Для чего в состав ядра включается система ввода вывода
Для чего в состав ядра включается система ввода вывода
Устройства ввода и вывода (I/O) позволяют нам взаимодействовать с компьютерной системой. Ввод-вывод — это передача данных между оперативной памятью и различными периферийными устройствами ввода-вывода. Используя устройства ввода, такие как клавиатуры, мыши, картридеры, сканеры, системы распознавания голоса и сенсорные экраны, мы можем вводить данные в компьютер. Использование устройств вывода, таких как мониторы, принтеры, плоттеры и динамики, позволяет нам получать информацию с компьютера.
Эти устройства напрямую не связаны с процессором. Но есть интерфейс, который управляет передачей данных между ними. Сигналы системной шины преобразуются из формата в формат, приемлемого для данного устройства с помощью данного интерфейса. Связь между этими внешними устройствами и процессором осуществляется через регистры ввода-вывода.
Ядро предоставляет множество служб, связанных с вводом-выводом данных. некоторые службы, такие как планирование, кэширование, буферизация, резервирование устройств и обработка ошибок, предоставляются ядром и основаны на инфраструктуре аппаратного обеспечения и драйверов устройств.
Мы обсудим такие службы ядра, как планирование ввода-вывода, кэширование, буферизация, резервирование устройств, защита ввода-вывода и обработка ошибок.
Это означает, что необходимо определить хороший порядок, в котором будут выполняться запросы ввода-вывода, называемые дисковым планированием.
Планирование запросов ввода-вывода может значительно повысить общую эффективность. Приоритеты также могут играть важную роль в планировании запросов и снижать среднее время ожидания завершения ввода-вывода.
При таком доступе к устройству разрешения будут справедливы для всех заданий. Когда приложение выполняет блокирующий системный вызов ввода-вывода, запрос помещается в очередь заданий для этого устройства. Порядок очередей перестраивается планировщиком ввода-вывода ядра для повышения общей эффективности системы.
Это подразумевает хранение копии данных в более быстром месте доступа, чем то, где они обычно хранятся.
Например, когда вы запрашиваете файл, просматривая веб-страницу, они хранятся на жестком диске в подкаталоге кэша подкаталога Вашего браузера. Когда вы возвращаетесь на страницу, которую недавно посетили, браузер может получить эти файлы из кэша, а не с исходного сервера, экономя ваше время и избавляя сеть от бремени дополнительного трафика.
Буфер-это область памяти, поддерживаемая подсистемой ввода-вывода ядра, которая хранит данные во время их передачи между двумя устройствами или между устройством с приложением.
Буферизация выполняется по трем причинам.
Spool-это тип буфера, который содержит выходные данные для устройства. Это процесс, в котором задания с карт считываются непосредственно на диск, а расположение этой карты на диске записывается в таблицу операционной системой. Когда это задание требуется для выполнения, оно считывается с диска. Например, несколько приложений хотят распечатать свои выходные данные одновременно, поэтому буферизация решает эту проблему, поддерживая очередь для выходных данных. Принтер не принимает чередующиеся данные. Выходные данные всех приложений помещаются в отдельный файл на диске. Когда приложение завершает печать, система буферизации помещает соответствующий файл spool в очередь для вывода на принтер.
5) Резервирование Устройства
Он обеспечивает эксклюзивный доступ к устройству. Выделение устройств, когда это требуется процессами, и это устройство, когда оно больше не нужно. Это предотвращает тупик. Многие операционные системы предоставляют функции, позволяющие процессам координировать свои действия и предоставлять к ним эксклюзивный доступ.
6) Защита Ввода-Вывода
Ввод-вывод должен выполняться с помощью системных вызовов. Пользовательские процессы могут случайно или целенаправленно пытаться нарушить нормальную работу с помощью незаконных инструкций ввода-вывода. Чтобы запретить пользователю выполнять все инструкции ввода-вывода, определенные как привилегированные.
7) Обработка Ошибок
Операционная система, использующая защищенную память, которая может защитить от многих видов аппаратных и прикладных ошибок. Устройства и передачи ввода-вывода могут выходить из строя каким-либо образом, либо по временным причинам, как при перегрузке сети, либо по постоянным причинам, как при неисправности контроллера диска.
Системы ввода-вывода
Подсистема ввода-вывода в ядре ОС
ОС осуществляет планирование, включая упорядочение запросов на ввод- вывод в очередях к каждому устройству.
ОС обеспечивает буферизацию – запись данных в память в процессе передачи между устройствами. Цели буферизации :
Весьма важна также такая функция ОС, как буферизация вывода (spooling) – задержка вывода на устройство, с целью поддержания целостности информации, выводимой одним и тем же процессом. Типичный пример – печать на принтер.
ОС выполняет также резервирование устройства – обеспечение монопольного доступа к нему. Имеются системные вызовы для занятия и освобождения устройства монопольного доступа. ОС контролирует отсутствие тупиков ( deadlocks ), которые возможны при монопольном использовании устройств.
Структуры данных для ввода-вывода в ядре ОС
Структура модулей ввода-вывода в системе UNIX изображена на рис. 21.5.
Жизненный цикл запроса на ввод-вывод
Рассмотрим более подробно процесс чтения из дискового файла. Он состоит из следующих этапов:
Жизненный цикл запроса на ввод- вывод изображен на рис. 21.6.
