Linux基礎(chǔ)教程(清華課件)2

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上述兩種措施仍然沒有得到足夠的空閑頁面時(shí)，系統(tǒng)

就要對(duì)所有進(jìn)程進(jìn)行掃描，尋找適合換出的候選進(jìn)

程。好的候選進(jìn)程應(yīng)該有一個(gè)或多個(gè)可以丟棄或換

出的頁面，系統(tǒng)選擇其中部分頁面丟棄或換出。

Linux系統(tǒng)采用記齡（aging）置換算法。Linux系統(tǒng)

根據(jù)訪問次數(shù)來決定是否適合換出，優(yōu)先換出那些

很長時(shí)間沒有訪問的頁面。與前兩種途徑相比，換

出或者丟棄其他進(jìn)程占用的頁面的效率最低。

總的來看，請(qǐng)求頁式存儲(chǔ)管理方法在進(jìn)程建立時(shí)只分

配少量內(nèi)存，通過頁面的交換來保證進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)

候能夠得到需要的頁面，可以同時(shí)在內(nèi)存中安排多

個(gè)進(jìn)程。但是，內(nèi)存利用率的提高是以犧牲系統(tǒng)時(shí)

間開銷為代價(jià)換來的。

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4.3Linux進(jìn)程調(diào)度

Linux系統(tǒng)中同時(shí)在內(nèi)存中安排多個(gè)進(jìn)程，這些進(jìn)程

相互之間競(jìng)爭(zhēng)處理機(jī)的使用權(quán)。系統(tǒng)的低級(jí)調(diào)度，

即進(jìn)程級(jí)調(diào)度就是要按照一定的策略，從所有處于

就緒狀態(tài)的進(jìn)程中選擇最應(yīng)該執(zhí)行的進(jìn)程，把CPU

分配給它，開始執(zhí)行。Linux系統(tǒng)的內(nèi)核級(jí)線程也

按照進(jìn)程來對(duì)待，使用進(jìn)程調(diào)度統(tǒng)一處理進(jìn)程和內(nèi)

核級(jí)線程。

4.3.1初始化過程及進(jìn)程樹

我們以Intel386系列計(jì)算機(jī)為例，介紹Linux系統(tǒng)的

啟動(dòng)過程，現(xiàn)假定系統(tǒng)已經(jīng)完成了正常安裝。打

開計(jì)算機(jī)電源，計(jì)算機(jī)首先從固化在主板ROM中

的BIOS開始啟動(dòng)，BOIS對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行一系

列的檢測(cè)，然后從指定設(shè)備的指定位置，把boot

loader讀入系統(tǒng)內(nèi)存并把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給boot

loader,接著，在bootloader的控制下，系統(tǒng)啟動(dòng)

代碼被讀入內(nèi)存并進(jìn)行初始化工作，控制權(quán)轉(zhuǎn)交給

系統(tǒng)初始化代碼后，引導(dǎo)整個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)存并

控制整個(gè)系統(tǒng)，設(shè)置各種表格和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，初始化

可運(yùn)行隊(duì)列的時(shí)候建立系統(tǒng)的0號(hào)進(jìn)程，然后創(chuàng)建

系統(tǒng)最初的進(jìn)程一一init進(jìn)程，該進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)為

Io

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init進(jìn)程啟動(dòng)內(nèi)核交換線程等系統(tǒng)內(nèi)核線程，然后根

據(jù)系統(tǒng)提供的參數(shù)，啟動(dòng)相應(yīng)的終端管理進(jìn)程，在

每一個(gè)終端屏幕上顯示login字樣，等待用戶的登

錄，整個(gè)啟動(dòng)過程到此結(jié)束，參看圖4.3。用戶登

錄過程中，init進(jìn)程啟動(dòng)login進(jìn)程對(duì)用戶的賬號(hào)和

密碼進(jìn)行驗(yàn)證，通過之后，由login進(jìn)程啟動(dòng)shell命

令解釋進(jìn)程，為用戶提供操作系統(tǒng)的接口，接受用

戶的輸入，解釋執(zhí)行用戶命令，執(zhí)行過程中又會(huì)創(chuàng)

建新的進(jìn)程。

圖4.3Linux系統(tǒng)啟動(dòng)過程

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Linux系統(tǒng)的所有進(jìn)程共同構(gòu)成一個(gè)完整的進(jìn)程樹，

如圖4.3所示。從init進(jìn)程開始，init進(jìn)程是所有其

他進(jìn)程的祖先。init產(chǎn)生終端管理進(jìn)程mingetty,

mingetty產(chǎn)生login,login產(chǎn)生用戶的shell進(jìn)程，然

后shell產(chǎn)生其他用戶進(jìn)程，因此，其他所有進(jìn)程都

是由init或者它的子孫創(chuàng)建而來。同樣，在進(jìn)程結(jié)

束之后，父進(jìn)程也要負(fù)責(zé)該進(jìn)程的最后回收工作，

如果某一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建了子進(jìn)程之后，由于某種原因

先于子進(jìn)程終止，由它創(chuàng)建的子進(jìn)程成為孤兒進(jìn)

程，孤兒進(jìn)程的祖父進(jìn)程就要負(fù)責(zé)回收工作，依此

類推。最后，在系統(tǒng)要關(guān)機(jī)之前，init進(jìn)程還要負(fù)

責(zé)結(jié)束所有的進(jìn)程，卸載所有文件系統(tǒng)并終止處理

器的指令執(zhí)行。

4.3.2進(jìn)程的組織

為了管理進(jìn)程，Linux系統(tǒng)采用多種方式來組織處于

各種狀態(tài)的進(jìn)程。

系統(tǒng)中每創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，就給它分配一個(gè)進(jìn)程控

制塊(PCB),PCB是系統(tǒng)感知、控制進(jìn)程的靜

態(tài)實(shí)體。系統(tǒng)訪問PCB的頻率非常高，因此所有進(jìn)

程的PCB都直接存放在物理內(nèi)存中。Linux系統(tǒng)中

使用一個(gè)稱為task的數(shù)組來保存所有PCB的指針，

Linux通過task數(shù)組來管理系統(tǒng)中所有的進(jìn)程。每

一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)惟一標(biāo)識(shí)自己的進(jìn)程號(hào)PID,進(jìn)

程號(hào)和進(jìn)程在task數(shù)組中的位置(數(shù)組元素的下

標(biāo))之間是不同的。

害小匕一二學(xué)dp

/R-L人一廠UJ必丁一惻颯3踞加購呢^例■

同時(shí)，系統(tǒng)中所有的進(jìn)程還構(gòu)成一個(gè)雙向循環(huán)隊(duì)列，

整個(gè)隊(duì)列通過進(jìn)程控制塊中的兩個(gè)指針next-task和

prev-task來維護(hù)。某個(gè)進(jìn)程在整個(gè)進(jìn)程樹中的位

置，也通過PCB中指針描述。

為了方便進(jìn)程的調(diào)度，系統(tǒng)把所有可運(yùn)行的進(jìn)程組織

成一個(gè)可運(yùn)行隊(duì)列，系統(tǒng)通過當(dāng)前(current)指針

來區(qū)別就緒狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)，每一個(gè)CPU都有一個(gè)

當(dāng)前指針，指向正在使用該CPU的進(jìn)程?？蛇\(yùn)行隊(duì)

列也是一個(gè)雙向循環(huán)隊(duì)列，隊(duì)列中指向前后接點(diǎn)的

指針同樣存放在PCB中，它們是next-run和prev-

runo系統(tǒng)的調(diào)度函數(shù)根據(jù)一定的規(guī)則，查找整個(gè)

可運(yùn)行隊(duì)列，在其中尋找最值得執(zhí)行的進(jìn)程，給它

(或它們)分配CPU,投入執(zhí)行。

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Linux系統(tǒng)內(nèi)部把所有進(jìn)程分為三類，空閑線程、內(nèi)

核線程和用戶進(jìn)程?？臻e線程是系統(tǒng)中一個(gè)特殊的

具有標(biāo)志作用的進(jìn)程，它是task數(shù)組的0號(hào)元素

task\[O\],它的進(jìn)程號(hào)也是0,在源代碼中記作init-

task,只有當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)中沒有進(jìn)程可以運(yùn)行時(shí)，空

閑線程才會(huì)執(zhí)行，它始終位于系統(tǒng)可運(yùn)行隊(duì)列中，

也是該隊(duì)列的頭結(jié)點(diǎn)，同時(shí)它也是所有進(jìn)程組成的

隊(duì)列的頭結(jié)點(diǎn)。內(nèi)核線程也是比較特殊的進(jìn)程，它

處于核心態(tài)，沒有虛擬地址空間，擁有很高的優(yōu)先

權(quán)，一般用來完成系統(tǒng)管理任務(wù)，內(nèi)核交換進(jìn)程

kswapd就是其中之一。用戶進(jìn)程包括所有其他進(jìn)

程和線程，可以在用戶態(tài)和核心態(tài)兩種模式下運(yùn)

行。

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注意，空閑進(jìn)程init-task和系統(tǒng)中的1號(hào)進(jìn)程init在表

達(dá)上很相象，但二者完全不同，空閑進(jìn)程是進(jìn)程組

織、調(diào)度過程中的關(guān)鍵性標(biāo)志，它本身不完成任何

任務(wù)，它不會(huì)退出也不會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)，而init進(jìn)

程是系統(tǒng)啟動(dòng)后第一個(gè)有用的進(jìn)程，它負(fù)責(zé)啟動(dòng)系

統(tǒng)中相關(guān)進(jìn)程，在系統(tǒng)要關(guān)機(jī)之前，init進(jìn)程還要

負(fù)責(zé)結(jié)束所有的進(jìn)程，它是系統(tǒng)中整個(gè)進(jìn)程樹的祖

先。

4.3.3進(jìn)程調(diào)度時(shí)機(jī)

