到CHS的转换,在request中保存的是要读扇区的逻辑扇区号，需要转换为磁道号(Cylinder)、磁头号(Head)和扇区号(Sector)扇区是从0磁头0磁道1扇区开始编号(逻辑扇区号0)的，编完后再从1磁头0磁道1扇区开始编号。这样，把0磁道的扇区编完，再编1磁道。即按照磁道、磁头、扇区的顺序进行编号。,逻辑扇区号到CHS的转换,0磁道0磁头,0磁道1磁头,0柱面,1柱面,逻辑扇区号=C*(磁头数*每磁道扇区数)+H*每磁道扇区数+S-1 =(C*磁头数+H)*每磁道扇区数+S-1S=(逻辑扇区号 mod 每磁道扇区数) + 1H=逻辑扇区号/每磁道扇区数 mod 磁头数C=逻辑扇区号/每磁道扇区数 /磁头数,逻辑扇区号到CHS的转换,divl 操作数 把edx:eax组成的值除以操作数，商放在eax中，余数放在edx中edx=0; eax=逻辑扇区号结果 block=逻辑扇区号/每磁道扇区数 sec =逻辑扇区号%每磁道扇区数edx=0; eax=逻辑扇区号/每磁道扇区数结果 cyl =逻辑扇区号/每磁道扇区数/磁头数 head =逻辑扇区号/每磁道扇区数%磁头数,硬盘中断,void hd_interrupt(void);/定义在System_call.S（P89第221行）,讲课内容,设备管理简介硬盘驱动虚拟盘驱动,根文件系统,Linux引导启动时，默认使用的文件系统是根文件系统。其中一般都包括这样一些子目录：/etc： 含有一些系统配置文件/dev：含有设备特殊文件/usr： 存放库函数、手册和其它一些文件/usr/bin：存放执行程序/bin：存放执行程序/var：存放系统运行时可变的数据或者是日志,集成盘,通常我们使用软盘启动Linux 0.11系统时需要两张盘：一张是内核引导启动盘，一张是基本的根文件系统盘。这样必须使用两张盘才能引导启动系统来正常运行一个基本的Linux系统，并且在运行过程中根文件系统盘必须一直保持在软盘驱动器中。 集成盘是指把内核引导启动盘和一个基本的根文件系统盘的内容合成制作在一张盘上。这样我们使用一张集成盘就能引导启动Linux 0.11系统到命令提示符状态。,集成盘结构,内核(120K),256,257,根文件系统,引导块,超级块,256K,虚拟盘,Linux中被访问的每个盘（硬盘或软盘）的第一个磁盘快必须为引导块，其后为超级块。在使用集成盘时，由于根文件系统放从第256磁盘块开始，它并不符合这个条件。在根文件系统加载的时候通过虚拟盘将其位置转换为统一访问标准。文件系统的超级块放在了虚拟盘的第一磁盘块（引导块）之后。,集成盘结构,内核(120K),256K,虚拟盘,虚拟盘逻辑设备号,虚拟盘初始化,long rd_init(long mem_start, int length)/定义在ramdisk.c（P155第52行）作用：设置虚拟盘的开始地址、长度和请求 处理函数返回：虚拟盘的长度,请求处理,void do_rd_request(void)/定义在ramdisk.c（P154第23行）作用：处理虚拟盘读写请求,