Производительность ввода-вывода
Ввод- вывод – важный фактор в производительности системы. Имеются несколько факторов, определяющих, насколько ввод- вывод критичен по эффективности в системе:
Выводы. Для повышения производительности ввода-вывода и сетевого взаимодействия в системе необходимо:
Система ввода вывода, оперативная память компьютера.
В этой статье речь пойдет о таких темах как система ввода вывода, а также мы поговорим об оперативной памяти компьютера, разберемся, как она взаимодействует с системой ввода вывода.
Система ввода вывода
Одной из главных задач ОС является обеспечение обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера. В современных ОС эту функцию выполняет подсистема ввода/вывода.
Основные компоненты подсистемы ввода/вывода:
Подсистема ввода/вывода мультипрограммной ОС при обмене данными с внешними устройствами компьютера должна решать ряд общих задач, из которых наиболее важными являются следующие:
Организация параллельной работы устройств ввода/вывода и процессора
Каждое устройство ввода/вывода вычислительной системы снабжено устройством управления – контроллером. Контроллер взаимодействует с драйвером – системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством.
Контроллер периодически принимает от драйвера выводимую на устройство информацию, а также команды управления, которые говорят о том, что с этой информацией нужно сделать. Под руководством контроллера устройство может выполнять некоторое время свои операции автономно, не требуя внимания со стороны ЦП. Это время зависит от многих факторов – объема выводимой информации, степени интеллектуальности управляющего устройством контроллера, быстродействия устройства и т.п. Даже самый примитивный контроллер, выполняющий простые функции, обычно тратит довольно много времени на реализацию подобной функции после получения очередной команды от процессора. Это же справедливо и для сложных контроллеров, т.к. скорость работы любого устройства ввода/вывода обычно существенно ниже скорости работы процессора.
Процессы, происходящие в контроллерах, протекают в периоды между выдачей команд независимо от ОС. От подсистемы ввода/вывода требуется спланировать в реальном масштабе времени (в котором работают внешние устройства) запуск и приостановку большого количества разнообразных драйверов, обеспечив приемлемое время реакции каждого драйвера на независимые события контроллера. С другой стороны, необходимо минимизировать загрузку процессора задачами ввода-вывода, оставив как можно больше процессорного времени на выполнение пользовательских потоков.
Данная задача обычно решается на основе многоуровневой приоритетной схемы обслуживания по прерываниям.
Согласование скоростей обмена и кэширование данных
Накопители на магнитных дисках обладают крайне низкой скоростью по сравнению с быстродействием центральной части компьютера: средняя скорость работы процессора с ОП на 2-3 порядка выше, чем средняя скорость передачи данных из внешней памяти в ОП.
Буферизация только на основе ОП в подсистеме ввода-вывода оказывается недостаточной – разница между скоростью обмена с ОП, куда процессы помещают данные для обработки, и скоростью работы внешнего устройства часто становится слишком значительной и объема ОП просто может не хватить.
Для того чтобы сгладить такое сильное несоответствие в производительности основных подсистем, используется буферирование и/или кэширование данных.
Часто в качестве буфера используют используется дисковый файл, называемый также спул-файлом (spool – шпулька).
Пример. Организация вывода данных на принтер.
Другое решение этой проблемы – использование большой буферной памяти в контроллерах внешних устройств. Такой подход особенно полезен в тех случаях, когда помещение данных на диск слишком замедляет обмен (или когда данные выводятся на сам диск).
Пример. Буферная память в контроллерах графических дисплеев.
Кэширование исключительно полезно в том случае, когда программа неоднократно читает с диска одни и те же данные. После того как они один раз будут помещены в кэш, обращений к диску больше не потребуется и скорость работы программы значительно возрастет.
Разделение устройств и данных между процессами
Устройства ввода/вывода могут предоставляться процессам как в монопольное, так и в совместное (разделяемое) использование. При этом ОС должна обеспечивать контроль доступа теми же способами, что и при доступе процессов к другим ресурсам вычислительной системы – путем проверки прав пользователя или группы пользователей, от имени которых действует процесс, на выполнение той или иной операции над устройством. Например, определенной группе пользователей последовательный порт разрешено захватывать монопольное владение, а другим пользователям это запрещено.
ОС может контролировать доступ не только к устройству в целом, но и к отдельным порциям данных, хранимых или отображаемых этим устройством. Диск является типичным примером устройства, для которого важно контролировать доступ не к устройству в целом, а к отдельным каталогам и файлам.
Разнообразие устройств ввода-вывода делают особенно актуальной функцию ОС по созданию логического интерфейса между периферийными устройствами и приложениями. Практически все современные ОС поддерживают в качестве основы такого интерфейса файловую модель периферийных устройств, когда любое устройство выглядит для прикладного программиста последовательным набором байт, с которым можно работать с помощью унифицированных системных вызовов (например, read и write), задавая имя файла-устройства и смещения от начала последовательности байт.
Обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер.
Пример.
PRN, LPT1 – для порта принтера, CON – для клавиатуры (символьные имена, а для ОС – это файлы).
Привлекательность модели файла-устройства состоит в ее простоте и унифицированности для устройств любого типа, однако во многих случаях для программирования операций ввода-вывода некоторого устройства она является слишком бедной. Поэтому данная модель часто используется только в качестве базиса, над которым подсистема ввода-вывода строит более содержательную модель устройств конкретного типа.
Достоинством подсистемы ввода/вывода любой универсальной ОС является наличие разнообразного набора драйверов для наиболее популярных периферийных устройств.