調(diào)度函數(shù)是Linux系統(tǒng)中執(zhí)行最為頻繁的一個(gè)，它的

主要目標(biāo)就是選擇合適的進(jìn)程占有CPU,實(shí)現(xiàn)程序

的多道執(zhí)行，充分提高CPU的利用率。調(diào)度函數(shù)通

過對(duì)每個(gè)進(jìn)程PCB中相關(guān)信息查詢，按照一定的算

法，在可運(yùn)行隊(duì)列選擇進(jìn)程。如果選中的進(jìn)程并不

是當(dāng)前占有處理機(jī)的進(jìn)程，調(diào)度函數(shù)還負(fù)責(zé)保存當(dāng)

前進(jìn)程的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)（進(jìn)程上下文），然后恢復(fù)選中

進(jìn)程的進(jìn)程上下文使之順利執(zhí)行。

Linux系統(tǒng)中沒有設(shè)置專門的調(diào)度進(jìn)程，在需要調(diào)度

的時(shí)候，調(diào)用一個(gè)特定的調(diào)度函數(shù)來完成調(diào)度功

能。一般來講，Linux系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度發(fā)生的時(shí)

機(jī)有下面幾種。

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(1)用戶利用系統(tǒng)提供的函數(shù)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程

時(shí)，系統(tǒng)把它加到可運(yùn)行隊(duì)列中，返回該進(jìn)程的進(jìn)

程號(hào)。這時(shí)，調(diào)度函數(shù)開始執(zhí)行，這樣的方案可以

保證系統(tǒng)具有很好的響應(yīng)特性。

(2)當(dāng)正在執(zhí)行的進(jìn)程申請(qǐng)某種暫時(shí)無法獲得的資源

或者為了與其他進(jìn)程保持同步，需要等待某個(gè)事件

的發(fā)生，進(jìn)程的PCB進(jìn)入相應(yīng)的等待事件隊(duì)列中，

進(jìn)程轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)；當(dāng)正在執(zhí)行的進(jìn)程完成了任

務(wù)或者得到特定的信號(hào)而退出，轉(zhuǎn)入僵死狀態(tài)。這

兩種進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換完成后，進(jìn)程主動(dòng)放棄CPU資

源，調(diào)用調(diào)度函數(shù)，選擇新的進(jìn)程來使用CPU。這

種情況下，及時(shí)的調(diào)度在一定程度上可以提高CPU

資源的利用率。

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(3)對(duì)于分時(shí)系統(tǒng)，每個(gè)進(jìn)程執(zhí)行完一定的時(shí)間片之

后，就必須交出CPU資源，這時(shí)，也要發(fā)生調(diào)度，

這樣的方案可以保證一定的公平性。

(4)我們知道，Linux系統(tǒng)提供了兩級(jí)保護(hù)，用戶進(jìn)程

可以在用戶態(tài)和核心態(tài)這兩種處于不同保護(hù)模式的

情況下運(yùn)行，具有不同的特權(quán)級(jí)別，可以訪問的地

址空間不同。用戶進(jìn)程可以在這兩種模式之間進(jìn)行

切換，用戶態(tài)通過中斷或函數(shù)調(diào)用就可以轉(zhuǎn)入核心

態(tài)，其中中斷是應(yīng)進(jìn)程外部發(fā)來的信息的要求而轉(zhuǎn)

入核心態(tài)，函數(shù)調(diào)用則是進(jìn)程內(nèi)部要求轉(zhuǎn)入核心

態(tài)。而從核心態(tài)切換到用戶態(tài)，則需要一定的硬件

支持。當(dāng)進(jìn)程從核心態(tài)返回到用戶態(tài)時(shí)，將會(huì)調(diào)用

調(diào)度函數(shù)，發(fā)生調(diào)度。

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從本質(zhì)上來看，這些情況可以歸結(jié)為兩類時(shí)機(jī)，一是

進(jìn)程本身自動(dòng)放棄處理機(jī)發(fā)生調(diào)度，這包括進(jìn)程轉(zhuǎn)

換到等待和僵死狀態(tài)，這類調(diào)度是用戶進(jìn)程可以預(yù)

測(cè)的；二是由核心態(tài)轉(zhuǎn)入用戶態(tài)時(shí)發(fā)生調(diào)度，這類

調(diào)度發(fā)生最為頻繁。系統(tǒng)調(diào)用完成和內(nèi)核處理完中

斷之后系統(tǒng)是由核心態(tài)轉(zhuǎn)入用戶態(tài)，時(shí)間片用完本

身也是系統(tǒng)發(fā)送的時(shí)鐘中斷，本質(zhì)上也是一種中

斷，而可運(yùn)行隊(duì)列加入新的進(jìn)程的工作只能由內(nèi)核

操作完成，無疑是發(fā)生于內(nèi)核態(tài)。

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4.3.4進(jìn)程調(diào)度算法

操作系統(tǒng)所采用的進(jìn)程調(diào)度算法取決于系統(tǒng)最初的設(shè)

計(jì)目標(biāo)，它決定了系統(tǒng)對(duì)資源，特別是CPU資源的

分配策略，直接決定著系統(tǒng)的特性。Linux系統(tǒng)采

用相當(dāng)簡(jiǎn)單但效率很高的調(diào)度算法，具有很好的響

應(yīng)特性，它提供了三種調(diào)度算法：POSIX操作系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用于實(shí)時(shí)進(jìn)程的先進(jìn)先出算法

(FIFO,FirstInFirstOut)和輪轉(zhuǎn)算法(RR,

RoundRobin),用于普通進(jìn)程的可搶占式動(dòng)態(tài)優(yōu)

先級(jí)算法(PreemptiveScheduling)。

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Linux先進(jìn)先出調(diào)度算法按照實(shí)時(shí)進(jìn)程進(jìn)入可運(yùn)行隊(duì)

列的先后順序，依次把每一個(gè)進(jìn)程投入執(zhí)行，只有

前面的進(jìn)程執(zhí)行完成或者自動(dòng)放棄CPU（比如進(jìn)入

等待狀態(tài)），下一個(gè)進(jìn)程才可以執(zhí)行。這樣的算法

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在一般意義下也還算公平合理，但是，

如果一個(gè)執(zhí)行很短的進(jìn)程不小心排在一個(gè)執(zhí)行時(shí)間

很長的進(jìn)程之后，那就可能要花費(fèi)比執(zhí)行時(shí)間長很

多倍的時(shí)間來等待，顯然是不可接受的。Linux系

統(tǒng)的先進(jìn)先出算法同時(shí)也考慮了進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，具

有相同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程采用FIFO算法，如果有更高

的優(yōu)先級(jí)出現(xiàn)，調(diào)度函數(shù)就要選擇具有高優(yōu)先級(jí)的

進(jìn)程使用處理機(jī)，在新進(jìn)程被加入到可運(yùn)行隊(duì)列之

后出現(xiàn)的調(diào)度時(shí)機(jī)實(shí)際就可以解決這種問題。

害小匕一;ifdp已行力十

/司-L人一廠UJ必丁一熱咖（0對(duì)!稱邕境電則!腳融題到2

Linux輪轉(zhuǎn)算法的基本原理是給每一個(gè)進(jìn)入可運(yùn)行隊(duì)

列的實(shí)時(shí)進(jìn)程分配固定大小的CPU處理時(shí)間（稱為

時(shí)間片），按照它們?cè)陉?duì)列中的順序依次開始執(zhí)

行，如果一個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片用完之后還沒有完成要

求的任務(wù)，它必須交出CPU的使用權(quán)并且重新排到

可運(yùn)行隊(duì)列的尾部，等待下一次調(diào)度，原來排在它

后面的進(jìn)程投入執(zhí)行。這樣的算法，可以保證每個(gè)

進(jìn)程就緒之后的等待時(shí)間和占用CPU的時(shí)間成比

例，更加公平。Linux系統(tǒng)使用的RR算法也考慮了

進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，具有相同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程采用RR算

法，而具有更高優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)進(jìn)程擁有首先使用

CPU的權(quán)利。這樣的方案，可以保證具有高優(yōu)先級(jí)

的緊迫型實(shí)時(shí)進(jìn)程很快得到響應(yīng)。

從上面的描述可以看到，Linux提供的實(shí)際是軟件實(shí)

時(shí)。

Linux系統(tǒng)中，非實(shí)時(shí)進(jìn)程的調(diào)度采用搶占式動(dòng)態(tài)優(yōu)

先級(jí)算法。每個(gè)進(jìn)程擁有不變的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)和可變

的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，調(diào)度函數(shù)根據(jù)各進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來確

定權(quán)值，擁有最大權(quán)值的進(jìn)程被選中執(zhí)行，如果多

個(gè)進(jìn)程具有相同權(quán)值，則選取排在可運(yùn)行隊(duì)列最前

面的那一個(gè)。每一個(gè)進(jìn)程都分配一定的時(shí)間片，時(shí)

間片使用完之后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入調(diào)度函數(shù)，等所有非實(shí)

時(shí)進(jìn)程的時(shí)間片都使用完之后，再按照各自的優(yōu)先

級(jí)給每個(gè)進(jìn)程重新分配時(shí)間片。

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時(shí)間片是系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)，它的大小直接

影響系統(tǒng)的性能。1386系統(tǒng)采用段頁式存儲(chǔ)管理，

進(jìn)程的切換效率比較低，針對(duì)這種情況，Linux時(shí)

間片默認(rèn)值為200ms,用戶可以針對(duì)不同的進(jìn)程設(shè)

置時(shí)間片的值。

事實(shí)上，Linux系統(tǒng)中并沒有根據(jù)進(jìn)程的調(diào)度策略分

別管理進(jìn)程，而是把所有可運(yùn)行進(jìn)程都集中于同一

個(gè)隊(duì)列中，三種調(diào)度算法在實(shí)現(xiàn)過程中合為一種，

使用同一段程序。下一節(jié)，我們就來探討Linux進(jìn)

