即插即用技术的应用

即插即用技术的应用摘要：即插即用使用户非常容易地在系统中增加新的设备，并能保证这些设备与以前的外部设备一起工作。这种特点使即插即用这一技术被广泛接受。本文论述了即插即用技术的基本概念以及制定即插即用技术的目标，介绍了即插即用技术的工作原理和其框架，并且也多即插即用技术软件进行了分析，此外还说明了即插即用技术可以广泛的应用于各种领域当中，给我们的生活带来了极大地方便。关键字：即插即用技术；BIOS；设备；系统资源PlugandplaytechnologyapplicationHuaxiaoling（11110842194）WenzhouUniversityABSTRACT:Plugandplaymaketheuserisveryeasytoaddnewequipmentinthesystem,andcanensuretheequipmentandtheexternalequipmentformlyworktogether.Thisfeatureenablestheplugandplaytechnologyiswidelyaccepted.Thispaperdiscussesthebasicconceptoftheplugandplaytechnologyandmakeitsgoaloftechnology,alsointroducesitsworkprincipleandthetechnicalframework,andmanyplugandplaysoftwaretechnologyareanalyzed.Inaddition,italsothattheplugandplaytechnologycanbewidelyusedinvariousfieldsthatcanconvenientforourlifegreatly.KEY：plugandplaytechnology；BIOS；equipment；systemresouce0引言衡量计算机系统能力的一个重要指标是它的可扩展性，艮即往系统中加入新部件的能力。典型的是通过使用扩展总线插卡，增加系统的功能。随着工业设备的大型化和计算机技术的快速发展及其现代机电设备结构的日益复杂，机电设备状态监测系统从功能单一、人工操作型向多功能、智能型转变。网络化分布式状态监测系统的应用也越来越多。笔者在对PC硬件即插即用技术研究的基础上，将即插即用的思想应用于状态监测系统。系统具有较强的可扩展性、较高的自适应性、较好的负载平衡性及较强的重要数据的可备份性。随着计算机技术的发展。多媒体和网络已成了微机技术发展的两大方向。多媒体和网络的引入一方面使微机外设种类大大丰富。每个外设的正常工作都需要系统资源（主要是IRQ、DMA通道号、端口地址）的合理分配，从而使系统配置更加复杂；另一方面，多媒体和网络的引入也对微机的传统总线结构提出了更新的要求，怎样使支持新的总线类型的设备与传统设备合理分享资源，也是系统能否正常工作的重要前提。由于这两方面原因，使得系统的资源分配日趋复杂，即使有经验的技术人员，对于这样的系统资源分配问题也经常要付出大量的简单重复劳动。即插即用PnP（PlugandPlay）正是为解决系统资源分配问题提出的。“即插即用”必须协调执行的基本功能包括下列几部分：（1）识别被安装的设备；（2）确定设备资源需求；（3）创建完整的系统配置，消除所有的资源冲突；（4）加载设备驱动程序；（5）通知配置的变化信息。1即插即用概念即插即用（plug2and2play，PnP）是指不需要跳线和软件配置过程，当系统插入一个即插即用设备时，可以在运行过程中动态地进行检测和配置［1］。“即插即用”(PNP)是一套PC体系结构规范，“即插即用”的最终目标是把智能设计到PC中，在不需要用户干预的情况下处理安装和配置任务［2］。2即插即用目标即插即用规范是为了解决用户在改变系统硬件配置时，合理分配系统资源而制定的。