Прекрасно спланированная и реализованная ОС может потерпеть неудачу на рынке только из-за того, что в ее состав не включен достаточный набор драйверов и администраторы и пользователи вынуждены искать нужный им драйвер или заниматься его разработкой (первые версии OS/2).
Таким образом, для пользователя очень важно, чтобы ОС включала как можно больше разнообразных драйверов, так как это гарантирует возможность подключения к компьютеру большого числа внешних устройств различных производителей.
Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра ОС (модулями подсистемы ввода-вывода, модулями системных вызовов, модулями подсистем управления процессами и памятью), а с другой стороны – с контроллерами внешних устройств. Поэтому существует два типа интерфейсов:
Для поддержки процесса разработки драйверов ОС обычно выпускается так называемый пакет DDK (Driver Development Kit), представляющий собой набор соответствующих инструментальных средств – библиотек, компиляторов и отладчиков.
Кроме проблемы разработки новых драйверов существует также проблема включения драйвера в состав модулей работающей ОС, то есть динамической загрузки-выгрузки драйвера. Так как набор потенциально поддерживаемых данной ОС периферийных устройств всегда существенно шире набора устройств, которыми ОС должна управлять при установке на конкретной машине, то ценным свойством ОС является возможность динамически загружать в ОП требуемый драйвер и выгружать его после того, как потребность в поддержке устройства миновала, что может существенно сэкономить системную область памяти.
Поддержка нескольких файловых систем
Пользовательские и системные файлы хранятся на дисках. Эти данные организуются в файловые системы. Свойства файловой системы во многом определяют свойства самой ОС: отказоустойчивость, быстродействие, максимальный объем хранимых данных.
Файловая система – подсистема ОС, определяющая способ организации данных на диске.
Файловая система отвечает за выполнение следующих действий:
Популярность файловой системы часто приводит к ее «миграции» из «родной» ОС в другие ОС.
Файловая система FAT появилась первоначально в MS-DOS, затем была реализована в OS/2, в семействе MS Windows и многих реализациях UNIX.
Ввиду этого поддержка нескольких популярных файловых систем для подсистемы ввода-вывода также важна, как и поддержка широкого спектра периферийных устройств. Важно также, чтобы архитектура подсистемы ввода-вывода позволяла достаточно просто включать в ее состав новые типы файловых систем, без необходимости переписывания кода. Обычно в ОС имеется специальный слой программного обеспечения, отвечающий за решение данной задачи.
Слой VFS (Virtual File System) в версиях UNIX на основе кода System V Release 4.
Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода
Операция ввода-вывода может выполняться по отношению к программному модулю, запросившему операцию, в синхронном или асинхронном режимах.
Синхронный режим означает, что программный модуль приостанавливает свою работу до тех пор, пока операция ввода-вывода не будет завершена.
Асинхронный режим означает, что программный модуль продолжает выполняться в мультипрограммном режиме одновременно с операцией ввода-вывода.
Простейшим вариантом асинхронного вывода является так называемый буферированный вывод данных на внешнее устройство, при котором данные из приложения передаются не непосредственно на устройство ввода-вывода, а в специальный системный буфер. В этом случае логически операция вывода для приложения считается выполненной сразу же, и задача может не ожидать окончания действительного процесса передачи данных на устройство. Процессом реального вывода данных из системного буфера занимается супервизор ввода/вывода.
Системы ввода-вывода
Подсистема ввода-вывода в ядре ОС
ОС осуществляет планирование, включая упорядочение запросов на ввод- вывод в очередях к каждому устройству.
ОС обеспечивает буферизацию – запись данных в память в процессе передачи между устройствами. Цели буферизации :
Весьма важна также такая функция ОС, как буферизация вывода (spooling) – задержка вывода на устройство, с целью поддержания целостности информации, выводимой одним и тем же процессом. Типичный пример – печать на принтер.
ОС выполняет также резервирование устройства – обеспечение монопольного доступа к нему. Имеются системные вызовы для занятия и освобождения устройства монопольного доступа. ОС контролирует отсутствие тупиков ( deadlocks ), которые возможны при монопольном использовании устройств.
Структуры данных для ввода-вывода в ядре ОС
Структура модулей ввода-вывода в системе UNIX изображена на рис. 21.5.
Жизненный цикл запроса на ввод-вывод
Рассмотрим более подробно процесс чтения из дискового файла. Он состоит из следующих этапов:
Жизненный цикл запроса на ввод- вывод изображен на рис. 21.6.
Производительность ввода-вывода
Ввод- вывод – важный фактор в производительности системы. Имеются несколько факторов, определяющих, насколько ввод- вывод критичен по эффективности в системе:
Выводы. Для повышения производительности ввода-вывода и сетевого взаимодействия в системе необходимо:
Управление вводом-выводом в операционных системах (стр. 1 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 |
Управление вводом-выводом в операционных системах
Побудительной причиной, в конечном итоге приведшей разработчиков к созданию системного программного обеспечения, в том числе операционных систем, стала необходимость предоставить программам средства обмена данными с внешними устройствами, которые бы не требовали непосредственного включения в каждую программу двоичного кода, управляющего устройствами ввода-вывода. Программирование ввода-вывода является наиболее сложным и трудоемким, требующим очень высокой квалификации. Поэтому код, реализующий операции ввода-вывода, сначала стали оформлять в виде системных библиотечных процедур, а потом и вовсе вывели из систем программирования, включив в операционную систему. Это позволило не писать такой код в каждой программе, а только обращаться к нему — системы программирования стали генерировать обращения к системному коду ввода-вывода. Таким образом, управление вводом-выводом — это одна из основных функций любой операционной системы.