程調(diào)度的具體過程。

4.3.5進(jìn)程調(diào)度過程

Linux系統(tǒng)的調(diào)度過程簡(jiǎn)潔而高效。整個(gè)調(diào)度過程大

概可以分為五個(gè)部分。首先檢測(cè)中斷，如果有中斷

運(yùn)行時(shí)，調(diào)度過程到此為止，直接退出，如果沒有

中斷運(yùn)行，關(guān)中斷，在調(diào)度的過程中將不再允許中

斷。其次處理系統(tǒng)的內(nèi)核例程。然后對(duì)當(dāng)前進(jìn)程做

相關(guān)處理：如果當(dāng)前進(jìn)程是時(shí)間片用完的進(jìn)程按照

輪轉(zhuǎn)法調(diào)度，系統(tǒng)重新賦予時(shí)間片并把它移到隊(duì)列

的尾部；如果進(jìn)程因?yàn)榈却硞€(gè)事件而轉(zhuǎn)入等待狀

態(tài)引起調(diào)度，調(diào)度過程中發(fā)現(xiàn)事件已經(jīng)發(fā)生，進(jìn)程

仍然轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)；如果進(jìn)程處于其他非可運(yùn)行態(tài)

的話，就要從可運(yùn)行隊(duì)列中刪除。這些都是為開始

調(diào)度而進(jìn)行的準(zhǔn)備工作。

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接著調(diào)度函數(shù)遍歷整個(gè)可運(yùn)行隊(duì)列，從中找到最值得

運(yùn)行的進(jìn)程，該進(jìn)程的權(quán)值(goodness)最大。如

果該進(jìn)程不是當(dāng)前進(jìn)程，系統(tǒng)需要進(jìn)行進(jìn)程上下文

切換，如果正好就是當(dāng)前進(jìn)程，這一部分就可以跳

過去。最后打開中斷，選中的進(jìn)程開始執(zhí)行。

整個(gè)調(diào)度過程的核心就是如何計(jì)算一個(gè)進(jìn)程的權(quán)值。

在Linux系統(tǒng)中，決定進(jìn)程權(quán)值的相關(guān)參數(shù)有四

個(gè)，它們都記錄在進(jìn)程控制塊中：

(1)policy,策略，一個(gè)給定進(jìn)程采用的調(diào)度算法稱為

該進(jìn)程的調(diào)度策略。進(jìn)程的調(diào)度策略是從父進(jìn)程那

里繼承來的，但是也可以通過特定系統(tǒng)調(diào)用來改

變。

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(2)priority,優(yōu)先級(jí)，確切地講是靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。記載

了進(jìn)程最多可以擁有的時(shí)間片，從父進(jìn)程那里繼承

過來，只能由用戶通過系統(tǒng)調(diào)用來修改。

(3)counter,計(jì)數(shù)器，它實(shí)際上是進(jìn)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)先

級(jí)。它表示進(jìn)程在當(dāng)前時(shí)間片中剩余的時(shí)間量。它

的初值等于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，在進(jìn)程執(zhí)行期間，隨時(shí)間

不斷減少，當(dāng)它小于或等于0時(shí)，表明進(jìn)程的時(shí)間

片用完，重新設(shè)置為0,并引起調(diào)度。

(4)rt-priority,實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)。實(shí)時(shí)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，標(biāo)

志實(shí)時(shí)進(jìn)程優(yōu)先權(quán)的高低。取值范圍為0?99,取0

時(shí)表示不是實(shí)時(shí)進(jìn)程。

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系統(tǒng)在進(jìn)行調(diào)度時(shí)，首先確定該進(jìn)程的調(diào)度策略，依

據(jù)就是policy的值，然后根據(jù)不同的策略，選用適

當(dāng)?shù)乃惴ň唧w計(jì)算相應(yīng)的權(quán)值，權(quán)值是衡量一個(gè)進(jìn)

程是否執(zhí)行的惟一標(biāo)準(zhǔn)。

衡量實(shí)時(shí)進(jìn)程執(zhí)行的依據(jù)就是實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)。具體的計(jì)

算公式為：

goodness=1000+rt-priority(4.1)

對(duì)于采用實(shí)時(shí)FIFO策略的進(jìn)程，具有高實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)

的進(jìn)程將一直執(zhí)行，直到進(jìn)入僵死狀態(tài)、進(jìn)入等待

狀態(tài)或者是被具有更高實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程奪去處理

機(jī)。采用實(shí)時(shí)RR策略的進(jìn)程，時(shí)間片用完之后，

將被放到可運(yùn)行隊(duì)列的尾部，等待下一次調(diào)度，處

理機(jī)由下一個(gè)具有相同實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程使用。

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普通進(jìn)程的調(diào)度策略標(biāo)記為SCHED-OTHER,采用

搶占式動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略。選擇執(zhí)行的依據(jù)是進(jìn)

程的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。進(jìn)程創(chuàng)建之初，動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)和靜

態(tài)優(yōu)先級(jí)具有相同的值，隨著進(jìn)程的執(zhí)行，動(dòng)態(tài)優(yōu)

先級(jí)慢慢減小，如果一個(gè)普通進(jìn)程時(shí)間片用完的

話，它的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)就是0,而且要等到其他所有

進(jìn)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)為0時(shí)才用靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的值來初

始化。這種情況下所有普通進(jìn)程權(quán)值的計(jì)算公式都

是：

goodness=counter+priority(4.2)

因此，在調(diào)度中，用完時(shí)間片的普通進(jìn)程被選中的可

能性很小，這就給其他進(jìn)程，特別是新建進(jìn)程使用

處理機(jī)的機(jī)會(huì)。

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如果進(jìn)入調(diào)度后，當(dāng)前普通進(jìn)程的時(shí)間片沒有用完，

而且仍然位于可運(yùn)行隊(duì)列中時(shí)，當(dāng)前進(jìn)程的權(quán)值采

用公式（4.3）計(jì)算，除了當(dāng)前進(jìn)程之外的所有普

通進(jìn)程仍采用公式（4.2）計(jì)算權(quán)值。

goodness=counter+priority+l（4.3）

這樣，適當(dāng)增大當(dāng)前進(jìn)程的權(quán)值，以增加繼續(xù)使用處

理機(jī)的可能，可以避免過分頻繁的進(jìn)程切換。

新的普通進(jìn)程進(jìn)入可運(yùn)行隊(duì)列后，插入到隊(duì)列尾部，

將引起調(diào)度，在都使用相同靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的情況下，

新進(jìn)程的權(quán)值很大，因此，如果沒有實(shí)時(shí)進(jìn)程和其

他一直未執(zhí)行過的就緒進(jìn)程，新建進(jìn)程投入執(zhí)行的

可能性相當(dāng)大?？梢?，Linux系統(tǒng)所采用的這種調(diào)

度算法優(yōu)先保證交互性，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間比較短。

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實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程相比，總是具有更高的優(yōu)先級(jí)。

因此，如果可運(yùn)行隊(duì)列中同時(shí)存在實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通

進(jìn)程，實(shí)時(shí)進(jìn)程總是可以先使用處理機(jī)。

權(quán)值是Linux系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度過程中選擇進(jìn)程的惟一標(biāo)

準(zhǔn)，程序?qū)崿F(xiàn)非常簡(jiǎn)單，參看kernel/sched.c。

在討論進(jìn)程調(diào)度過程的時(shí)候，我們始終認(rèn)為計(jì)算機(jī)只

有一個(gè)處理機(jī)，實(shí)際上，Linux系統(tǒng)很早就開始支

持對(duì)稱多處理器，這種情況下的調(diào)度不在本書的討

論范圍之內(nèi)，有興趣的讀者可以參看源代碼和本書

的相關(guān)參考文獻(xiàn)。

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UNIVERSITYPRESS

4.4小結(jié)

調(diào)度主要解決處理機(jī)資源的分配問題，系統(tǒng)的調(diào)度是

分層次的，因此也稱為分級(jí)調(diào)度，按照調(diào)度發(fā)生的

頻率分為作業(yè)調(diào)度、交換調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度和線程調(diào)

度，分別由不同的調(diào)度程序來完成。

Linux系統(tǒng)采用兩級(jí)調(diào)度，用戶作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，直接

參與交換調(diào)度，進(jìn)程和線程采用同樣的表示和管理

方式，也使用同樣的調(diào)度函數(shù)。

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Linux系統(tǒng)采用請(qǐng)求頁式內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理方法，根據(jù)進(jìn)

程執(zhí)行的實(shí)際需要分配內(nèi)存頁面并換入內(nèi)容，同時(shí)

使用內(nèi)核交換進(jìn)程kswapd按照記齡（aging）置換

算法來實(shí)現(xiàn)頁面淘汰功能，內(nèi)核交換進(jìn)程周期性地

執(zhí)行，通過縮減pagecachedbuffercache＞換出

SYSTEMV共享內(nèi)存占用的頁面、換出或者丟棄

其他進(jìn)程占用的頁面等三種途徑縮減已使用的內(nèi)存

頁面，保證系統(tǒng)中總是有足夠的空閑頁面，保持整

個(gè)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)高效地運(yùn)行。

害小匕一二學(xué)dp

/R-L人一廠UJ必丁一惻颯3踞加購呢^例■

調(diào)度函數(shù)管理系統(tǒng)的可運(yùn)行隊(duì)列，該隊(duì)列中包括正在

執(zhí)行的進(jìn)程和所有就緒進(jìn)程，在實(shí)際調(diào)度中，調(diào)度

函數(shù)查詢每個(gè)進(jìn)程PCB中相關(guān)信息，按照一定的算

法，在可運(yùn)行隊(duì)列選擇合適進(jìn)程，進(jìn)行進(jìn)程上下文

切換，使得選中的進(jìn)程順利執(zhí)行。Linux系統(tǒng)提供

了三種調(diào)度算法：POSIX操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用于

實(shí)時(shí)進(jìn)程的先進(jìn)先出算法FIFO、輪轉(zhuǎn)算法RR及用

于普通進(jìn)程的可搶占式動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法。Linux系

統(tǒng)用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)實(shí)現(xiàn)了這三種進(jìn)程調(diào)度算法，

