UNIX设备管理分析

UNIX设备管理分析

      ——块设备管理之getblk( )

作者：张金良  周中新  刘浩   （南京审计学院计算机系02291班）   

 指导教师：江效尧

[摘要]  UNIX系统的缓冲区管理是块设备管理的第二层，包括申请、释放、摘链、查链、清0、写回和初启，通过getblk（）函数实现申请一块指定设备、块号的缓冲。

[ summary]  UNIX system buffer area the management is an equipments second floor that manage, include the application, release, take off the chain, check the chain , pure zero, write back with the early start , and pass the getblk() function to realize the application a cake of to specify the equipments, piece the number's buffer.

[关键字] Unix操作系统、块设备、缓冲区

[key word]  Unix operate system, piece equipments, buffer area

一、       概述

      设备分为面向块的设备和面向字符的设备，块的如磁盘、磁带等字符的如纸带输入/穿孔输出机、打印机等。块设备通过一层缓冲软件管理，字符设备通过字符缓冲实现。

      块设备中存储的信息从硬件组织上是有结构的，由若干固定大小的块所组成，信息的存取通常是以块为单位的，从块设备的用户方面看，有三种用法：（1）程序对换系统使用，它有自己的数据结构和管理程序。（2）文件系统使用，为了有效支持文件系统，利用了多重缓冲技术。（3）将磁盘当作字符设备来使用，从块设备管理系统的实现方式和程序组成看，可分为三个层次：最低层为设备驱动程序，它的主要数据结构是磁盘的各种控制寄存器和设备表；第二层是缓冲区的管理，包括申请、释放、摘链、查链、清零、写回和初启，主要数据结构是15个缓冲首部和一个作为链头的缓冲首部，主要有文件系统使用。最上层是与使用方式有关的程序，相当于块设备与外部的接口。

二、 功能分析

块设备除了用作程序对换空间之外，主要用于文件系统。为了克服慢速外部设备和快速处理机加工速度之间的不匹配问题。Unix采用了多重缓冲技术，以便给文件系统以有效的服务，为此系统维持了一个缓冲池，内含15个缓冲，这些缓冲起着虚拟存储器的作用，而getblk函数正是为了申请一块指定设备，块号的缓冲，其主要应用于：

1系统调用（exec（））执行一个文件，为将要执行的文件申请新的缓冲。

2进程的自我终止（exit（）），getblk为将要终止的进程查找相应的缓冲。

3读一块到缓冲（bread（）），为其申请一块缓冲。

4读当前块到缓冲，再预读一块（breada（）），为将要读的块申请缓冲。

5从空闲盘区链中获得一空闲盘块（alloc（）），函数根据分配到的盘块号申请一缓冲区。

6将释放的盘块号记入专用的空闲块栈中（free（）），申请一缓冲区，将空闲块栈中的信息复制到该缓冲区中。

7文件系统初启（iinit（）），申请一块不与任何设备有联系的内存专用区，存放专用块。

8完成转储任务（update（））为superblock复制回文件卷而申请缓冲区。

9系统文件卷的安装（smount（）），为存储文件卷的superblock申请缓冲区。

10把文件复制到I/O缓冲区然后再记到外存（writei（）），为I/O设备申请缓冲区。

三、数据结构分析

1缓冲部首:系统为每个缓冲提供了一个缓冲控制块,称缓冲部首。其中保留对应缓冲的地址,对应的设备名,使用情况等定义为char  buffers[NBUF][514];(NBF=15)

缓冲部首说明如下:

struct  buf

{  int   b_flags  ;           //标志字位串

   struct  buf*b_forw;        //设备(b)链向前指针

   struct  buf*b_back;        //设备(b)链向后指针

struct  buf*av_forw;       //空闲(av)链向前指针

struct  buf*av_back;       //空闲(av)链向后指针

int     b_dev;             //设备名

int     b-wcount;          //传送字数(二进制补码)

char  * b_addr;            //内存地址低16位

char  * b_xmem;            //内存地址高16位

char  * b_blkno;           //设备上的物理块号

char  * b_error;           //返回I/0出错信息

char  * b_resid;           //因出错而未传送的剩余字数

}  buf[NBUF];

为了有效地管理这些缓冲,对应的缓冲部首连人到两个双向链中,一个是设备链,或简称b链,它把一类设备所用的所有缓冲连接起来。另一个是空闲链,或简称av链,它把系统中所有未用的缓冲连接起来,包括已属于某设备的b链中的缓冲。

2设备名:

struct{ char  d_minor (次设备号)

        char  d_major (主设备号)

       };

设备名的高字节存设备类型号d_major,也叫设备号,表示某一类设备,同类设备使用相同的驱动程序,低字节存设备号d_minor,也叫次设备号,表示某类设备的第几台设备。

3块设备表:

含有该类设备的状态信息、IO队列头尾指针和上面提到的该类设备的b链头尾指针。

设备表说明如下:

struct  devtab

{ char  d_active;               //忙闲标志

char  d_errent;               //出错重试次数

struct *buf b_forw;           //b链链头指针向前指针

struct *buf b_back;           //b链链头指针向后指针

struct *buf d_actf;           //IO队列头指针

struct *buf d_act1;           //IO队列尾指针

};

4块设备开关:每类设备自己的管理程序

struct  bdevsw

{ int (*d_open) ( );            //打开子程序入口地址

int (*d_close) ( );           //关闭子程序入口地址

int (*d_strategy) ( );        //启动子程序入口地址

int *d_tab                    //对应设备表地址(devtab)

} bdevsw;

5bfreelist:是av链的链头,用了buf中的四个指针。但b_forw和b_back指向的b链不与任何设备相连系。

swbuf:专门用于程序对换。

rrkbuf:专门用于原始磁盘操作。

如图所示（下页）:(缓冲区本身略去)