即插即用规范提出了以下五个目标：2.1容易安装和配置新设备：即在系统中添加新设备，无论是ISA、PCI或EISA设备，还是其它一些设备，系统能独立或协助用户很容易地完成新设备的驱动程序的安装，并合理分配系统资源。这就要求即插即用设备能够向系统报告自身所需资源，设备类型及设备功能等，并用标准的格式向系统报告以上信息，操作系统通过和各个设备通讯，分别记录每个设备所需资源，统一分配系统资源，解决设备间可能存在的总线和资源请求冲突，并根据设备所提供信息，自行寻找并调入设备驱动程序，或要求用户协助寻找并调入设备驱动程序。2.2可动态改变配置：这是即插即用技术最具发展潜力的目标。该目标要求在系统运行过程中可以动态修改硬件配置。例如，改变显示器分辨率而无须重新启动机器等。此外，该目标对无线网络用户更具有实用价值。该目标的实现要求操作系统能实时监视硬件情况，当发生改变时，操作系统应当向应用程序广播硬件变动情况，促使应用程序针对硬件变化情况在操作系统协助下进行调整。2.3与现有外设兼容：即现有的大量非标准PnP设备应能在PnP规范下不经或经过少量调整成为PnP设备或由操作系统处理非标准PnP设备的资源请求。这就要求针对现有外设建立一个技术数据库，使系统能处理非PnP设备的信息。2.4与操作系统和硬件无关：即PnP规范应当在基本数据结构、命名习惯、用户接口平台等方面订立标准，使PnP的实现可应用于不同平台［3］［4］。2.5减少复杂性和增加硬件灵活性：复杂性主要指应使硬件配置容易。灵活性主要表现在设备占用资源情况可由操作系统选择调整，即操作系统可根据当前配置情况为设备动态分配资源。这就要求PnP设备及接口卡具有软跳线或有较大的可正常工作的可利用资源范围。从即插即用的目标来看，完全PnP实现要求：PnP的机器，PnP设备和支持PnP的操作系统。3“即插即用”体系结构“即插即用”体系结构支持自动配置PNP扩展的软件结构由下列四个部分组成，如图1所示：“即插即用”BIOS(PNPBIOS)PNPBIOS是加电自检(POST)过程中的一部分，它检查和配置PNP扩展卡，此外，PNPBIOS提供在线服务以便允许系统软件与BIOS相互配合，共同完成配置管理。配置管理器(CM)CM是一个设备驱动程序，它向其他设备驱动程序提供系统中所有设备的配置信息，这个驱动程序也能够检查和配置PNPBIOS没有配置的PCI和PNP-ISA卡。⑶ISA配置实用程序(ICU)ICU是一个实用程序，该程序帮助用户给传统的ISA扩展卡选择无冲突的配置。除了建议用户如何手工配置它们的扩展卡以外，这个实用程序截取这些新的信息，并使它通过ESCD数据结构向CM和PNPBIOS提供信息。CM和PNPBIOS使用ESCD来识别PNP扩展卡可以使用的系统资源。(4)扩展系统配置数据(ESCD)ESCD数据结构存储在某种非易失性存储区中，并用于保存系统中所有设备的当前配置，这些设备包括系统板设备和扩展卡。图1显示了组成“即插即用”软件体系结构的四个部分是如何一起工作的。在POST过程中，PNPBIOS启动PNP卡的自动配置。这包括执行PNP-ISA的隔离序列以及确定PCI和PNP-ISA卡的资源需求。ESCD结构是用来查询并确定非PNP卡已使用了哪些资源，还有哪些资源可供PNP卡使用。PNPBIOS必须配置引导操作系统所需要的那些卡。有时PNPBIOS要能够配置所有的卡。配置管理器(CM)完成自动配置过程，配置没有被PNPBIOS配置的那些PNP卡，它也向设备驱动程序和配置实用程序提供所有设备的配置信息。ISA配置实用程序（ICU）是PNP系统的最后一个组成部分，它的主要目的是帮助用户给标准ISA设备确定无冲突的配置，它也给PNP卡提供高级的配置支持，这包括允许用户禁止多功能卡的某些功能，封锁特定的PNP卡的配置。对于不支持PNP的操作系统，后一种功能很有用⑵。4PCI即插即用软件分析（1）即插即用需要软件支持在技术上，PCI是把即插即用真正地结合到ISA兼容的计算机中的一种体系结构。