13.3.2 设备驱动程序的实现

1. 13.3.2 设备驱动程序的实现 1．块设备 • 块设备主要包括硬盘、软盘等存储设备，前面已经提到过，块设备驱动程序有一部分是相同的，不同的主要是真正的I/O操作的那部分。 • 设备驱动程序一共可能有6种操作： • OPEN: 验证设备是否可用； • CLOSE:确保把采用延迟写方式处理的数据真正写到设备上； • READ: 将数据从设备读到调用进程所在的内存区域； • WRITE:与READ执行的操作相反； • IOCTL:负责对I/O设备的操作参数进行检查和修改； • SCATTERED_IO:允许执行同时读写多个块的操作。

2. 13.3.2 设备驱动程序的实现 • ① 块设备驱动程序软件。 MINIX在头文件driver.h中定义了块设备驱动程序需要用到的结构定义，它们包括： • driver结构：保存各驱动程序执行I/O操作所需调用函数的地址； • device结构：以字节为单位保存基地址、长度等与分区相关的主要信息。

3. 13.3.2 设备驱动程序的实现 • ② 驱动程序库 • 可移植性是在MINIX中得到了相当的重视，MINIX的目标是当它被移植到一台机器上时，应该能够使用这台机器上原先运行的操作系统采用的分区表格式。 • 在IBM兼容机上，硬盘分区的标准由MS-DOS的fdisk命令确定。 • MINIX包含了支持IBM兼容机分区的源代码，为了方便移植，这些与平台有关但是与具体硬件无关的代码没有被放在driver.c文件中，而是单独的放在drvlib.h和drvlib.c文件中。

4. 13.3.2 设备驱动程序的实现 • ③ RAM盘 在MINIX中存在一个RAM盘的概念,简而言之就是保留一部分内存作为磁盘来使用，对于用户来说，它就像一个磁盘一样。 RAM盘的驱动程序实际上由四个紧密联系的部分组成，也就是具有以下四个次设备： • 0:/dev/ram:真正的RAM盘，它的大小和基址在MINIX启动时由FS确定； • 1:/dev/mem:用于读写物理内存，通常读出的是起始于内存零地址的内容，写操作则会改写中断向量； • 2:/dev/kmem:用于读写内核内存，与1的功能类似； • 3:/dev/null:负责接收数据并把数据抛弃掉。

5. 13.3.2 设备驱动程序的实现 2．MINIX的系统任务 • MINIX中将文件管理和内存管理摒弃在内核之外,禁止它们把信息写入内核.所以，如果内存管理系统想把消息通知给内核时，就需要借助于一个第三者——对内核表拥有存取权的内核任务——的帮助，这个任务一般被称之为系统任务。 • 系统任务和I/O任务十分类似，它们都实现了一个接口，具有相同的权限，都被链入内核中，所不同的仅仅是系统任务不控制具体I/O设备，它所服务的对象是系统中大部分的内部组件。

6. 13.3.2 设备驱动程序的实现 系统任务的18种消息:

7. 13.4 内存管理 13.4.1内存管理概述 由于MINIX是专门设计在IBM兼容机等微型机上运行的操作系统，因此它的内存管理(MM)是比较简单的，不分页，也不交换： • MM保存一张按照地址顺序排列的空闲地址列表，当系统调用FORK和EXEC请求内存时，MM利用首次适配算法找到一块足够大的空闲内存分配给程序使用。 • 而一旦程序装入内存则一直在原位置运行到结束。 • 可以说，内存管理的主要工作就是操作进程表和空闲地址列表这两张表格，以及处理系统调用FORK和EXEC。

8. 13.4.1内存管理概述 1．内存的消息处理 • 和I/O相仿，MM在系统初始化以后进入自己的主循环，等待消息，一旦收到消息就进行处理并发送应答消息。

9. 13.4.1内存管理概述 与MM通信的消息类型、入口参数和应答:

10. 13.4.1内存管理概述 2．系统调用 • 下面我们来看看系统调用FORK、EXEC和BRK的处理过程。 ① FORK。 • 执行FORK的过程很简单，收到FORK调用的请求后，MM就检查进程表中是否存在空闲位置，如果存在,就尝试为新建立的子进程分配内存，随后就将内存地址等信息填入一个空闲的进程表项，最后发出通知公布建立了一个新进程。 • 进程的终止则更复杂一些，当进程自己退出（或被信号杀死）并且被父进程通过WAIT调用观察到以后，该进程才会真正被删除，如果第二个条件没有满足，子进程就会被挂起，这种状态在MINIX中称为“僵死”。

