Режимы управления вводом/выводом - раздел Информатика, Программное обеспечение можно разделить на две группы: системное программное обеспечение СПО и прикладное программное обеспечение ППО Как Известно, Имеются Два Основных Режима Ввода/вывода: Режим Обмена С Опрос...
Как известно, имеются два основных режима ввода/вывода: режим обмена с опросом готовности устройства ввода/вывода и режим обмена с прерываниями. Рассмотрим рис. 4.1.
Пусть для простоты управление вводом/выводом осуществляет центральный процессор (в этом случае часто говорят о наличии программного канала обмена данными между внешними устройством и оперативной памятью, в отличие от канала прямого доступа к памяти, при котором управление вводом/выводом осуществляет специальное дополнительное оборудование). Центральный процессор посылает устройству управления команду выполнить некоторое действие устройству ввода/вывода. Последнее исполняет команду, транслируя сигналы, понятные центральному устройству и устройству управления в сигналы, понятные устройству ввода/вывода. Но быстродействие устройства ввода/вывода намного меньше быстродействия центрального процессора (порой на несколько порядков). Поэтому сигнал готовности (транслируемый или генерируемый устройством управления и сигнализирующий процессору о том, что команда ввода/вывода выполнена и можно выдать новую команду для продолжения обмена данными) приходится очень долго ожидать, постоянно опрашивая соответствующую линию интерфейса на наличие или отсутствие нужного сигнала. Посылать новую команду, не дождавшись сигнала готовности, сообщающего об исполнении предыдущей команды, бессмысленно. В режиме опроса готовности драйвер, управляющий процессом обмена данными с внешним устройством, как раз и выполняет в цикле команду «проверить наличие сигнала готовности». До тех пор пока сигнал готовности не появится, драйвер ничего другого не делает. При этом, естественно, нерационально используется время центрального процессора. Гораздо выгоднее, выдав команду ввода/ вывода, на время забыть об устройстве ввода/вывода и перейти на выполнение другой программы. А появление сигнала готовности трактовать как запрос на прерывание от устройства ввода/вывода. Именно эти сигналы готовности и являются сигналами запроса на прерывание.
Режим обмена с прерываниями по своей сути является режимом асинхронного управления. Для того чтобы не потерять связь с устройством (после того как процессор выдал очередную команду по управлению обменом данными и переключился на выполнение других программ), может быть запущен отсчет времени, в течение которого устройство обязательно должно выполнить команду и выдать таки сигнал запроса на прерывание. Максимальный интервал времени, в течение которого устройство ввода/вывода или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерывание, часто называют уставкой тайм-аута. Если это время истекло после выдачи устройству очередной команды, а устройство так и не ответило, то делается вывод о том, что связь с устройством потеряна и управлять им больше нет возможности. Пользователь и/или задача получают соответствующее диагностическое сообщение.
Драйверы, работающие в режиме прерываний, представляют собой сложный комплекс программных модулей и могут иметь несколько секций: секцию запуска, одну или несколько секций продолжения и секцию завершения.
Секция запуска инициирует операцию ввода/вывода. Эта секция запускается для включения устройства ввода/вывода либо просто для инициации очередной операции ввода/вывода.
Секция продолжения (их может быть несколько, если алгоритм управления обменом данными сложный и требуется несколько прерываний для выполнения одной логической операции) осуществляет основную работу по передаче данных. Секция продолжения, собственно говоря, и является основным обработчиком прерывания. Используемый интерфейс может потребовать для управления вводом/выводом несколько последовательностей управляющих команд, а сигнал прерывания у устройства, как правило, только один. Поэтому после выполнения очередной секции прерывания супервизор прерываний при следующем сигнале готовности должен передать управление другой секции. Это делается за счет изменения адреса обработки прерывания после выполнения очередной секции, если же имеется только одна секция прерываний, то она сама передает управление тому или иному модулю обработки.
Секция завершения обычно выключает устройство ввода/вывода либо просто завершает операцию.
Управление операциями ввода/вывода в режиме прерываний требует больших усилий со стороны системных программистов — такие программы создавать сложнее, чем те, что работают в режиме опроса готовности. Примером тому может служить ситуация с драйверами, обеспечивающими печать. Так, в ОС Windows (и Windows 9x, и Windows NT) драйвер печати через параллельный порт работает не в режиме с прерываниями, как это сделано в других ОС, а в режиме опроса готовности, что приводит к 100%-й загрузке центрального процессора на все время печати. При этом, естественно, выполняются и другие задачи, запущенные на исполнение, но исключительно за счет того, что ОС Windows реализует вытесняющую мультизадачность и время от времени прерывает процесс управления печатью и передает центральный процессор остальным задачам.