PCI所提供的功能及所有遵循的设备都可以容易的被识别。此外，遵循PCI的设备也标注出它们对系统资源的要求。在无需用户干预或尽少干预的情况下，这些系统资源能够进行动态分配。除了pci设备的硬件功能外，在系统bios、设备驱动程序和操作系统等各种的硬件配置过程需要有一套新的软件方法来协调。图2是一个包含从设备驱动程序和系统bios的软件结构图，虽然不是很惊喜，但大致表明了软件层次之间的调用关系和依赖关系。该结构以真正的即插即用方式配置pci和其他类型设备。在图1中，为了突出重点，给非pci即插即用的设备命名为“其他类”。图2即插即用技术软件结构图（2）设备管理系统bios是计算机上电后最先执行的代码，测试和配置设备是其主要功能。该功能是在系统bios上电自测试（post）期间完成的。而pci设备正是在这期间与系统中的非PCI设备一起得以监测和配置的。如上所述，即插即用系统bios的一个主要设计目标就是尽可能地与现有的工业标准bios不冲突。譬如，由ibm，ami和Award软件公司早期开发的bios，它们已经做了设备的初始化和测试。所以，最合理的方法就是把设别的测试和初始化与现有的bios中的已有功能结合起来。在这一问题上，有两方面的内容：第一，尽管所有的bios供应商在post期间完成的功能基本相同，但其中的各项具体任务执行的次序不可能是完全相同的；第二，由pci设备提供的功能可能与系统中的非pci设备所提供的功能相重叠。这两者之间使用相同的工业兼容I/O口。在引导过程中，哪些设备具有优先权以及生么时候测试并初始化，对于维护系统资源不冲突并确保启动时相当重要的。为了解决这些问题，我们需要实现一个post全局设备配置管理程序。（3） post全局设备配置管理程序所有即插即用设备的测试与初始化是由post全局设备配置负责的，可以把它看成是一个初始化并测试的即插即用设备的全局调度器。正如图1所示，系统bios调用post全局设备配置程序，再依次调用各个即插即用设备的配置程序。但至于何时调用取决于系统bios，以什么顺序调用每个即插即用设备也取决于它。（4） Pci配置管理程序Pci配置管理程序仅仅负责系统中的pci设备的初始化，并且包括识别系统中的每一个pci设备及其每个设备的所提供的功能。此外，pci被指哦设备管理程序负责确定系统中每个pci设备的资源申请，从系统资源管理程序获取所要求的资源，再分配给每一个pci设备。Pci设备管理程序也独立于平台，但为了完成任务，它也需要访问相关的平台硬件。（5） pci设备初始化函数Pci设备初始化函数使得独立于平台的软件能够访问与平台相关的硬件，这样就促使必须为每个新平台独特硬件所开发的即插即用软件数量最少。每个设备都需要被pci设备访问，首先决定每个设备所要求的系统资源，给每个pci设备分配系统资源，再根据设备所提供的功能，初始化并测试每个设备。（6） 系统资源映像系统资源映像包含了在当前系统中，由所有设备占用的系统资源的一种编码描述。系统bios的系统资源管理器和某些运行时期的实用程序可以使用的系统资源MAP来精确监视哪些系统资源已经被分配。，只有这样，才可以较容易地识别空闲的系统资源。存储系统资源映像的介质取决于即插即用结构的实现，存储在其中的特定信息也是与具体的平台相关的。a.非易失RAM存储方式（nvRAM）对大多数系统而言，系统资源映像存储于nvRAM中，nvRAM中的信息由系统bios在初始化期间和由配置使用程序在运行期间访问。系统bios能够在操作系统引导之前访问系统资源映像极大地增加了正确配置系统的概率，避免了资源冲突的发生。基于磁盘的存储方式在某些系统中，系统资源映像存储在软盘或硬盘的一个特殊文件中，该文件由一个即插即用配置实用程序创建并维护。因为在初始化期间无法访问磁盘，故其缺点就是配置信息在初始化期间得不到应用。系统资源映像的内容最小的系统资源映像是设备占用中断资源的位图。