Управление вводом-выводом

 

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-выводаВМ. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью машины. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (принцип независимости от устройств).

Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства.

Блок-ориентированные устройства ввода-вывода хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство – диск.

Байт-ориентированные устройства ввода-выводане адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются мониторы, принтеры, сетевые адаптеры. Однако некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу, например, часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал прерывания в некоторые моменты времени.

Любое внешнее устройство обычно состоит из механического и электронного компонента. Электронный компонент называют контроллером устройства или адаптером. Механический компонент представляет собственно устройство. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства.

ОС обычно имеет дело не с устройством, а с его контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, преобразует поток бит в блоки (состоящие из байт), осуществляют контроль и исправление ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых ВМ эти регистры являются частью физического адресного пространства. В таких ВМ нет специальных операций ввода-вывода. В других машинах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода.

ОС выполняет ввод-вывод, записывая команды в регистры контроллера. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер организует прерывание для того, чтобы передать управление процессором операционной системе, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из регистров контроллера.

Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей. Ключевым принципом является независимость от устройств ввода-вывода. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска.

Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования, то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила.

Другим важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. В лучшем случае ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если же это ему не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода, например, ошибки, вызванные наличием пылинок на головках чтения или на диске. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню.

Еще один ключевой вопрос – это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно – процессор начинает передачу и переходит на другую работу, пока не наступает прерывание. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие. ОС выполняет операции ввода-вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме.

Проблема состоит также в том, что одни устройства ввода-вывода являются разделяемыми, а другие – выделенными. Диски – это разделяемые устройства, так как одновременный доступ нескольких пользователей к диску не является проблемой. Принтеры – это выделенные устройства, потому что нельзя смешивать строчки, печатаемые различными пользователями. Наличие выделенных устройств создает для операционной системы некоторые проблемы.

Для решения имеющихся проблем целесообразно разделить программное обеспечение ввода-вывода на четыре слоя:

1) обработка прерываний;

2) драйверы устройств;

3) слой операционной системы, независимый от устройств;

4) пользовательский слой программного обеспечения.

Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в «недрах» ОС, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Наилучший способ состоит в разрешении процессу, инициировавшему операцию ввода-вывода, блокировать себя до завершения операции и наступления прерывания. При наступлении прерывания процедура обработки прерывания выполняет разблокирование процесса, инициировавшего операцию ввода-вывода. В любом случае эффект от прерывания будет состоять в том, что ранее заблокированный процесс теперь продолжит свое выполнение.

Весь зависимый от устройства код помещается в драйвер устройства. Каждый драйвер управляет устройствами одного типа или, может быть, одного класса. В ОС, как правило, только драйвер устройства обладает информацией о конкретных особенностях какого-либо устройства.Например, только драйвер диска имеет дело с дорожками, секторами, цилиндрами, временем установления головки и другими факторами, обеспечивающими правильную работу диска.

Драйвер устройства принимает запрос от устройств программного слоя и решает, как его выполнить. Типичным запросом является, например, чтение N блоков данных. Если драйвер был свободен во время поступления запроса, то он начинает выполнять запрос немедленно. Если же он был занят обслуживанием другого запроса, то вновь поступивший запрос присоединяется к очереди уже имеющихся запросов, и он будет выполнен, когда наступит его очередь.

Первый шаг в реализации запроса ввода-вывода, например, для диска, состоит в преобразовании его из абстрактной формы в конкретную. Для дискового драйвера это означает, во-первых, преобразование номеров блоков в номера цилиндров, головок, секторов, во-вторых, проверку, работает ли двигатель, находится ли головка над нужным цилиндром и т.п. Короче говоря, он должен решить, какие операции контроллера нужно выполнить и в какой последовательности. После передачи команды контроллеру драйвер должен решить следующий вопрос: блокировать ли себя до окончания заданной операции или нет. Если операция занимает значительное время (например, при печати некоторого блока данных), то драйвер блокируется до тех пор, пока операция не завершится, и обработчик прерывания не разблокирует его. Если команда ввода-вывода выполняется быстро (например, прокрутка экрана), то драйвер ожидает ее завершения без блокирования.

Большая часть программного обеспечения ввода-вывода является независимой от устройств. Точная граница между драйверами и программами, независимыми от устройств, определяется системой, так как некоторые функции, которые могли бы быть реализованы независимым способом, в действительности выполнены в виде драйверов для повышения эффективности или по другим причинам.

Типичными функциями слоя операционной системы, независимого от устройств, являются:

– обеспечение общего интерфейса к драйверам устройств;

– именование устройств;

– защита устройств;

– обеспечение независимого размера блока;

– буферизация;

– распределение памяти на блок-ориентированных устройствах;

– распределение и освобождение выделенных устройств;

– уведомление об ошибках.