С одной стороны, организация ввода-вывода в различных операционных системах имеет много общего. С другой стороны, реализация ввода-вывода в ОС так сильно отличается от системы к системе, что очень нелегко выделить и описать именно основные принципы реализации этих функций. Проблема усугубляется еще и тем, что в большинстве ныне используемых систем эти моменты вообще, как правило, подробно не описаны (исключением являются только системы Linux и FreeBSD, для которых имеются комментированные исходные тексты), а детально описываются только функции API, реализующие ввод-вывод. Другими словами, для тех же систем Windows от компании Microsoft мы воспринимаем подсистему ввода-вывода как «черный ящик». Известно, как можно и нужно использовать эту подсистему, но детали ее внутреннего устройства остаются неизвестными. Поэтому мы рассмотрим только основные идеи и концепции. Наконец, поскольку такой важный ресурс, как внешняя память, в основном реализуется на устройствах ввода-вывода с прямым доступом, а к ним, прежде всего, относятся накопители на магнитных дисках, мы также рассмотрим логическую структуру диска, начальную стадию процесса загрузки операционной системы, кэширование операций ввода-вывода, оптимизацию дисковых операций.
Основные концепции организации ввода-вывода в операционных системах
Как известно, ввод-вывод считается одной из самых сложных областей проектирования операционных систем, в которой сложно применить общий подход и в которой изобилуют частные методы. В действительности, источником сложности является огромное число устройств ввода-вывода разнообразной природы, которые должна поддерживать операционная система. При этом перед создателями операционной системы встает очень непростая задача — не только обеспечить эффективное управление устройствами ввода-вывода, но и создать удобный и эффективный виртуальный интерфейс устройств ввода-вывода, позволяющий прикладным программистам просто считывать или сохранять данные, не обращая внимание на специфику устройств и проблемы распределения устройств между выполняющимися задачами. Система ввода-вывода, способная объединить в одной модели широкий спектр устройств, должна быть универсальной. Она должна учитывать потребности существующих устройств, от простой мыши до клавиатур, принтеров, графических дисплеев, дисковых накопителей, компакт-дисков и даже сетей. С другой стороны, необходимо обеспечить доступ к устройствам ввода-вывода для множества параллельно выполняющихся задач, причем так, чтобы они как можно меньше мешали друг другу.
Поэтому самым главным является следующий принцип: любые операции по управлению вводом-выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только кодом самой операционной системы. Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров даже вводятся режимы пользователя и супервизора. Последний еще называют привилегированным режимом, или режимом ядра. Как правило, в режиме супервизора выполнение команд ввода-вывода разрешено, а в пользовательском режиме — запрещено. Обращение к командам ввода-вывода в пользовательском режиме вызывает исключение[1], и управление через механизм прерываний передается коду операционной системы. Хотя возможны и более сложные схемы, в которых в ряде случаев пользовательским программам может быть разрешено непосредственное выполнение команд ввода-вывода.
Прежде всего, разговор идет о мультипрограммных операционных системах, для которых существует проблема разделения ресурсов, и одним из основных видов ресурсов являются устройства ввода-вывода и соответствующее программное обеспечение, с помощью которого осуществляется обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью. Помимо разделяемых устройств ввода-вывода (эти устройства допускают разделение посредством механизма доступа) существуют неразделяемые устройства. Примерами разделяемого устройства могут служить накопитель на магнитных дисках, устройство чтения компакт-дисков. Это устройства с прямым доступом. Примеры неразделяемых устройств — принтер, накопитель на магнитных лентах. Это устройства с последовательным доступом. Операционные системы должны управлять и теми, и другими, предоставляя возможность параллельно выполняющимся задачам их использовать.
Можно назвать три основные причины, по которым нельзя разрешать каждой отдельной пользовательской программе обращаться к внешним устройствам непосредственно.
1. Необходимость разрешать возможные конфликты в доступе к устройствам ввода-вывода. Например, пусть две параллельно выполняющиеся программы пытаются вывести на печать результаты своей работы. Если не предусмотреть внешнего управления устройством печати, то в результате мы можем получить абсолютно нечитаемый текст, так как каждая программа будет время от времени выводить свои данные, перемежающиеся с данными от другой программы. Либо можно взять ситуацию, когда для одной программы необходимо прочитать данные с одного сектора магнитного диска, а для другой записать результаты в другой сектор того же накопителя. Если операции ввода-вывода не будут отслеживаться каким-то третьим (внешним) процессом-арбитром, то после позиционирования магнитной головки для первой задачи может тут же прийти команда позиционирования головки для второй задачи, и обе операции ввода-вывода не смогут выполниться корректно.
2. Желание увеличить эффективность использования ресурсов ввода-вывода. Например, у накопителя на магнитных дисках время подвода головки чтения/записи к необходимой дорожке и время обращения к определенному сектору могут значительно (до тысячи раз) превышать время пересылки данных. В результате, если задачи по очереди обращаются к цилиндрам, далеко отстоящим друг от друга, то полезная работа, выполняемая накопителем, может быть существенно снижена.