11. 13.4.1内存管理概述 ② EXEC。这个调用负责内存映像的更新，包括设置新堆栈，它也是MINIX中最复杂的系统调用。EXEC的复杂主要是由两个方面的因素决定的： • 次数众多的检测：EXEC执行时十分谨慎，为了保证有足够内存容纳新映像，必须进行检测。 • 设置初始堆栈：我们通常用库函数execve来调用EXEC，这个函数包含三个参数：被执行文件名的地址指针；一个指针数组的地址指针，数组中的元素分别指向一个参数；第三个参数同样是一个指针数组的地址指针。

12. 13.4.1内存管理概述 ③ BRK。BRK调用可以调整数据段的上限。有两个过程都可以调用BRK： • brk过程以数据段的绝对长度为参数； • sbrk以当前长度的增量为参数，计算出绝对长度后调用BRK。 执行BRK所完成的工作就是检查地址空间是否够用，并根据情况调整表格，然后通知内核。

13. 13.4.1内存管理概述 3. 内存数据结构 主要了解两个关键的数据结构：进程表和空闲表。 • ① 进程表。MINIX中，内核、FS和MM都拥有各自的进程表，每部分的进程表包含本部分必需的域，同时，三张进程表是对应的，也就是说，三张表的第n个表项指的都是同一个进程。也正是由于这个原因，三张表必须被同步更新。 • ② 空闲表。定义在alloc.h文件中的空闲表按照内存地址递增的顺序列出空闲块。 空闲表的表项主要包含三个域：空闲块组的基地址、空闲块组的大小及指向下一个空闲块组的指针。 表项以单向链表的形式链接。

14. 13.4.2 实现 1. 头文件与主程序 • MM中的table.c文件的主要作用是为全局变量服务，在table.c被编译时，它会自动为下面将介绍到的一些全局变量保留存储空间。 • 内存管理部分有许多自己使用的头文件，这些头文件有的和其它部分的头文件具有相同的名字，但由于它们位于不同的目录下为不同的部分服务，所以编译使用时不会出现错误。

15. 13.4.2 实现 • ① 头文件。在内存管理器MM中存在着一个私有的头文件mm.h，可以将它理解为MM范围内的主控头文件，它囊括了位于/usr/include及其子目录中的所有头文件，以及/kernel/kernel.h中包含的大部分头文件。MM中每个文件的编译都需要引用mm.h。 • ② 主程序。MM的主程序也位于main.c中，执行的过程和I/O任务的主程序类似。首先调用mm_init,mm_init通过过程sys_getmap来获得内核的内存使用信息，为所有第二层及第三层的进程初始化进程表项，同时也为init进程初始化进程表项。

16. 13.4.2 实现 2. 系统调用的实现 • ① FORK。FORK调用由文件forkexit.c中的do_fork过程来实现。 • ② EXIT。由过程do_mm_exit接收调用，然后具体工作交由mm_exit完成。 • ③ WAIT。WAIT和WAITPID调用都由过程do_waitpid完成。 • ④ EXEC。过程do_exec负责执行本调用。 • ⑤ BRK。BRK调用的处理代码位于break.c中，由过程do_brk完成。

17. 13.4.2 实现 3.信号处理的实现 MINIX中所有信号及与信号有关的系统调用都被包含在文件signal.c中，具体功能如下所示： • ALARM:经过一段时间后向自己发送ALARM消息； • KILL:给别的进程发出信号指示其下一步的动作； • PAUSE:在收到下一个信号前挂起自己； • REBOOT:发出信号终止所有的进程； • SIGACTION:改变调用进程对将来收到信号的响应方式； • SIGPROCMASK:改变阻塞信号的集合； • SIGSUSPEND:改变阻塞信号集合后执行PAUSE调用； • SIGPENDING:对未处理的阻塞信号进行检查； • SIGRETURN:处理完信号后进行清理工作。