Все темы данного раздела:
Системное программное обеспечение
В англоязычной технической литературе термин System Software (системное программное обеспечение) означает программы и комплексы программ, являющиеся общими для всех, кто совместно использует техн
Понятие операционной среды
Операционная система выполняет функции управления вычислительными процессами в вычислительной системе, распределяет ресурсы вычислительной системы между различными вычислительными процессами и об
Понятия вычислительного процесса и ресурса
Понятие «вычислительный процесс» (или просто — «процесс») является одним из основных при рассмотрении операционных систем. Последовательный процесс (иногда называемый «задачей») — это выполнение от
Диаграмма состояний процесса
Необходимо различать системные управляющие процессы, представляющие работу супервизора операционной системы и занимающиеся распределением и управлением ресурсов, от всех других процессов: системн
Реализация понятия последовательного процесса в ОС
Контекст и дескриптор процесса
На протяжении существования процесса его выполнение может быть многократно прервано и продолжено. Для того, чтобы возобновить выполнение процесса, необходимо
Процессы и треды
Понятие процесса было введено для реализации идей мультипрограммирования. Напомним, в свое время различали термины «мультизадачность» и «мультипрограммирование». Таким образом, для реализации «мул
Прерывания
Прерывания представляют собой механизм, позволяющий координировать параллельное функционирование отдельных устройств вычислительной системы и реагировать на особые состояния, возникающие при работ
Основные виды ресурсов
Рассмотрим кратко основные виды ресурсов вычислительной системы и способы их разделения. Прежде всего, одним из важнейших ресурсов является сам процессор, точнее — процессорное время. Процессорное
Управление задачами в операционных системах
Итак, время центрального процессора и оперативная память являются основными ресурсами в случае реализации мультипрограммных вычислений.
Оперативная память — это важнейший ресурс любой вычи
Стратегии планирования
Прежде всего следует отметить, что при рассмотрении стратегий планирования, как правило, идет речь о краткосрочном планировании, то есть о диспетчеризации. Долгосрочное планирование, как мы уже от
Дисциплины диспетчеризации
Когда говорят о диспетчеризации, то всегда в явном или неявном виде имеют в виду понятие задачи (потока). Если ОС не поддерживает механизм тредов, то можно заменять понятие задачи на понятие процес
Вытесняющие и не вытесняющие алгоритмы диспетчеризации
Диспетчеризация без перераспределения процессорного времени, то есть не вытесняющая многозадачность (non-preemptive multitasking) — это такой способ диспетчеризации процессов, при котором активный
Диспетчеризация задач с использованием динамических приоритетов
При выполнении программ, реализующих какие-либо задачи контроля и управления (что характерно, прежде всего, для систем реального времени), может случиться такая ситуация, когда одна или несколько
Управление памятью.
Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной систем
Управление вводом/выводом
Необходимость обеспечить программам возможность осуществлять обмен данными с внешними устройствами и при этом не включать в каждую двоичную программу соответствующий двоичный код, осуществляющий с
Закрепление устройств, общие устройства ввода/вывода
Как известно, многие устройства не допускают совместного использования. Прежде всего, это устройства с последовательным доступом. Такие устройства могут стать закрепленными, то есть быть предостав
Основные системные таблицы ввода/вывода
Каждая ОС имеет свои таблицы ввода/вывода, их состав (количество и назначение каждой таблицы) может сильно отличаться. В некоторых ОС вместо таблиц создаются списки, хотя использование статических
Синхронный и асинхронный ввод/вывод
Задача, выдавшая запрос на операцию ввода/вывода, переводится супервизором в состояние ожидания завершения заказанной операции. Когда супервизор получает от секции завершения сообщение о том, что
Кэширование операций ввода/вывода при работе с накопителями на магнитных дисках
Как известно, накопители на магнитных дисках обладают крайне низкой скоростью по сравнению с быстродействием центральной части компьютера. Разница в быстродействии отличается на несколько порядков
Файловая система.
Файловая система - это часть операционной системы, назначение которой состоит в том, чтобы обеспечить пользователю удобный интерфейс при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечить совмест
Имена файлов
Файлы идентифицируются именами. Пользователи дают файлам символьные имена, при этом учитываются ограничения ОС как на используемые символы, так и на длину имени. До недавнего времен
Типы файлов
Файлы бывают разных типов: обычные файлы, специальные файлы, файлы-каталоги.