3. Необходимость избавить программы ввода-вывода от ошибок. Ошибки в программах ввода-вывода могут привести к краху всех вычислительных процессов, ибо часть операций ввода-вывода требуются самой операционной системе. В ряде операционных систем системный ввод-вывод имеет существенно более высокие привилегии, чем ввод-вывод задач пользователя. Поэтому системный код, управляющий операциями ввода-вывода, очень тщательно отлаживается и оптимизируется для повышения надежности вычислений и эффективности использования оборудования.
Итак, управление вводом-выводом осуществляется компонентом операционной системы, который часто называют супервизором ввода-вывода. Перечислим основные задачи, возлагаемые на супервизор.
1. Модуль супервизора операционной системы, иногда называемый супервизором задач, получает запросы от прикладных задач на выполнение тех или иных операций, в том числе на ввод-вывод. Эти запросы проверяются на корректность и, если они соответствуют спецификациям и не содержат ошибок, то обрабатываются дальше. В противном случае пользователю (задаче) выдается соответствующее диагностическое сообщение о недействительности (некорректности) запроса.
2. Супервизор ввода-вывода получает запросы на ввод-вывод от супервизора задач или от программных модулей самой операционной системы.
3. Супервизор ввода-вывода вызывает соответствующие распределители каналов и контроллеров, планирует ввод-вывод (определяет очередность предоставления устройств ввода-вывода задачам, затребовавшим эти устройства). Запрос на ввод-вывод либо тут же выполняется, либо ставится в очередь на выполнение.
4. Супервизор ввода-вывода инициирует операции ввода-вывода (передает управление соответствующим драйверам) и в случае управления вводом-выводом с использованием прерываний предоставляет процессор диспетчеру задач с тем, чтобы передать его первой задаче, стоящей в очереди на выполнение.
5. При получении сигналов прерываний от устройств ввода-вывода супервизор идентифицирует эти сигналы и передает управление соответствующим программам обработки прерываний.
6. Супервизор ввода-вывода осуществляет передачу сообщений об ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями ввода-вывода.
7. Супервизор ввода-вывода посылает сообщения о завершении операции ввода-вывода запросившей эту операцию задаче и снимает ее с состояния ожидания ввода-вывода, если задача ожидала завершения операции.
В случае если устройство ввода-вывода является инициативным[2], управление со стороны супервизора ввода-вывода будет заключаться в активизации соответствующего вычислительного процесса (перевод его в состояние готовности к выполнению).
Таким образом, прикладные программы (а в общем случае — все обрабатывающие программы) не могут непосредственно связываться с устройствами ввода-вывода независимо от того, в каком режиме используются эти устройства (монопольно или совместно), но, установив соответствующие значения параметров в запросе на ввод-вывод, определяющие требуемую операцию и количество потребляемых ресурсов, обращаются к супервизору задач. Последний передает управление супервизору ввода-вывода, который и запускает необходимые логические и физические операции.
Упомянутый выше запрос на ввод-вывод должен удовлетворять требованиям API той операционной системы, в среде которой выполняется приложение. Параметры, которые указываются в запросах на ввод-вывод, передаются не только в вызывающих последовательностях, создаваемых по спецификациям API, но и как данные, хранящиеся в соответствующих системных таблицах. Все параметры, которые будут стоять в вызывающей последовательности, предоставляются компилятором и отражают требования программиста, а также постоянные сведения об операционной системе и архитектуре компьютера в целом. Переменные сведения о вычислительной системе (ее конфигурация, состав оборудования, состав и особенности системного программного обеспечения) содержатся в специальных системных таблицах. Процессору, каналам прямого доступа в память и контроллерам необходимо передавать «конкретную двоичную информацию, с помощью которой и осуществляется управление оборудованием. Эта конкретная двоичная информация в виде кодов и данных часто готовится с помощью препроцессоров, но часть ее хранится в системных таблицах.
Режимы управления вводом-выводом
Как известно, имеется два основных режима ввода-вывода: режим обмена с опросом готовности устройства ввода-вывода и режим обмена с прерываниями (рис. 1).
Пусть для простоты рассмотрения этих вопросов управление вводом-выводом осуществляет центральный процессор. В этом случае часто говорят о работе 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). Итак, пусть центральный процессор посылает команду устройству управления, требующую, чтобы устройство ввода-вывода выполнило некоторое действие. Например, если мы управляем дисководом, то это может быть команда на включение двигателя или команда, связанная с позиционированием магнитных головок. Устройство управления исполняет команду, транслируя сигналы, понятные ему и центральному устройству, в сигналы, понятные устройству ввода-вывода. После выполнения команды устройство ввода-вывода (или его устройство управления) выдает сигнал готовности, который сообщает процессору о том, что можно выдать новую команду для продолжения обмена данными. Однако поскольку быстродействие устройства ввода-вывода намного меньше быстродействия центрального процессора (порой на несколько порядков), то сигнал готовности 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 выдачи процессором очередной команды по управлению обменом данными и переключения его 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 установкой 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 или просто для инициализации 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. Поскольку используемый интерфейс может потребовать для управления вводом-выводом несколько последовательностей управляющих команд, а сигнал прерывания у устройства, как правило, только один, то после выполнения очередной секции прерывания супервизор прерываний при следующем сигнале готовности должен передать управление другой секции. Это делается путем изменения адреса обработки прерывания после выполнения очередной секции, а если имеется только одна секция продолжения, она сама передает управление в ту или иную часть кода подпрограммы обработки прерывания.