它雖然不十分完美，但高效，確實(shí)可以適用于大多

數(shù)情況。

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習(xí)題

4-1什么是分級(jí)調(diào)度？描述Linux系統(tǒng)的分級(jí)調(diào)度情

況。

4-2什么是交換調(diào)度？其主要功能有哪些？Linux的

交換調(diào)度有什么特點(diǎn)？

4-3交換空間是什么？交換區(qū)和交換文件有什么區(qū)

另1J?如果安裝一個(gè)用于WWW服務(wù)的Linux系統(tǒng)，你

認(rèn)為交換空間應(yīng)該怎么設(shè)置？為什么？

4-4進(jìn)程調(diào)度的功能是什么？Linux的進(jìn)程調(diào)度發(fā)生

在什么情況下？

4?5Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度與普通調(diào)度有何區(qū)別？實(shí)

時(shí)FIFO和實(shí)時(shí)RR調(diào)度算法有何區(qū)別？分別如何實(shí)

現(xiàn)？

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4-6Linux在調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)過程中如何保證系統(tǒng)具有

良好的交互性？與此同時(shí)，它犧牲了哪些方面的性

能？

4-7如果你是系統(tǒng)的root用戶，你將采取什么措施保

證你的進(jìn)程能比別的用戶具有更高的或更低的優(yōu)先

權(quán)？如果你是普通用戶，將采取什么措施？實(shí)際操

作，能夠達(dá)到目的嗎？

4-8訪問Linux核心代碼站點(diǎn)http:〃,

了解Linux核心中調(diào)度函數(shù)的最新進(jìn)展及新增特

點(diǎn)。

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SITYPRESS

第5章設(shè)備

5.1設(shè)備介紹

5.2數(shù)據(jù)傳輸

5.3I/O軟件原理

5.4小結(jié)

習(xí)題

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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有的軟硬件都是由操作系統(tǒng)控制和管

理的，其中除了CPU和內(nèi)存之外的幾乎所有硬件通

常統(tǒng)稱為外部設(shè)備。操作系統(tǒng)中設(shè)備管理的任務(wù)是

負(fù)責(zé)控制并操縱所有的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同外部設(shè)備之

間、外部設(shè)備和內(nèi)存以及CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸，使

它們協(xié)同工作，在獲得最佳效率、提供良好服務(wù)的

同時(shí)，盡可能地提供統(tǒng)一的用戶命令和函數(shù)調(diào)用接

口，對(duì)用戶屏蔽不同設(shè)備之間的差異。

在Linux等操作系統(tǒng)中，所有的設(shè)備統(tǒng)一當(dāng)作文件來

處理，稱為設(shè)備文件，和其他文件一樣，這種文件

可以使用處理文件的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用打開、關(guān)閉和讀

寫。

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操作系統(tǒng)設(shè)備管理部分通常也采用分層結(jié)構(gòu)，底層是

設(shè)備相關(guān)部分，直接和相應(yīng)的設(shè)備打交道，負(fù)責(zé)設(shè)

備的具體控制，并向上層提供一致的訪問接口，通

常稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。上層通常是和設(shè)備無關(guān)的，

這個(gè)部分接受來自上層的具體訪問請(qǐng)求，并根據(jù)實(shí)

際情況把這些訪問請(qǐng)求轉(zhuǎn)向具體的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接

口，和設(shè)備進(jìn)行通信，接受驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行結(jié)果。

本章簡(jiǎn)要介紹設(shè)備管理中數(shù)據(jù)傳輸控制的基本原理，

并以此為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)設(shè)備分配概念及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程

序。

/害司小-匕L一人七一學(xué)廠dJp必已后丁-＞十-翹星則儂質(zhì)燦題呢￡^陟《

5.1設(shè)備介紹

操作系統(tǒng)中用于設(shè)備管理的內(nèi)核代碼在整個(gè)內(nèi)核中是

數(shù)量最多的部分。外部設(shè)備給用戶提供進(jìn)行計(jì)算機(jī)

基本操作以及完成各種特定功能的接口，用戶需要

交給計(jì)算機(jī)處理的所有數(shù)據(jù)都必須通過特定的外部

設(shè)備來傳輸?shù)絻?nèi)存和CPU。

設(shè)備可以被簡(jiǎn)單地看作是由機(jī)械部分和電子部分組

成。在微機(jī)系統(tǒng)中，控制器一般都有自己的控制和

狀態(tài)寄存器，獨(dú)立于系統(tǒng)的內(nèi)存空間，所有設(shè)備的

寄存器組成計(jì)算機(jī)的輸入/輸出空間（稱為I/O空

間），操作系統(tǒng)通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序訪問I/O空間，

管理設(shè)備控制器，由控制器具體操縱設(shè)備完成預(yù)定

的任務(wù)。

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5.1.1設(shè)備分類

外部設(shè)備可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。從普通用戶

的角度，按照設(shè)備的使用特性來劃分，普通微機(jī)的

外部設(shè)備壬要包括存儲(chǔ)設(shè)備和輸入輸出設(shè)備。

從操作系統(tǒng)管理的角度來看，按照設(shè)備傳輸信息的組

織形式，外部設(shè)備可以劃分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這也是Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備管理過

程中的劃分方式。

Linux系統(tǒng)中，每一個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)于一個(gè)設(shè)備文件，具

有獨(dú)立的設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)描述相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程

序，從設(shè)備號(hào)用來區(qū)分同一驅(qū)動(dòng)程序控制下的不同

設(shè)備實(shí)例。

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5.1.2設(shè)備實(shí)例—磁盤

磁盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最常見的存儲(chǔ)設(shè)備，IDE磁盤是

現(xiàn)在PC上使用最廣泛的硬盤類型，每個(gè)IDE控制卡

支持兩個(gè)獨(dú)立的盤（可以是硬盤、光驅(qū)等），每個(gè)

盤在Linux里表現(xiàn)為獨(dú)立的塊設(shè)備。

操作系統(tǒng)本身以及大量的用戶數(shù)據(jù)都存放在磁盤中，

同時(shí)，Linux系統(tǒng)還使用一部分磁盤空間作為內(nèi)存

交換空間，實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存管理。所有實(shí)際的磁盤都

由多層盤片組成，磁盤的物理結(jié)構(gòu)示意圖參看圖

5.1o磁盤的扇區(qū)個(gè)數(shù)、磁頭個(gè)數(shù)和柱面?zhèn)€數(shù)三個(gè)

數(shù)據(jù)稱為磁盤的基本幾何參數(shù)。如果知道每個(gè)扇區(qū)

的具體容量（單位扇區(qū)容量），整個(gè)磁盤的容量就

是這三個(gè)幾何參數(shù)和單位扇區(qū)容量的乘積。

1GUNiy￡HS.lTYPRESS、

柱面

圖5.1磁盤設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

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磁盤數(shù)據(jù)的讀寫需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間具體由三

個(gè)部分組成，一是磁頭跨越磁道徑向移動(dòng)到要讀寫

道的時(shí)間，一般稱為尋道時(shí)間；二是要讀寫磁道等

待數(shù)據(jù)移動(dòng)到磁頭位置的時(shí)間，稱為旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)

間；三是具體讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)間，稱為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)

間。

在實(shí)際的使用過程中，通常把整個(gè)磁盤劃分為小的管

理單元，稱為磁盤分區(qū)(partition)。在Linux系統(tǒng)

中，每一個(gè)磁盤分區(qū)都可以安裝一個(gè)獨(dú)立的文件系

統(tǒng)，具有獨(dú)立的設(shè)備號(hào)，主設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)著磁盤本

身，從設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)于該磁盤上具體的分區(qū)，同時(shí)，

系統(tǒng)還使用惟一的設(shè)備文件去表示磁盤分區(qū)，比如

設(shè)備文件/dev/hda5,hda表示該磁盤的IDE接口上的

第1個(gè)磁盤(依此類推，hdb、hdc表示該接口上第

2、

春華大學(xué)出版社.

第3個(gè)磁盤等等），對(duì)應(yīng)于主設(shè)備號(hào)，5是它的從設(shè)

備號(hào)。

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5.2數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)在外部設(shè)備與處理機(jī)、內(nèi)存之間的傳輸控制，是

操作系統(tǒng)設(shè)備管理的主要功能，從設(shè)備到內(nèi)存和處

理機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸稱為輸入（input）,從內(nèi)存和處

理機(jī)到設(shè)備的傳輸稱為輸出（output）,因此數(shù)據(jù)

傳輸也通常稱為數(shù)據(jù)I/O。一般的PC中，CPU、內(nèi)

存通過系統(tǒng)總線連接在一起，總線定義了所有設(shè)備

之間通信的協(xié)議，各種設(shè)備都直接或者間接地連接

在總線上，設(shè)備和處理機(jī)以及內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸

必須通過總線來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸控制要求能夠?qū)崿F(xiàn)

數(shù)據(jù)在外部設(shè)備和內(nèi)存、CPU之間快速、可靠的傳

送，充分發(fā)揮設(shè)備資源的能力，同時(shí)使用盡可能少

的系統(tǒng)開銷。

5.2.1數(shù)據(jù)傳輸控制方式

PC機(jī)中常用的數(shù)據(jù)傳輸控制方式包括程序直接控

制、中斷和內(nèi)存直接訪問三種。

1.程序直接控制

程序直接控制方式就是由用戶進(jìn)程來直接控制內(nèi)存，

或者CPU和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。用戶進(jìn)程是

數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂普撸谶M(jìn)程執(zhí)行過程中需要傳輸數(shù)

據(jù)時(shí)，通過CPU啟動(dòng)外部設(shè)備，繼續(xù)占用處理機(jī)，

進(jìn)入查詢測(cè)試等待。該進(jìn)程不停地查詢?cè)O(shè)備是否準(zhǔn)

備好，一旦數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，完成數(shù)據(jù)傳輸，繼續(xù)下面

的執(zhí)行。

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在整個(gè)傳輸過程中，用戶進(jìn)程一直占用CPU,而