但也有更详尽的系统资源映像，这种很可能包括占有某一种特定资源的设备的位置和类型。（7） bios系统资源管理程序系统资源管理程序是把每类设备用以维护系统中空闲和已占用资源的清单von个初始化函数中分离出来。设备初始化函数为设备申请或释放资源，但具体的分配工作是由资源管理程序完成的。（8） 即插即用设备服务如图1所示，只有设备初始化函数调用了pci即插即用设备服务，但这些服务也可由操作系统之类的软件在运行时使用。（9） 操作系统设备配置管理程序操作系统负责即插即用结构中的运行部分，像bios系统一样，它依赖于特殊的借口来完成无冲突的系统资源配置。瓷碗一个支持即插即用的操作系统由动态配置系统的能力，它采用的方法与bios系统很相似，单位了能够在不同的硬件上运行，操作系统也依赖于由pci或其他类设备所提供的即插即用设备服务［4］。5即用即插原理完全的PnP实现首先需有支持PnP的机器，支持PnP的机器主要表现在两个方面。一是PnPBIOSo即插即用BIOS是一般微机系统BIOS的扩充，主要增加了记录设备信息的数据结构，PnPBIOS通过这些数据结构与操作系统进行交互，为操作系统提供重建、更新设备信息的功能调用，并将设备信息保存在CMOS中；为了实现动态重配置，PnPBIOS还需提供与配置管理程序交互的事件消息机制，BIOS通过在内存中设置标志或使用中断句柄来与操作系统实现消息交互。支持PnP的机器表现的另一个方面在总线结构上。现有的PCI总线桥路较好地解决了这个问题，它将其它PCI总线、ISA总线、及挂在其上的PCI设备，统一由PCIBridge协调管理，为设备与信息交互提供了一个标准接口。完全的PnP实现需有PnP设备。尽管不支持PnP的ISA设备在PnP机器及PnP操作系统下也能正常工作，但对于动态重配置则无法支持。对于基本的1/0设备，一般可由BIOS和操作系统直接驱动。例如，软、硬盘控制器、光驱等。其它设备则需提供.INF文件。.INF文件存有某种设备的信息，用于帮助系统进行驱动程序安装。此外，在硬件上，PnP设备应有软跳线，即不需关机重新跳线，就可改变该设备占用资源情况；从软件上，PnP设备的设备驱动程序应可动态调入或卸出，即PnP驱动程序应为可调入VxD；应当将设备信息存储在BIOS或操作系统中，支持资源的请求和释放，支持PnPAPI。此外，系统中的各种硬件配置的记录保存在由system.dat和user.dat组成的注册表中，系统通过注册表和硬件的信息可与机器的配置信息实现交互。在系统

中实现PnP的关键是DM(DeviceManager)、CM(ConfigureMan眼er)、枚举程序(Enumerator)和仲裁程序(arbitrator)，以及IFs(xnstallableFileSystem)。设备管理程序(DM)为在系统中运行P研应用程序提供API调用；配置管理程序(CM)管理系统里所有系统设备的枚举和配置；枚举程序识别总线上的设备；仲裁程序则解决6即插即用应用依据“即插即用”技术的思想，应用即插即用技术构建远程监测系统，解决了目前采用传统远程状态监测系统存在的自适应和可扩展性差等问题。智能远程状态监测系统实现的基本功能包括如下几部分：自动识别被安装的子系统；自动确定子系统资源需求；创建完整的子系统配置，协调各子系统之间的工作；自动完成系统与子系统之间及子系统与子系统之间的通信；自动将子系统配置的变化信息反馈给服务器。由此可见，与传统的监测系统相比，该系统的子系统具有一旦相应设备并入系统，不需要任何人工干预就可以被系统识别，自动完成配置，从而实现预定功能，具有很高的系统灵活性。

将即插即用技术应用于远程监测系统中，其工作原理如下:C一开始。子案舞接X内籍井筮出胃用请求服务耕判峭请求是言、分析请求的数抿规范服务耕判峭请求是言、分析请求的数抿规范拒命姓理

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