Секция завершения обычно выключает устройство ввода-вывода или просто завершает операцию.
Управление операциями ввода-вывода в режиме прерываний требует значительных усилий со стороны системных программистов — такие программы создавать сложнее. Примером тому может служить существующая ситуация с драйверами печати. Так, в операционных системах Windows (и Windows 9x, и Windows NT/2000) печать через параллельный порт осуществляется не в режиме с прерываниями, как это сделано в других ОС, а в режиме опроса готовности, что приводит к 100-процентной загрузке центрального процессора на все время печати. При этом, естественно, выполняются и другие задачи, запущенные на исполнение, но исключительно за счет того, что упомянутые операционные системы поддерживают вытесняющую мультизадачность, время от времени прерывая процесс управления печатью и передавая центральный процессор остальным задачам.
Закрепление устройств, общие устройства ввода-вывода
Как известно, многие устройства и, прежде всего, устройства с последовательным доступом не допускают совместного использования. Такие устройства могут стать закрепленными за процессом, то есть их можно предоставить некоторому вычислительному процессу на все время жизни этого процесса. Однако это приводит к тому, что вычислительные процессы часто не могут выполняться параллельно — они ожидают освобождения устройств ввода-вывода. Чтобы организовать совместное использование многими параллельно выполняющимися задачами тех устройств ввода-вывода, которые не могут быть разделяемыми, вводится понятие виртуальных устройств. Принцип виртуализации позволяет повысить эффективность вычислительной системы.
Вообще говоря, понятие виртуального устройства шире, нежели понятие спулинга (spooling — Simultaneous Peripheral Operation On-Line, то есть имитация работы с устройством в режиме непосредственного подключения к нему). Основное назначение спулинга — создать видимость разделения устройства ввода-вывода, которое фактически является устройством с последовательным доступом и должно использоваться только монопольно и быть закрепленным за процессом. Например, в случае, когда несколько приложений должны выводить на печать результаты своей работы, если разрешить каждому такому приложению печатать строку по первому же требованию, то это приведет к потоку строк, не представляющих никакой ценности. Однако если каждому вычислительному процессу предоставлять не реальный, а виртуальный принтер, и поток выводимых символов (или управляющих кодов для их печати) сначала направлять в специальный файл на диске (так называемый спул-файл — spool-file) и только потом, по окончании виртуальной печати, в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания и приоритетами приложений выводить содержимое спул-файла на принтер, то все результаты работы можно будет легко читать. Системные процессы, которые управляют спул-файлом, называются спулером чтения (spool-reader) или спулером записи (spool-writer).
Достаточно рационально организована работа с виртуальными устройствами в системах Windows 9x/NT/2000/XP компании Microsoft. В качестве примера можно кратко рассмотреть подсистему печати. Microsoft различает термины «принтер» и «устройство печати». Принтер — это некоторая виртуализация, объект операционной системы, а устройство печати — это физическое устройство, которое может быть подключено к компьютеру. Принтер может быть локальным или сетевым.
При установке локального принтера в операционной системе создается новый объект, связанный с реальным устройством печати через тот или иной интерфейс. Интерфейс может быть и сетевым, то есть передача управляющих кодов в устройство печати может осуществляться через локальную вычислительную сеть, однако принтер все равно будет считаться локальным.
Локальность принтера означает, что его спул-файл будет находиться на том же компьютере, что и принтер. Если же некоторый локальный принтер предоставить в сети в общий доступ с теми или иными разрешениями, то для других компьютеров и их пользователей он может стать сетевым. Компьютер, на котором имеется локальный принтер, предоставленный в общий доступ, называется принт-сервером.
Для получения управляющих кодов принтера устанавливается программное обеспечение (компания Microsoft называет его высокоуровневым драйвером, хотя правильнее было бы называть его иначе: например, препроцессором). Эти управляющие коды посылаются на устройство печати по соответствующему интерфейсу через назначенные принтеру порты и управляют работой устройства печати. При получении операционной системой от приложения запроса на печать она выделяет для этого процесса виртуальный принтер. Можно сказать, что операционная система закрепляет за процессом виртуальный принтер, но никак не устройство печати. Обработанные драйвером принтера данные, посланные на него из приложения, как правило (по умолчанию), направляются в спул-файл, откуда они затем передаются на печать по мере освобождения устройства печати и в соответствии с приоритетом локального принтера. При установке сетевого принтера операционная система устанавливает для этого объекта высокоуровневый драйвер и связывает полученный объект со спулером того компьютера, на котором установлен соответствующий локальный принтер.
Локальных принтеров, связанных с конкретным устройством печати, на компьютере может быть несколько. Каждому локальному принтеру можно назначить тот или иной приоритет, который будет учитываться при формировании очереди печати в процессе работы спулера. В результате каждый процесс может послать на печать свои данные и не связывать реальное выполнение некоторого задания на печать с занятостью или освобождением самого устройства печати. Приоритетность в печати определяется приоритетом того локального или сетевого принтера, к которому обратилось приложение.