CPU所做的大量工作是查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)，因此這種

傳輸方式也稱為查詢測(cè)試方式。如果采用這種方式

來傳輸大量的數(shù)據(jù)，由于外部設(shè)備的速度比CPU要

慢很多，因此大量的時(shí)間浪費(fèi)在查詢上，設(shè)備的利

用率可以得到一定程度的保證，但是CPU資源卻得

不到有效的利用。

2.中斷方式

針對(duì)程序直接傳輸浪費(fèi)CPU資源的缺陷，引入了中

斷(interrupt)技術(shù)。中斷方式要求CPU和外部設(shè)

備之間有相應(yīng)的中斷請(qǐng)求線，外部設(shè)備可以通過中

斷請(qǐng)求線打斷CPU正在進(jìn)行的工作，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的操

作。

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中斷方式下，當(dāng)用戶進(jìn)程執(zhí)行過程中需要數(shù)據(jù)傳輸

時(shí)，通過CPU啟動(dòng)外部設(shè)備，自己放棄處理機(jī)資

源，進(jìn)入等待狀態(tài)，外部設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

工作，而CPU可以經(jīng)過調(diào)度被其他進(jìn)程所使用。直

到外部數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后，設(shè)備通過中斷請(qǐng)求線發(fā)

出中斷，發(fā)生調(diào)度，CPU轉(zhuǎn)入中斷處理程序，進(jìn)行

相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作，而等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)程被喚醒轉(zhuǎn)

入就緒狀態(tài)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候占有處理機(jī)，并得到數(shù)

據(jù)繼續(xù)執(zhí)行。

利用中斷方式，在用戶進(jìn)程等待設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)到發(fā)出

中斷這一段時(shí)間內(nèi)，CPU可以執(zhí)行其他進(jìn)程，提高

了處理機(jī)和外部設(shè)備的并行程度，一定程度上解決

了處理機(jī)資源浪費(fèi)的問題。但是，如果設(shè)備每

害小匕一;i學(xué)+

/刁一,一廠j必丁一

一次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸都只能準(zhǔn)備少量的數(shù)據(jù)的話，系

統(tǒng)的效率也得不到有效的提高。每次只傳輸少量數(shù)

據(jù)，每次都要發(fā)生中斷，需要進(jìn)行多次進(jìn)程調(diào)度和

進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)切換，就要耗費(fèi)大量的CPU資源。同時(shí)，

如果有多個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)

系統(tǒng)中的中斷次數(shù)會(huì)急劇增加，造成CPU無法及時(shí)

響應(yīng)中斷，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。因此，必須采取

一定的措施保證設(shè)備在一次中斷發(fā)生之前進(jìn)行相當(dāng)

規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸。

3.直接內(nèi)存訪問

直接內(nèi)存訪問(DirectMemoryAccess,DMA)可

以用來解決中斷方式的上述問題，它在外部設(shè)備和

內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)通道，設(shè)備控制器具有。

清華大學(xué)出版社

更強(qiáng)的功能，可以竊取CPU的一個(gè)工作周期，不需

要CPU的參與直接把數(shù)據(jù)放入到內(nèi)存中指定的位

置。

DMA方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，正在執(zhí)行的用戶進(jìn)程通過CPU

發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，同時(shí)把數(shù)據(jù)存放地址和數(shù)據(jù)量

這些主要參數(shù)通知DMA控制器，用戶進(jìn)程轉(zhuǎn)入等待

狀態(tài)，CPU可以執(zhí)行其他進(jìn)程，外部設(shè)備不斷地竊

取CPU的工作周期，把準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)不斷地寫入內(nèi)

存相應(yīng)的位置，直到所要求的數(shù)量全部完成或者發(fā)

生錯(cuò)誤，才通過中斷線通知CPU進(jìn)行相應(yīng)的中斷處

理，這時(shí)需要數(shù)據(jù)的用戶進(jìn)程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，在適

當(dāng)?shù)臅r(shí)間占用CPU繼續(xù)執(zhí)行。在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程

中，DMA控制器只是獲取CPU的工作周期，并不要

求它做額外的處理，只是到全部數(shù)據(jù)傳輸完成

害小匕一二學(xué)dp

/R-L人一廠UJ必丁一惻颯3踞加購呢^例■

或者出現(xiàn)錯(cuò)誤才發(fā)生中斷，這樣就可以保證使用盡

可能少的中斷來完成盡可能多的數(shù)據(jù)傳輸。

在前兩種數(shù)據(jù)傳輸控制方式中，數(shù)據(jù)傳輸都是圍繞

CPU開展的，CPU得知設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)之后，直接

控制數(shù)據(jù)的傳輸，把它們放到內(nèi)存中適當(dāng)?shù)奈恢茫?/p>

由用戶進(jìn)程使用，二者的差別是CPU獲得設(shè)備狀態(tài)

的方式不同，前者靠不斷地查詢，后者是靠設(shè)備發(fā)

送中斷請(qǐng)求。而在DMA方式中，數(shù)據(jù)交換是圍繞

內(nèi)存進(jìn)行的，外部設(shè)備和內(nèi)存之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳

輸，數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要CPU的干預(yù)，只有數(shù)據(jù)

傳輸完成之后才通知CPU。

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5.2.2數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)

從上面的介紹可以看到，中斷技術(shù)在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過

程中占有相當(dāng)重要的地位，它是提高外部設(shè)備和

CPU的并行程度、改善系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵。另外

一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是緩沖，利用這樣的技術(shù)，可以大大

地減少外部設(shè)備的訪問次數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的

提高。

1.中斷

中斷是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常

的或非預(yù)期的急需處理事件，使得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)

前正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程

序，待處理完畢后又返回原來被中斷處，繼續(xù)執(zhí)行

或者調(diào)度新的進(jìn)程執(zhí)行的過程。引起中斷發(fā)生的

高華十字出版社

事件稱為中斷源，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，外部設(shè)備數(shù)據(jù)

傳輸過程中發(fā)生的中斷屬于I/O中斷，是中斷源中

的一大類，其他中斷源有周期性的時(shí)鐘中斷、電源

掉電產(chǎn)生的中斷等等。中斷源向CPU發(fā)出的請(qǐng)求中

斷處理信號(hào)稱為中斷請(qǐng)求，而CPU收到中斷請(qǐng)求后

轉(zhuǎn)入相應(yīng)的事件處理程序稱為中斷響應(yīng)。

按照中斷源產(chǎn)生的位置，中斷分為內(nèi)中斷和外中斷。

內(nèi)中斷由處理機(jī)和內(nèi)存內(nèi)部產(chǎn)生，通常也稱為陷

阱，它包括程序運(yùn)算引起的各種錯(cuò)誤和分時(shí)系統(tǒng)中

的時(shí)間片中斷等等。外中斷由處理機(jī)和內(nèi)存之外的

設(shè)備發(fā)出，包括上面講到的I/O中斷和時(shí)鐘、電源

中斷等等。

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并不是所有中斷請(qǐng)求都會(huì)得到及時(shí)的響應(yīng)。很多情況

下，比如系統(tǒng)正在進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度或者內(nèi)存調(diào)度操

作，為了保證操作的封閉性，這時(shí)不允許CPU響應(yīng)

中斷，這種情況稱為禁止中斷或者關(guān)中斷。CPU禁

止中斷，完成必要的操作之后必須通過硬件重新設(shè)

置才能夠接收中斷，這個(gè)過程稱為開中斷。

關(guān)中斷之后，CPU不接受任何中斷請(qǐng)求。另外一種

情況是CPU可以有選擇地響應(yīng)某些中斷，稱為中斷

屏蔽。中斷屏蔽是指中斷請(qǐng)求產(chǎn)生之后，系統(tǒng)用軟

件方式有選擇地封鎖部分中斷，而允許其余部分中

斷仍然能夠得到響應(yīng)。

并不是所有中斷請(qǐng)求都具有平等地得到響應(yīng)的權(quán)利，

根據(jù)中斷源的緊急程度，操作系統(tǒng)對(duì)不同的中斷請(qǐng)

害小匕一上學(xué)dp已行力十

/司-L人一廠J川，?丁一就第3W”跳加財(cái)呢^枷■

求賦予不同的優(yōu)先級(jí)。如果兩個(gè)中斷請(qǐng)求同時(shí)發(fā)

生，優(yōu)先級(jí)高的中斷有權(quán)在優(yōu)先級(jí)低的中斷之前得

到響應(yīng)。各種中斷源的優(yōu)先級(jí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置完

成。

而CPU收到中斷請(qǐng)求后，首先要進(jìn)行進(jìn)程切換，原

來正在執(zhí)行的進(jìn)程放棄處理機(jī)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)完成之

后，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的事件處理程序，進(jìn)行中斷處理。

一臺(tái)PC機(jī)中斷號(hào)的個(gè)數(shù)是有限的，在Linux系統(tǒng)中，

中斷號(hào)當(dāng)前使用情況記錄在文件/proc/interrupts

中。如果安裝了很多設(shè)備，大家就必須采取一定的

措施來共享有限的中斷號(hào)資源，稱為中斷共享，實(shí)

現(xiàn)中斷共享需要設(shè)備和中斷處理程序兩個(gè)方面的支

持，一方面CPU能夠通過詢問設(shè)備而知道該設(shè)備是

否產(chǎn)生過中斷，另一方面中斷處理程序能夠向前傳

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2.緩沖

緩沖是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中為了解決外部設(shè)備和CPU之間

處理速度的匹配問題，減少外部設(shè)備中斷請(qǐng)求次數(shù)

而設(shè)置的暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的區(qū)域。

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸控制方式，可以有兩種實(shí)現(xiàn)方式。一是

采用硬件緩沖器，在外部設(shè)備中設(shè)置緩沖，外部設(shè)

備每次傳輸數(shù)據(jù)之前，可以利用緩沖器準(zhǔn)備更多的

數(shù)據(jù)，提高每一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減少傳輸?shù)拇?/p>

數(shù)?？梢韵胂螅绻硞€(gè)設(shè)備每次只準(zhǔn)備一個(gè)字

節(jié)，傳輸1KB數(shù)據(jù)需要發(fā)生一千多次中斷請(qǐng)求，即

便是DMA方式，也需要一千次獲取CPU工作周

期，每次傳輸都要獲取總線使用權(quán)，對(duì)其他進(jìn)程的

影響會(huì)是很大的。如果該設(shè)備設(shè)置1KB大小的緩沖

器，4MM

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以先把數(shù)據(jù)都準(zhǔn)備在緩沖中，然后只需要一次中