18. 13.4.2 实现 4．其它的系统调用 MM还有几个很简单但是又必需的系统调用，MINIX把它们单独放在一个文件getset.c中，由过程do_getset执行： • GETUID：返回有效的用户标号； • GETGID：返回有效的分组号； • GETPID：返回父子进程的进程号； • SETUID：设置调用者有效的用户号； • SETGID：设置调用者的有效分组号； • SETSID：创建新的会话并返回进程号； • GETPGRP：返回进程的分组标识。

19. 13.5 文件系统 13.5.1文件系统概述 MINIX文件系统(FS)的功能包括两个方面的内容: • 站在用户的角度，文件系统使得用户可以知道文件由什么组成、如何命名以及可以怎样操作文件。可以理解为文件系统为用户和文件间提供了一个接口。 • 从系统的角度来考虑，文件系统的功能包括：决定以怎样的方式存储文件和目录，包括分配空间和释放空间的过程；管理磁盘空间，比如是以链接表或是以位图的方式记录空闲存储空间等等。本节中将详细介绍以上这些功能怎样实现。

20. 13.5.1文件系统概述 1.消息 MINIX文件系统接收的消息种类比较多，一共有39种，其中两个是异常消息。其中下图列出的前面31种来自用户进程。后面6种来自系统调用，它们由MM先处理，然后调用FS完成其余工作。

21. 13.5.1文件系统概述

22. 13.5.1文件系统概述

23. 13.5.1文件系统概述 2. i节点和位图 • 在MINIX里为了改进顺序读取文件时的性能，要确保同一文件的所有磁盘块都位于同一个柱面上，为此引入了区段的概念，一个区段包含了多个块。 • MINIX中为每个文件建立了一个索引表，表中存储了文件属性和各个块在磁盘上的地址，这个索引表被称为i节点。 • MINIX使用位图来记录空闲的i节点和区段，保存位图的磁盘块被称为位图块。当创建一个文件时，FS在位图块中查找第一个空闲的i节点，在这个i节点被分配后，就修改指针指向下一个节点。

24. 13.5.1文件系统概述 3. 目录管理 目录管理是文件系统的一个重要功能，我们查找一个文件，实际上就是先在目录树中找到文件名，然后通过对应的i节点在磁盘上找到文件数据。 目录查找过程:

25. 13.5.1文件系统概述 4．管道和设备文件 • 管道和设备文件与普通文件的最大不同在于，普通文件的操作通常很快就能完成，而管道有时则需要等待几个小时才能有进程把数据写进来。而调用设备文件的进程，为了等待终端或其它设备上的I/O，时间也是不能确定的。 • FS通过不发送信号的方式使得等待应答信号的调用进程被阻塞，一旦有别的进程修改了管道的状态使得被挂起的进程可以运行，FS就会设置一个标志。到下一次主循环时，FS提取以前保存在进程表中的各项参数，继续执行先前被挂起的进程。

26. 13.5.2 实现 1．头文件及全局变量 FS使用的数据结构和表，这些在头文件中得到定义。 • const.h:定义了表长、标志位等一些文件系统中使用的常量的值； • glo.h:和内存管理中的glo.h文件一样，定义了一些全局变量； • proto.h:提供了ANSI标准C编译器所支持的函数原型； • type.h:定义了i节点在磁盘上的组织结构。

27. 13.5.2 实现 2．表格管理及其使用 • 块、超级块及i节点是文件系统中最重要的存储结构，对它们的管理和使用是通过一系列的过程来实现的。 • 用于管理块的过程有： • alloc_zone：用于在区段位图中查找空闲区段，并将其分配给文件； • flushall：通常被系统调用SYNC所调用，刷新某设备的缓冲，同时将其中内容写回设备； • get_block：取要读写的块，先检查高速缓存，若找到就直接返回指针，否则就将其读入缓存； • put_block：释放由get_block请求得到的块；

28. 13.5.2 实现 • free_zone：负责将不再使用的区段归还给空闲区段位图，以区段位图和位号为参数调用free_bit； • rw_block：提供了一个简单的磁盘界面，负责在内存和磁盘间传送块； • invalidate：删除某个设备在高速缓存中用过的所有块； • rw_scattered：以设备标志符、缓冲区指针数组的指针、数组长度及读写标志为参数，执行在设备上读/写分散数据的任务； • rm_lru：只被get_block调用，负责从LRU链中删除一个块。