Основные системные таблицы ввода-вывода
Для управления всеми операциями ввода-вывода и отслеживания состояния всех ресурсов, занятых в обмене данными, операционная система должна иметь соответствующие информационные структуры. Эти информационные структуры, прежде всего, призваны отображать следующую информацию:
— состав устройств ввода-вывода и способы их подключения;
— аппаратные ресурсы, закрепленные за имеющимися в системе устройствами ввода-вывода;
— логические (символьные) имена устройств ввода-вывода, используя которые вычислительные процессы могут запрашивать те или иные операции ввода-вывода;
— адреса размещения драйверов устройств ввода-вывода и области памяти для хранения текущих значений переменных, определяющих работу с этими устройствами;
— области памяти для хранения информации о текущем состоянии устройства ввода-вывода и параметрах, определяющих режимы работы устройства;
— данные о текущем процессе, который работает с данным устройством;
— адреса тех областей памяти, которые содержат данные, собственно и участвующие в операциях ввода-вывода (получаемые при операциях ввода данных и выводимые на устройство при операциях вывода данных).
Эти информационные структуры часто называют таблицами ввода-вывода, хотя они, в принципе, могут быть организованы и в виде списков.
Каждая операционная система ведет свои таблицы ввода-вывода, их состав (и количество, и назначение каждой таблицы) может сильно отличаться. В некоторых операционных системах вместо таблиц создаются списки, хотя использование статических структур данных для организации ввода-вывода, как правило, приводит к более высокому быстродействию. Здесь очень трудно вычленить общие составляющие, тем более что для современных операционных систем подробной документации на эту тему крайне мало, разве что воспользоваться материалами ныне устаревших ОС. Тем не менее, попытаемся это сделать, опираясь на идеи семейства простых, но эффективных операционных систем реального времени, разработанных фирмой Hewlett Packard для своих мини-ЭВМ.
Исходя из принципа управления вводом-выводом исключительно через супервизор операционной системы и учитывая, что драйверы устройств ввода-вывода используют механизм прерываний для установления обратной связи центральной части с внешними устройствами, можно сделать вывод о необходимости создания, по крайней мере, трех системных таблиц.
Первая таблица (или список) содержит информацию обо всех устройствах ввода-вывода, подключенных к вычислительной системе. Назовем ее условно таблицей оборудования (equipment table), а каждый элемент этой таблицы пусть называется UCB (Unit Control Block — блок управления устройством ввода-вывода). Каждый элемент UCB таблицы оборудования, как правило, содержит следующую информацию об устройстве:
— тип устройства, его конкретная модель, символическое имя и характеристики устройства;
— способ подключения устройства (через какой интерфейс, к какому разъему, какие порты и линия запроса прерывания используются и т. д.);
— номер и адрес канала (и подканала), если такие используются для управления устройством;
— информация о драйвере, который должен управлять этим устройством, адреса секции запуска и секции продолжения драйвера;
— информация о том, используется или нет буферизация при обмене данными с устройством, «имя» (или просто адрес) буфера, если такой выделяется из системной области памяти;
— установка тайм-аута и ячейки для счетчика тайм-аута;
— поле указателя для связи задач, ожидающих устройство;
— возможно, множество других сведений.
Поясним перечисленное. Поскольку во многих операционных системах драйверы могут обладать свойством реентерабельности (это означает, что один и тот же экземпляр драйвера может обеспечить параллельное обслуживание сразу нескольких однотипных устройств), то в элементе UCB должна храниться либо непосредственно сама информация о текущем состоянии устройства и сами переменные для реентерабельной обработки, либо указание на место, где такая информация может быть найдена. Наконец, важнейшим компонентом элемента таблицы оборудования является указатель на дескриптор той задачи, которая в настоящий момент использует данное устройство. Если устройство свободно, то поле указателя будет иметь нулевое значение. Если же устройство уже занято и рассматриваемый указатель не нулевой, то новые запросы к устройству фиксируются посредством образования списка из дескрипторов задач, ожидающих данное устройство.
Вторая таблица предназначена для реализации еще одного принципа виртуализации устройств ввода-вывода — принципа независимости от устройства. Желательно, чтобы программисту не приходилось учитывать конкретные параметры (и/или возможности) того или иного устройства ввода-вывода, которое установлено (или не установлено) в компьютер. Для него должны быть важными только самые общие возможности, характерные для данного класса устройств ввода-вывода. Например, принтер должен уметь выводить (печатать) символы или графические изображения. А накопитель на магнитных дисках — считывать или записывать порцию данных по указанному адресу, то есть в координатах C-H-S (Cylinder-Head-Sector — номера цилиндра, головки и сектора) или по порядковому номеру блока данных. Хотя чаще всего программист и не использует прямую адресацию при работе с магнитными дисками, а работает на уровне файловой системы. Однако в таком случае уже разработчики системы управления файлами не должны зависеть от того, каких типа и модели накопитель используется в данном компьютере и кто является его производителем (например, HDD IBM IC35L120AVV207-0, WD1200JB или еще какой-нибудь). Важным должен быть только сам факт существования накопителя, имеющего некоторое количество цилиндров, головок чтения-записи и секторов на дорожке магнитного диска. Упомянутые значения количества цилиндров, головок и секторов должны быть взяты из элемента таблицы оборудования. При этом для программиста также не должно иметь значения, каким образом то или иное устройство подключено к вычислительной системе. Поэтому в запросе на ввод-вывод программист указывает именно логическое имя устройства. Действительное устройство, которое сопоставляется виртуальному (логическому), выбирается супервизором с помощью описываемой таблицы.