斷，一次性掌握CPU和總線就可以完成數(shù)據(jù)傳輸，

系統(tǒng)的效率可以得到明顯的改善。另一種方法是在

內(nèi)存中劃分專用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，所有的數(shù)據(jù)I/O都

要經(jīng)過這些緩沖區(qū)，每次發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸后并不清除

緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)，下一次訪問數(shù)據(jù)時(shí)首先在緩沖區(qū)中

查找，如果緩沖區(qū)中有，則不需要啟動(dòng)外部設(shè)備就

可以得到需要的數(shù)據(jù)，如果緩沖區(qū)中沒有需要的數(shù)

據(jù)，再啟動(dòng)設(shè)備。這樣，經(jīng)過一段時(shí)間的積累，經(jīng)

常訪問的數(shù)據(jù)基本都在緩沖區(qū)中，系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)備的

次數(shù)就大大降低，可以提高數(shù)據(jù)I/O的整體效率。

前一種實(shí)現(xiàn)方法主要是設(shè)備的硬件本身增加了緩沖

器，屬于硬件緩沖，后一種方法則主要由操作系統(tǒng)

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來實(shí)現(xiàn)，稱為軟緩存。在Linux系統(tǒng)中，I/O過程中

使用了多種緩沖區(qū)，其中最主要的是由文件系統(tǒng)來

管理，用來實(shí)現(xiàn)塊設(shè)備I/O的塊高速緩沖區(qū)，第6章

“文件系統(tǒng)”中，將結(jié)合塊高速緩沖區(qū)進(jìn)一步討論緩

沖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和管理。

5.3I/O軟件原理

I/O軟件是控制外部設(shè)備與內(nèi)存、處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交

換的所有軟件的通稱。其主要的任務(wù)是充分發(fā)揮各

種設(shè)備的作用，屏蔽各種設(shè)備的特殊性，在保證系

統(tǒng)具有較高的整體性的同時(shí)，盡可能向用戶提供一

個(gè)友好、清晰、規(guī)范和設(shè)備獨(dú)立的配置及使用界

面。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的I/O軟件也同樣具有層次結(jié)構(gòu)。

看華尢學(xué)出版社匐

mIUNVARSITYPHESR

5.3.1Linux系統(tǒng)I/O軟件層次結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)中I/O軟件大多數(shù)都可以看作是分層結(jié)構(gòu),

圖5.2給出了Linux系統(tǒng)I/O軟件層次結(jié)構(gòu)示意圖。

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——玉―，―工丫PRESS

用戶進(jìn)程.會(huì):起工/。過程，接受工/。結(jié)果

1/。請(qǐng)求OO1/O應(yīng)答

文設(shè)備命名、保護(hù)

件

緩沖管理

系

統(tǒng)設(shè)備分配

設(shè)備作動(dòng)程序

中斷處理程序

硬件設(shè)備

圖5.2Linux系統(tǒng)I/O軟件層次結(jié)構(gòu)示意圖

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在Linux系統(tǒng)中，I/O軟件和文件系統(tǒng)是緊密聯(lián)系的，

文件系統(tǒng)提供了用戶訪問設(shè)備、進(jìn)行數(shù)據(jù)I/O操作

的一致性接口，這個(gè)部分是設(shè)備獨(dú)立的，用戶可以

采用統(tǒng)一的方式訪問不同的設(shè)備，文件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)

了設(shè)備管理的設(shè)備無關(guān)性。

在Linux系統(tǒng)中設(shè)備都是按照文件的方式命名的，每

一個(gè)設(shè)備是一個(gè)特殊類型的文件，從用戶使用的角

度來看，對(duì)設(shè)備的訪問也等同于對(duì)文件的訪問，具

體的設(shè)備操作由文件系統(tǒng)根據(jù)情況映射到具體的設(shè)

備驅(qū)動(dòng)程序來完成。所有的設(shè)備都采用和文件相同

的訪問權(quán)限控制方法，這種訪問權(quán)限的控制和用戶

聯(lián)系在一起，有效地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的保護(hù)和設(shè)備數(shù)據(jù)

的保密。

害小匕一七歲dpL后力十

/R-l人一廠j必丁一以理3W殂踞物財(cái)呢

緩沖區(qū)管理和設(shè)備分配也是由文件系統(tǒng)完成的。這里

的緩沖區(qū)主要指內(nèi)存中開辟的軟緩沖區(qū)，它是關(guān)系

到整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于系統(tǒng)中的磁

盤等共享設(shè)備，可以在文件系統(tǒng)的管理下同時(shí)為多

個(gè)用戶服務(wù)，而對(duì)于打印機(jī)等獨(dú)占設(shè)備，則屬于臨

界資源，某一個(gè)特定時(shí)刻通常只能為一個(gè)用戶提供

服務(wù)，這兩種不同類型的設(shè)備必須分別采取不同的

分配方式。

處理和管理硬件控制器的軟件是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在

Linux系統(tǒng)中，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是內(nèi)核的一部

分，它們提供設(shè)備與系統(tǒng)引導(dǎo)程序的接口，可以在

啟動(dòng)過程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，還提供面向設(shè)備無

關(guān)部分的接口，接受上層設(shè)備無關(guān)軟件的I/O請(qǐng)

求，.=^一二—一______

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最后通過向下的設(shè)備控制器接口，采用查詢或者中斷

方式操縱設(shè)備控制器，來和具體設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳

輸。Linux系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通?？梢圆捎媚K

(modules)的方式來設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)引導(dǎo)完成之

后，可以動(dòng)態(tài)地加載或卸載，5.3.2節(jié)將介紹這方面

的知識(shí)。

除了少量使用查詢方式的設(shè)備之外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中大

多數(shù)設(shè)備都利用中斷來控制數(shù)據(jù)的傳輸。中斷發(fā)生

之后，CPU將保存現(xiàn)場(chǎng)并切換到中斷處理程序。一

般情況下，中斷處理過程中不允許再響應(yīng)其他中

斷，至少不能響應(yīng)具有相同、或者更低優(yōu)先級(jí)的中

斷，為了不影響其他中斷的正常響應(yīng)，中斷處理過

程必須要盡可能快地完成。

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實(shí)際上，要保證每一個(gè)中斷處理程序都很快執(zhí)行完是

不太現(xiàn)實(shí)的。Linux采用了一種特殊的方式來實(shí)現(xiàn)

中斷處理的快速完成，稱為底半（bottomhalf）處

理的技術(shù)。每一個(gè)中斷處理程序，實(shí)際上都可以劃

分為兩個(gè)部分--一個(gè)部分響應(yīng)中斷請(qǐng)求，傳輸相

關(guān)數(shù)據(jù)，通常只是中斷處理工作中很小的一部分；

另一個(gè)部分處理和發(fā)生中斷的設(shè)備相關(guān)的各種數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)，解決設(shè)備狀態(tài)信息和操作模式的轉(zhuǎn)換等各種

善后工作，這個(gè)部分通常要和設(shè)備進(jìn)行通信，需要

更多的時(shí)間。根據(jù)中斷處理程序的這種特點(diǎn)，

Linux系統(tǒng)中把一個(gè)中斷處理分隔為兩個(gè)部分：快

速的上半部分（tophalf,頂半）和慢速的下半部

分（bottomhalf,底半）。頂半只處理很少一部分

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工作，通常負(fù)責(zé)處理硬件發(fā)出的請(qǐng)求，解決數(shù)據(jù)傳

輸問題，必須快速執(zhí)行，盡可能保證在下一個(gè)中斷

產(chǎn)生之前完成。底半處理該設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和

設(shè)備狀態(tài)控制信息等比較費(fèi)時(shí)的工作，時(shí)間方面的

要求不很高，同時(shí)也允許響應(yīng)其他中斷請(qǐng)求。

因此，Linux中斷處理程序可以分為頂半和底半兩個(gè)

部分，中斷發(fā)生之后，中斷處理的頂半首先快速執(zhí)

行，處理完成之后就可以接受其他中斷，剩下的底

半部分放到一個(gè)特定的隊(duì)列中，由內(nèi)核提供的特殊

機(jī)制負(fù)責(zé)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)統(tǒng)一執(zhí)行。這樣，既可以保

證中斷處理程序的完整性，又可以快速響應(yīng)其他中

斷，保證系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)特性。

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當(dāng)一個(gè)用戶進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求之后（比如，在用戶進(jìn)程

中執(zhí)行了一個(gè)設(shè)備讀取的函數(shù)調(diào)用，這個(gè)I/O請(qǐng)求

直接發(fā)送給文件系統(tǒng)），文件系統(tǒng)根據(jù)函數(shù)調(diào)用參

數(shù)確定需要讀取的設(shè)備，先進(jìn)行設(shè)備訪問權(quán)限的檢

驗(yàn)，如果合法則繼續(xù)進(jìn)行，否則就返回錯(cuò)誤信息。

文件系統(tǒng)為這個(gè)讀取工作申請(qǐng)適當(dāng)?shù)木彌_區(qū)，如果

發(fā)現(xiàn)需要的數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中已經(jīng)存在，直接從緩沖

區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，向用戶進(jìn)程返回I/O應(yīng)答，整個(gè)讀

取過程完成。

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如果緩沖區(qū)中沒有需要的數(shù)據(jù)，文件系統(tǒng)根據(jù)情況進(jìn)

行設(shè)備分配，向下層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送具體的讀

取請(qǐng)求。驅(qū)動(dòng)程序利用上層傳來的數(shù)據(jù)信息，操縱

設(shè)備控制器讀取數(shù)據(jù)，發(fā)出讀取命令后進(jìn)入等待狀

態(tài)，設(shè)備則進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，CPU則可以

轉(zhuǎn)向其他進(jìn)程。外部設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后，發(fā)出