Остановимся на некоторых функциях данного перечня. Верхним слоям программного обеспечения неудобно работать с блоками разной величины, поэтому данный слой обеспечивает единый размер блока, например, за счет объединения нескольких различных блоков в единый логический блок. В связи с этим верхние уровни имеют дело с абстрактными устройствами, которые используют единый размер логического блока независимо от размера физического сектора.

При создании файла или заполнении его новыми данными необходимо выделить ему новые блоки. Для этого ОС должна вести список или битовую карту свободных блоков диска. На основании информации о наличии свободного места на диске может быть разработан алгоритм поиска свободного блока, независимый от устройства и реализуемый программным слоем, находящимся выше слоя драйверов.

Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связываемых с пользовательскими программами. Системные вызовы, включающие вызовы ввода-вывода, обычно делаются библиотечными процедурами. В частности, форматирование ввода или вывода выполняется библиотечными процедурами. Стандартная библиотека ввода-вывода содержит значительное число процедур, которые выполняют ввод-вывод и работают как часть пользовательской программы.

Другой категорией программного обеспечения ввода-вывода является подсистема спулинга (spooling). Спулинг – это способ работы с выделенными устройствами в многозадачной системе. Одно из типичных устройств, требующих спулинга, – принтер. Хотя технически легко позволить каждому пользовательскому процессу открыть специальный файл, связанный с принтером, такой способ опасен из-за того, что пользовательский процесс может монополизировать принтер на произвольное время. Вместо этого создается специальный процесс-монитор, который получает исключительные права на использование этого устройства. Также создается специальный каталог, называемый каталогом спулинга. Для того, чтобы напечатать файл, пользовательский процесс помещает выводимую информацию в этот файл и помещает его в каталог спулинга. Процесс-монитор по очереди распечатывает все файлы, содержащиеся в каталоге спулинга.

Запись или чтение большого количества информации из ад-ресного пространства ввода-вывода (например, с диска) приводят к большому количеству операций ввода-вывода, которые должен выполнять процессор. Для освобождения процессора от операций последовательного вывода данных из оперативной памяти или последовательного ввода в нее был предложен механизм прямого доступа внешних устройств к памяти – ПДП или DMA (Direct Memory Access). Суть работы этого механизма заключается в следующем. Для того чтобы какое-либо устройство, кроме процессора, могло за­писать информацию в память или прочитать ее из памяти, необходимо чтобы это устройство могло забрать у процессора управление локальной магистралью для выставления соответствующих сигналов на шины адреса, данных и управления. Для централизации эти обязанности обычно возла­гаются не на каждое устройство в отдельности, а на специальный контрол­лер – контроллер прямого доступа к памяти. Контроллер прямого доступа к памяти имеет несколько спаренных линий – каналов DMA, которые мо­гут подключаться к различным устройствам. Перед началом использова­ния прямого доступа к памяти этот контроллер необходимо запрограмми­ровать, записав в его порты информацию о том, какой канал или каналы предполагается задействовать, какие операции они будут совершать, ка­кой адрес памяти является начальным для передачи информации и какое количество информации должно быть передано. Получив по одной из ли­ний – каналов DMA – сигнал запроса на передачу данных от внешнего уст­ройства, контроллер по шине управления сообщает процессору о желании взять на себя управление локальной магистралью. Процессор (возможно, через некоторое время, необходимое для завершения его действий с маги­стралью) передает управление маги­стралью контроллеру DMA, известив его специ­альным сигналом. Контроллер DMA выставляет на адресную шину адрес памяти для передачи очередной порции информации и по второй линии канала прямого доступа к памяти сообщает устройству о готовности маги­страли к передаче данных. После этого, используя шину данных и шину управления, контроллер DMA, устройство ввода-вывода и память осуще­ствляют процесс обмена информацией. Затем контроллер прямого досту­па к памяти извещает процессор о своем отказе от управления магистра­лью, и тот берет руководящие функции на себя. При передаче большого количества данных весь процесс повторяется циклически.

При прямом доступе к памяти процессор и контроллер DMA по очереди управляют локальной магистралью. Это, конечно, несколько снижает производительность процессора, так как при выполнении некоторых команд или при чтении очередной порции команд во внутренний кэш он должен дожидаться освобождения магистрали, но в целом производительность ВМ существенно возрастает.

При подключении к системе нового устройства, которое умеет ис­пользовать прямой доступ к памяти, обычно необходимо программно или аппаратно задать номер канала DMA, к которому будет приписано уст­ройство. В отличие от прерываний, где один номер прерывания может соот­ветствовать нескольким устройствам, каналы DMA всегда находятся в монопольном владении устройств.