Обычные файлы в свою очередь подразделяются на текстовые и двоичные. Текстовые
Логическая организация файла
Программист имеет дело с логической организацией файла, представляя файл в виде определенным образом организованных логических записей. Логическая запись - это наименьший элемент да
Физическая организация и адрес файла
Физическая организация файла описывает правила расположения файла на устройстве внешней памяти, в частности на диске. Файл состоит из физических записей - блоков. Блок - наименьшая
Кэширование диска
В некоторых файловых системах запросы к внешним устройствам, в которых адресация осуществляется блоками (диски, ленты), перехватываются промежуточным программным слоем-подсистемой б
Общая модель файловой системы
Функционирование любой файловой системы можно представить многоуровневой моделью, в
которой каждый уровень предоставляет некоторый интерфейс (набор функций) вышележащему уровню, а сам, в с
Отображаемые в память файлы
По сравнению с доступом к памяти, традиционный доступ к файлам выглядит запутанным и неудобным. По этой причине некоторые ОС, начиная с MULTICS, обеспечивают отображение файлов в ад
Современные архитектуры файловых систем
Разработчики новых операционных систем стремятся обеспечить пользователя возможностью работать сразу с несколькими файловыми системами. В новом понимании файловая система состоит из
Принципы построения интерфейсов операционных систем
Напомним, что ОС всегда выступает как интерфейс между аппаратурой компьютера и пользователем с его задачами. Под интерфейсами операционных систем здесь и далее следует понимать специальные интерфе
Интерфейс прикладного программирования
Прежде всего необходимо однозначно разделить общий термин API (application program interface, интерфейс прикладного программирования) на следующие направления:
API как интерфейс высо
Реализация функций API на уровне ОС
При реализации функций API на уровне ОC за их выполнение ответственность несет ОС. Объектный код, выполняющий функции, либо непосредственно входит в состав ОС (или даже ядра ОС), либо поставляется
Реализация функций API на уровне системы программирования
Если функции API реализуются на уровне системы программирования, они предоставляются пользователю в виде библиотеки функций соответствующего языка программирования. Обычно речь идет о библиотеке
Реализация функций API с помощью внешних библиотек
При реализации функций API с помощью внешних библиотек они предоставляются пользователю в виде библиотеки процедур и функций, созданной сторонним разработчиком. Причем разработчиком такой библиот
Платформенно-независимый интерфейс POSIX
POSIX (Portable Operating System Interface for Computer Environments) — платформенно независимый системный интерфейс для компьютерного окружения. Это стандарт IEEE, описывающий системные интерфейсы
Проектирование параллельных взаимодействующих вычислительных процессов
При создании современных приложений, позволяющих использовать все возможности операционных систем в плане организации параллельных и распределенных вычислений, одной из важнейших проблем является
Независимые и взаимодействующие вычислительные процессы
Основной особенностью мультипрограммных операционных систем является то, что в их среде параллельно развивается несколько (последовательных) вычислительных процессов. С точки зрения внешнего наблю
Средства синхронизации и связи при проектировании взаимодействующих вычислительных процессов
Все известные средства для решения проблемы взаимного исключения основаны на использовании специально введенных аппаратных возможностей, к которым относятся блокировка памяти, специальные команды
Использование блокировки памяти при синхронизации параллельных процессов
Все вычислительные машины и системы имеют такое средство для организации взаимного исключения, как блокировка памяти. Это средство запрещает одновременное исполнение двух (и более) команд, которы
Алгоритм Деккера
Алгоритм Деккера основан на использовании трех переменных (листинг 6.4): перекл1, перекл2 и ОЧЕРЕДЬ. Пусть по-прежнему переменная перекл1=true тогда, когда процесс ПР1 хочет войти в свой критическ
Семафорные примитивы Дейкстры
Понятие семафорных механизмов было введено Дейкстрой. Семафор — переменная специального типа, которая доступна параллельным процессам для проведения над ней только двух операций: «закрытия» и «отк
Мьютексы
Одним из вариантов семафорных механизмов для организации взаимного исключения являются так называемые мъютексы (mutex). Термин mutex произошел от английского словосочетания mutual exclusion semap
Использование семафоров при проектировании взаимодействующих вычислительных процессов
Семафорные примитивы чрезвычайно широко используются при проектировании разнообразных вычислительных процессов. При этом некоторые задачи являются настолько «типичными», что их детальное рассмотр
Мониторы Хоара
Анализ рассмотренных задач показывает, что, несмотря на очевидные достоинства (простота, независимость от количества процессов, отсутствие «активного ожидания»), семафорные механизмы имеют и ряд н
Новости и инфо для студентов