中斷請(qǐng)求，轉(zhuǎn)入中斷處理程序完成負(fù)責(zé)中斷響應(yīng)和

數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻敯氩糠?，中斷處理的底半部分在適當(dāng)

的時(shí)候再由內(nèi)核去完成，喚醒設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序把數(shù)據(jù)

放入相應(yīng)的緩沖區(qū)中，返回緩沖區(qū)狀態(tài)給文件系

統(tǒng)。然后由文件系統(tǒng)從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)給用戶進(jìn)

程，返回I/O應(yīng)答。

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在設(shè)備讀寫過程中，比較慢的是設(shè)備和內(nèi)存之間進(jìn)行

數(shù)據(jù)交換的過程，特別是設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的過程，而

從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)是內(nèi)存不同位置之間的數(shù)據(jù)傳

輸，速度要快得多。對(duì)于經(jīng)常訪問的設(shè)備，要讀取

的內(nèi)容已經(jīng)在緩沖區(qū)中的情況占絕大多數(shù)，因此通

過緩沖區(qū)的使用，外部設(shè)備讀寫的效率可以得到很

大的提高，當(dāng)然，這種效率是以系統(tǒng)本身的復(fù)雜性

為代價(jià)的。

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5.3.2Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是設(shè)備管理的主要軟件之一，它負(fù)責(zé)控

制各種設(shè)備，是向文件系統(tǒng)提供一致性界面的關(guān)鍵

層。每個(gè)設(shè)備都必須由特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來管

理，由于設(shè)備本身種類繁多，性能各異，造成了系

統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也有很多種類，驅(qū)動(dòng)程序代碼占

整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核代碼的大多數(shù)。但是這些針對(duì)不同設(shè)

備的驅(qū)動(dòng)程序都使用基本相同的接口與內(nèi)核其他部

分通信，設(shè)備的特殊性在這個(gè)層次中深深地隱藏起

來，這給用戶以及系統(tǒng)其他部分使用和管理設(shè)備帶

來了極大的方便。

害小匕一七學(xué)dpL后

/司-L人一廠j必丁一期財(cái)（則照堤的解腳32

在第1章學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)的時(shí)候，曾經(jīng)介紹

過，Linux內(nèi)核基本采用模塊結(jié)構(gòu)，不同的內(nèi)核子

系統(tǒng)按照模塊來構(gòu)建，作為一個(gè)整體存在于系統(tǒng)內(nèi)

存中，屬于單內(nèi)核（或宏內(nèi)核）模式，這使得系統(tǒng)

具有相當(dāng)高的運(yùn)行效率，但是系統(tǒng)的可擴(kuò)展性及可

移植性受到一定的影響。與之相對(duì)應(yīng)的是微內(nèi)核模

式，微內(nèi)核中大部分內(nèi)核模塊都作為獨(dú)立的進(jìn)程，

它們之間通過消息通信，模塊之間互相提供服務(wù)。

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采用微內(nèi)核模式的操作系統(tǒng)中，用戶可以方便地添加

新的組件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)等新的功能，相對(duì)來講，

單內(nèi)核模式中添加新組件要困難得多。Linux系統(tǒng)

采用模塊（modules,也稱為模組）技術(shù)，來支持

動(dòng)態(tài)裝載和卸載的模塊，動(dòng)態(tài)裝載或卸載時(shí)甚至不

需要重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。利用模塊技術(shù)，就可以方便

地在單內(nèi)核結(jié)構(gòu)中添加新組件或卸載不再需要的內(nèi)

核組件。

每一個(gè)模塊都是核心的一部分，都運(yùn)行于系統(tǒng)態(tài)，和

其他內(nèi)核部分具有相同的權(quán)限，因此，有漏洞的模

塊會(huì)給系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性帶來不利的影響，而惡

意的模塊就可能成為一個(gè)邏輯炸彈或病毒的良好載

體，對(duì)系統(tǒng)的安全造成威脅。

/害司小-匕L一人七一學(xué)廠dJp必已后丁-＞十-翹星則儂質(zhì)燦題呢￡^陟《

除了系統(tǒng)啟動(dòng)過程中所必須的設(shè)備（如鍵盤、磁盤設(shè)

備等）之外，其他大多數(shù)設(shè)備以及偽設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)設(shè)

備、文件系統(tǒng)等）的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，都是采用模塊

方式來管理的。在系統(tǒng)啟動(dòng)完成之后，系統(tǒng)管理員

可以利用相關(guān)的命令來查看、加載、卸載各種驅(qū)動(dòng)

程序模塊。

Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基本結(jié)構(gòu)

早期，Linux系統(tǒng)支持的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序大多數(shù)是業(yè)余

高手們開發(fā)的，隨著Linux的不斷發(fā)展，越來越多

設(shè)備生產(chǎn)廠商也開始提供驅(qū)動(dòng)程序。所有驅(qū)動(dòng)程序

都是內(nèi)核的一部分，驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)和接口都有相

當(dāng)規(guī)范的定義。

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給Linux寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一件相當(dāng)容易的事，而且

很多人都在做這樣的工作，這里不打算介紹具體的

開發(fā)過程，這方面的資料網(wǎng)上很多。如果某一天，

你發(fā)現(xiàn)你的某一個(gè)設(shè)備無法驅(qū)動(dòng)，首先應(yīng)該到網(wǎng)上

去找找，說不定有人碰到和你同樣的問題，而且已

經(jīng)寫好了這樣的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)在不行，自己動(dòng)手花

一兩天時(shí)間，應(yīng)該就可以完成了。這里只簡(jiǎn)單介紹

驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)。

根據(jù)圖5.2所示的I/O軟件結(jié)構(gòu)圖，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向下

的接口是面對(duì)設(shè)備控制器的，它定義了驅(qū)動(dòng)程序如

何與設(shè)備進(jìn)行通信的協(xié)議；向上面對(duì)的是文件系

統(tǒng)，它通過文件系統(tǒng)為內(nèi)核其他部分提供統(tǒng)一的接

口，用戶的設(shè)備操作通過文件系統(tǒng)來映射到具體的

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設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，這一部分接口對(duì)于所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程

序幾乎都是相同的；止匕外，還應(yīng)當(dāng)提供與系統(tǒng)引導(dǎo)

的接口，這是在系統(tǒng)啟動(dòng)過程或者加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)模

塊時(shí)，初始化設(shè)備所必需的。

一個(gè)完整的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常包括五個(gè)部分：設(shè)備驅(qū)

動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的

讀寫操作、設(shè)備的控制操作，以及設(shè)備的中斷或者

查詢處理。

害小匕一七學(xué)已后-＞十

/司-L人一廠dJp必丁-翹星則儂質(zhì)燦題呢￡^陟《

驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)是在系統(tǒng)初始化或驅(qū)動(dòng)程序模塊加載

時(shí)完成的，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的初始化準(zhǔn)備工作，與之

對(duì)應(yīng)，驅(qū)動(dòng)程序注銷是在系統(tǒng)關(guān)閉或者驅(qū)動(dòng)程序模

塊卸載時(shí)完成，二者屬于設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)引導(dǎo)

的接口。注冊(cè)之后，同時(shí)也就建立了和文件系統(tǒng)的

接口，文件系統(tǒng)根據(jù)注冊(cè)過的資料，就可以建立文

件操作與具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的映射關(guān)系。

和普通文件類似，設(shè)備首先要打開才能夠進(jìn)行讀寫操

作，而且完成操作之后也要及時(shí)地釋放，釋放設(shè)備

私有數(shù)據(jù)占據(jù)的內(nèi)存、關(guān)閉設(shè)備等等，以確保下次

可以正常打開和使用設(shè)備。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序這個(gè)層

次上，這些操作針對(duì)不同的設(shè)備要由不同的函數(shù)來

完成。

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SJTYPRESS

在讀寫過程中，設(shè)備可能采用查詢或者中斷的方式來

控制數(shù)據(jù)傳輸，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)傳輸控制方式，驅(qū)

動(dòng)程序采取不同的管理方式實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)傳輸。

/司-L人一廠UJ必丁-版婀0肘IB”邕身因則便露唇卻，

5.4小結(jié)

本章介紹了Linux設(shè)備管理方面的基礎(chǔ)知識(shí)。在

Linux系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)管理方式的不同，設(shè)備可

以分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三類，所有的

設(shè)備基本都是按照特殊的文件一一設(shè)備文件來對(duì)

待。因此，在操作系統(tǒng)使用過程中，設(shè)備的特殊性

都為文件系統(tǒng)所屏蔽，用戶命令、系統(tǒng)調(diào)用，以及

內(nèi)核其他部分只能通過文件系統(tǒng)，以統(tǒng)一的模式來

使用設(shè)備。

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可以使用不同的方式控制外部設(shè)備、CPU和內(nèi)存之

間的數(shù)據(jù)傳輸，PC機(jī)通常使用的方式有程序直接

控制(查詢)、中斷，以及內(nèi)存直接訪

(DMA)o

提高數(shù)據(jù)傳輸效率的另一個(gè)有效手段是緩沖，可以在

設(shè)備上增加緩沖器，設(shè)備每次傳輸數(shù)據(jù)之前可以準(zhǔn)

備更多的數(shù)據(jù)，擴(kuò)大設(shè)備與CPU或內(nèi)存之間一次數(shù)

據(jù)傳輸?shù)囊?guī)模，減少中斷次數(shù)，稱為硬緩沖，這種

方法增加了硬件設(shè)備的成本和復(fù)雜度。也可以在內(nèi)

存中開辟緩沖區(qū)，設(shè)備與CPU或內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳

輸都通過這樣的緩沖區(qū)保留備份，下一次用戶進(jìn)程

需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)首先在緩沖中尋找，如果已經(jīng)存在

于緩沖中，就不需要再啟動(dòng)外部設(shè)備，從而節(jié)約了

大量的時(shí)間，這種方式稱為軟緩沖，在Linux系統(tǒng)

中統(tǒng)一由文件系統(tǒng)管理。

/司-L人一廠j必丁一捌31儂跪惻眄^

I/O軟件是控制外部設(shè)備與內(nèi)存、處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交