29. 13.5.2 实现 • 用于超级块管理的过程略少一些，下面的五个过程用于超级块和位图的管理： • alloc_bit：从区段位图或i节点位图中分配一位，通常被alloc_inode或alloc_zone以循环嵌套的方式调用； • free_bit：从区段位图或i节点位图中释放一位，首先计算哪一个位图块包含了要释放的位，调用get_block将这个位图块读入内存，将相应位置0，再调用put_block将该块写回磁盘； • get_super：用于在超级块表中搜索特定设备； • mounted：关闭块设备时调用，以一个指向设备i节点的指针为参数，返回报告这个i节点是否在被挂装的文件系统上。 • Read_super：在读超级块时调用，检查所读出的文件系统的版本号，并进行相应的转换。

30. 13.5.2 实现 • 用于管理i节点的过程有： • get_inode：将一个i节点读入内存，首先搜索inode表，若找到则将指针返回；若不在内存中则调用rw_inode将其读入； • put_inode：返回不再使用的i节点，并把计数器icount减1； • alloc_inode：为新文件分配i节点； • wipe_inode：将i节点中某些域清除，同时也负责部分初始化i节点的工作； • free_inode：释放i节点； • update_times：从系统时钟获得时间，同步修改i节点中的时间域； • rw_inode：负责在内存和磁盘间传送i节点； • old_icopy：转换要执行写操作的i节点内容； • new_icopy：对由i节点读入的数据进行转换； • dup_inode：向其它进程标明某个进程正在使用i节点。

31. 13.5.2 实现 3.管道 • 管道文件的代码在文件pipe.c中，它和普通文件在很多方面都类似，我们主要看看它们的不同之处。 • PIPE调用通过过程do_pipe创建一个拥有权属于系统的管道,并保存在指定的管道设备上。Do_pipe负责为管道分配一个i节点，同时返回两个文件描述符。 • Pipe_check过程利用release过程来判断能否唤醒那些被挂起的过程。除此之外，它也利用函数suspend将调用参数保存在进程表中同时将dont_reply置为TRUE，从而使进程挂起，以便进行各种检查，保证对管道的操作能够完成。 • 过程do_unpause用于处理MM向FS发送的消息，若这条消息的目标进程被阻塞，则do_unpause负责将进程唤醒。

32. 13.5.2 实现 4．主程序 • FS的主循环包含在main.c中，它的结构和内核类似，首先它将进行以下的设置： • who：全局变量，调用进程的进程表插槽号； • fs_call：全局变量，待执行的系统调用的编号； • fp：指向调用者的进程表表项入口； • super_user：标明调用者是否为超级用户； • dont_reply：标志位，标明是否发送回答信号。 • 主循环设置完变量后就执行系统调用的过程，用fs_call作为参数选定被调用的进程。 • 重新回到主循环后，如果dont_reply被设置，那么就不发送应答信号，否则送回一个应答消息。

33. 13.5.2 实现 5．对文件的操作 • ① 创建文件。过程common_open负责执行创建文件的调用CREAT,具体工作由过程new_node完成。 • ② 打开文件。打开文件调用OPEN也由common_open来完成。首先要检查文件的类型和模式，这个工作由过程forbidden对rwx位进行检查来完成。

34. 13.5.2 实现 • ③ 关闭文件。关闭文件通过过程do_close完成，对于正规文件，我们要减少filp计数器的值并检查该计数器是否为0，若为0则表示文件不再被使用，调用put_inode来收回i节点。 • ④ 读文件。读操作由do_read接收请求，但具体的操作则是通过设置READING标志调用公共过程read_write来实现的。 • ⑤ 写文件。和读文件类似，do_write过程所做的工作也只是以WRITING标志调用read_write。

35. 13.5.2 实现 6.目录与路径 MINIX中通常要先把路径名转换为i节点。路径名的分析是在文件path.c中进行。首先在过程eat_path中调用了两个函数，这两个函数分别是： • last_dir：检查路径名以判断是相对路径还是绝对路径。 • advance：用来取得路径的最后一个部分，它以目录指针和字符串为参数，在目录中进行查找，一旦找到匹配的路径名（和参数串匹配），就返回相应i节点的指针。