換的所有軟件的通稱。Linux系統(tǒng)的I/O軟件具有層

次結(jié)構(gòu)，上層是文件系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)設(shè)備命名、設(shè)備

保護(hù)、緩沖區(qū)管理以及設(shè)備分配等工作，屏蔽各種

的設(shè)備特殊性，向用戶提供一個(gè)友好、清晰、規(guī)范

和設(shè)備獨(dú)立的配置、使用界面，用戶可以像使用普

通文件那樣進(jìn)行設(shè)備操作；下層主要是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程

序和對(duì)應(yīng)的中斷處理程序，Linux系統(tǒng)中大多數(shù)設(shè)

備驅(qū)動(dòng)程序都是獨(dú)立的內(nèi)核模塊，可以動(dòng)態(tài)地加載

和卸載，同時(shí)采用獨(dú)具特色的底半處理技術(shù)來完成

中斷處理，提高中斷處理的效率。

層次構(gòu)造的Linux系統(tǒng)I/O軟件中，所有模塊協(xié)同工

作，可以充分發(fā)揮各種設(shè)備的作用，同時(shí)保證系統(tǒng)

二具有較高的整體性。._________________

卷/司，-［七l人J一/廠一必二行-zp

習(xí)題

5-1數(shù)據(jù)傳輸控制方式有哪幾種？比較它們的優(yōu)缺

點(diǎn)。

5-2什么是中斷、中斷處理和中斷響應(yīng)？為什么要引

入中斷？

5-3在你的機(jī)器中，鍵盤和CPU、內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳

輸使用什么方式控制？如果有一次計(jì)算機(jī)不再響應(yīng)

任何鍵盤命令，你認(rèn)為是什么原因?有辦法解決

嗎？

5-4什么是緩沖？為什么引入緩沖？

5-5在Linux系統(tǒng)中，為什么我們可以像使用文件一

樣操作一個(gè)設(shè)備？

清華尢學(xué)出版社■n

5-6Linux文件系統(tǒng)在整個(gè)I/O軟件中處于什么地位？

5-7什么是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序？Linux系統(tǒng)中，用戶怎么

使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序？

5-8下面各項(xiàng)工作是在I/O軟件的哪一層完成？

(a)磁盤寫操作、計(jì)算磁道、扇區(qū)和磁頭

(b)維護(hù)磁盤讀寫高速緩沖

(c)讀取設(shè)備狀態(tài)寄存器

(d)檢查用戶是否可以訪問某個(gè)設(shè)備

5-9如果你新裝的聲卡不工作，你如何解決這個(gè)問

題？

SITYPRESS

第6章文件系統(tǒng)

6.1文件系統(tǒng)概述

6.2文件管理

6.3目錄

6.4邏輯文件系統(tǒng)——Ext2

6.5虛擬文件系統(tǒng)——VFS

6.6小結(jié)

習(xí)題

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數(shù)據(jù)處理是計(jì)算機(jī)的主要功能之一，與數(shù)據(jù)處理相關(guān)

的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)保存是必不可少甚至是較為重要

的環(huán)節(jié)。在計(jì)算機(jī)中，大量的數(shù)據(jù)和信息是通過文

件存儲(chǔ)和管理的。文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理文件和邏輯文

件系統(tǒng)，提供管理設(shè)備、屏蔽設(shè)備復(fù)雜性的手段，

為系統(tǒng)內(nèi)核其他部分、用戶命令和系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用提

供統(tǒng)一的服務(wù)接口。

本章主要討論Linux系統(tǒng)中文件的概念、目錄結(jié)構(gòu)及

訪問權(quán)限，Linux的邏輯文件系統(tǒng)Ext2,虛擬文件

系統(tǒng)VFS,文件系統(tǒng)管理及緩沖區(qū)管理等內(nèi)容。管

道(FIFO)文件是利用文件系統(tǒng)作為接口實(shí)現(xiàn)進(jìn)

程間的通信，本章不再介紹，具體原理請(qǐng)參見

2.2.6“進(jìn)程通信”部分。

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UNiyERSJTYPRESS

6.1文件系統(tǒng)概述

通常我們把與管理文件有關(guān)的軟件和數(shù)據(jù)，統(tǒng)稱為文

件系統(tǒng)。它方便地組織管理計(jì)算機(jī)中的所有文件，

為用戶提供文件的操作手段和存取控制。同時(shí)，文

件系統(tǒng)隱藏了系統(tǒng)中最為紛繁復(fù)雜的硬件設(shè)備特

征，為用戶以及操作系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)

一、簡(jiǎn)潔的接口，通過文件系統(tǒng)，使得用戶方便地

使用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)、輸入/輸出等設(shè)備。

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在學(xué)習(xí)Linux進(jìn)程管理時(shí)，我們也許注意到，系統(tǒng)惟

一感知和控制進(jìn)程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)一一進(jìn)程控制塊中，

除了CPU和內(nèi)存資源之外，只包含了文件系統(tǒng)信息

和文件信息，而沒有設(shè)備的任何信息，這就是文件

系統(tǒng)所起的作用。Linux系統(tǒng)中把CPU、內(nèi)存之外

所有其他設(shè)備都抽象為文件來處理。進(jìn)程只和文件

系統(tǒng)打交道，具體的細(xì)節(jié)，由設(shè)備管理部分具體實(shí)

現(xiàn)并為文件系統(tǒng)提供盡可能簡(jiǎn)潔統(tǒng)一的接口。因

止匕，文件系統(tǒng)還同時(shí)充當(dāng)著設(shè)備管理接口的角色，

用戶進(jìn)程使用和操作具體的設(shè)備，都必須通過文件

系統(tǒng)進(jìn)行。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中與管理文件有關(guān)

的所有軟件和數(shù)據(jù)的集合。

害小匕一二學(xué)dp

/R-L人一廠UJ必丁一惻颯3踞加購呢^例■

不同的操作系統(tǒng)可能采用不同的文件系統(tǒng)。支持多種

不同類型的文件系統(tǒng)是Linux操作系統(tǒng)的主要特色

之一。Linux系統(tǒng)自身的文件系稱為ext2,它也是

Linux默認(rèn)的文件系統(tǒng)。我們把ext2以及Linux支持

的文件系統(tǒng)稱為邏輯文件系統(tǒng)，通常每一種邏輯

文件系統(tǒng)服務(wù)于一種特定的操作系統(tǒng)，具有不同的

組織結(jié)構(gòu)和文件操作函數(shù)，相互之間差別很大。

Linux在傳統(tǒng)的邏輯文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了一

個(gè)稱為虛擬文件系統(tǒng)(VFS)的接口層，如圖6」所

/J\O

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——玉―，―工丫PRESS

圖6.1Linux文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)示意圖

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系統(tǒng)中所有的設(shè)備，包括字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)

備，都按照某種方式由邏輯文件系統(tǒng)統(tǒng)一管理，邏

輯文件系統(tǒng)為它們提供訪問接口。虛擬文件系統(tǒng)在

最上層，管理各種邏輯文件系統(tǒng)，屏蔽了它們之間

的差異，為用戶命令、函數(shù)調(diào)用和內(nèi)核其他部分提

供訪問文件和設(shè)備的統(tǒng)一接口，使得不同的邏輯

文件系統(tǒng)按照同樣的模式呈現(xiàn)在使用者面前，對(duì)于

普通用戶來講，覺察不到邏輯文件系統(tǒng)之間的差

異，可以使用同樣的命令來操作不同邏輯文件系統(tǒng)

所管理的文件，可以在它們之間自由地復(fù)制文件。

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6.2文件管理

6.2.1文件

文件可以簡(jiǎn)單地理解為一段程序或數(shù)據(jù)的集合。在操

作系統(tǒng)中，文件被定義為一個(gè)命名的相關(guān)字符流的

集合，或者一個(gè)具有符號(hào)名的相關(guān)記錄的集合。符

號(hào)名用來惟一地標(biāo)識(shí)一個(gè)文件，也就是文件名。

Linux系統(tǒng)中，文件名最大長度由NR-NAME-LEN

控制，默認(rèn)值為255個(gè)字符。

文件定義中所指出的不同基本組成單位表示了兩種形

式的文件。相關(guān)字符流組成的文件是一種無結(jié)構(gòu)文

件或流式文件。相關(guān)記錄組成的文件稱為記錄式文

件。記錄式文件通常主要用于信息管理。

在UNIX、Linux等操作系統(tǒng)中，把包括硬件設(shè)備在

內(nèi)的能夠進(jìn)行流式字符操作的內(nèi)容都定義為文件。

Linux系統(tǒng)中文件的類型包括：普通文件，目錄文

件，連接文件，管道(FIFO)文件、設(shè)備文件

(塊設(shè)備、字符設(shè)備)和套接字。

Linux系統(tǒng)把文件按照其性質(zhì)、用途等標(biāo)準(zhǔn)劃分為不

同的類別。操作系統(tǒng)根據(jù)文件的類型處理文件。按

照用途，文件可以分為：系統(tǒng)文件、庫文件和用戶

文件。系統(tǒng)文件直接和操作系統(tǒng)本身有關(guān)，包括操

作系統(tǒng)核心和各種系統(tǒng)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)；庫文件通

常指系統(tǒng)提供給用戶調(diào)用的各種標(biāo)準(zhǔn)過程、函數(shù)和

應(yīng)用程序；用戶文件是用戶委托計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)管

理的文件。

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當(dāng)然，這只是一種相對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于Linux系統(tǒng)，根

據(jù)自己的實(shí)際需要，具有特殊權(quán)限的用戶（系統(tǒng)管

理員）可以重新修改并編譯升級(jí)整個(gè)內(nèi)核，這個(gè)過

程將會(huì)修改大部分系統(tǒng)文件，同時(shí)庫文件也可以按

照自己的需要添加和修改。

根據(jù)文件中數(shù)據(jù)的表示形式，可以把文件劃分為

ASCII碼文件和二進(jìn)制文件。

按照文件操作過程中的保護(hù)級(jí)別，文件可以劃分為只