Итак, способ подключения устройства, его конкретная модель и соответствующий ей драйвер содержатся в уже рассмотренной таблице оборудования. Но для того чтобы связать некоторое виртуальное устройство, использованное программистом, с системной таблицей, отображающей информацию о том, какое конкретно устройство и каким образом подключено к компьютеру, требуется вторая системная таблица. Назовем ее условно таблицей виртуальных логических устройств (Device Reference Table, DRT). Назначение этой второй таблицы — установление связи между виртуальными (логическими) устройствами и реальными устройствами, описанными посредством первой таблицы (таблицы оборудования). Другими словами, вторая таблица позволяет супервизору перенаправить запрос на ввод-вывод из приложения в те программные модули и структуры данных, которые (или адреса которых) хранятся в соответствующем элементе первой таблицы. Во многих многопользовательских системах таких таблиц несколько: одна общая и по одной на каждого пользователя, что позволяет строить необходимые связи между логическими устройствами (символьными именами устройств) и реальными физическими устройствами, которые имеются в системе.
Наконец, третья таблица — таблица прерываний — необходима для организации обратной связи между центральной частью и устройствами ввода-вывода. Эта таблица указывает для каждого сигнала запроса на прерывание тот элемент UCB, который сопоставлен данному устройству. Каждое устройство либо имеет свою линию запроса на прерывание, либо разделяет линию запроса на прерывание с другими устройствами, но при этом имеется механизм второго уровня адресации устройств ввода-вывода. Таким образом, таблица прерываний отображает связи между сигналами запроса на прерывания и самими устройствами ввода-вывода. Как и системная таблица ввода-вывода, таблица прерываний в явном виде может и не присутствовать. Другими словами, можно сразу из основной таблицы прерываний компьютера передать управление на программу обработки (драйвер), связанную с элементом UCB. Важно наличие связи между сигналами прерываний и таблицей оборудования.
В ряде сложных операционных систем, а к ним следует отнести все современные 32-разрядные системы для персональных компьютеров, имеется гораздо больше системных таблиц или списков, используемых для организации управления операциями ввода-вывода. Например, одной из возможных и часто реализуемых информационных структур, сопровождающих практически каждый запрос на ввод-вывод, является блок управления данными (Data Control Block, DCB). Назначение DCB — подключение препроцессоров к процессу подготовки данных на ввод-вывод, то есть учет конкретных технических характеристик и используемых преобразований. Это необходимо для того, чтобы имеющееся устройство получало не какие-то непонятные ему коды или форматы данных, не соответствующие режиму его работы, а коды и форматы, созданные специально под данное устройство. Теперь такие препроцессоры часто называют высокоуровневыми драйверами, или просто драйверами, хотя изначально под термином «драйвер» подразумевалась программа управления операциями ввода-вывода.
Взаимосвязи между описанными таблицами изображены на рис. 2.
Рассмотрим процесс управления вводом-выводом еще раз, теперь с учетом изложенных принципов (рис. 3).
Запрос на операцию ввода-вывода от выполняющейся программы поступает на супервизор задач (шаг 1). Этот запрос представляет собой обращение к операционной системе и указывает на конкретную функцию API. Вызов сопровождается некоторыми параметрами, уточняющими требуемую операцию. Модуль операционной системы, принимающий от задач запросы на те или иные действия, часто называют супервизором задач. Не следует путать его с диспетчером задач. Супервизор задач проверяет системный вызов на соответствие принятым спецификациям и в случае ошибки возвращает задаче соответствующее сообщение (шаг 1-1). Если же запрос корректен, то он перенаправляется в супервизор ввода-вывода (шаг 2). Последний по логическому (виртуальному) имени с помощью таблицы DRT находит соответствующий элемент UCB в таблице оборудования. Если устройство уже занято, то описатель задачи, запрос которой обрабатывается супервизором ввода-вывода, помещается в список задач, ожидающих это устройство. Если же устройство свободно, то супервизор ввода-вывода определяет из UCB тип устройства и при необходимости запускает препроцессор, позволяющий получить последовательность управляющих кодов и данных, которую сможет правильно понять и отработать устройство (шаг 3). Когда «программа» управления операцией ввода-вывода будет готова, супервизор ввода-вывода передает управление соответствующему драйверу на секцию запуска (шаг 4). Драйвер инициализирует операцию управления, обнуляет счетчик тайм-аута и возвращает управление супервизору (диспетчеру задач) с тем, чтобы он поставил на процессор готовую к исполнению задачу (шаг 5). Система работает своим чередом, но когда устройство ввода-вывода отработает посланную ему команду, оно выставляет сигнал запроса на прерывание, по которому через таблицу прерываний управление передается на секцию продолжения (шаг 6). Получив новую команду, устройство вновь начинает ее обрабатывать, а управление процессором опять передается диспетчеру задач, и процессор продолжает выполнять полезную работу. Таким образом, получается параллельная обработка задач, на фоне которой процессор осуществляет управление операциями ввода-вывода.
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 операция завершилась, он переводит задачу в состояние готовности к выполнению, и она продолжает выполняться. Эта ситуация соответствует синхронному вводу-выводу. Синхронный ввод-вывод является стандартным для большинства операционных систем. Чтобы увеличить скорость выполнения приложений, было предложено при необходимости использовать асинхронный ввод-вывод.
Простейшим вариантом асинхронного вывода является так называемый буферизованный вывод данных на внешнее устройство, при котором данные из приложения передаются не непосредственно на устройство ввода-вывода, а в специальный системный буфер — область памяти, отведенную для временного размещения передаваемых данных. В этом случае логически операция вывода для приложения считается выполненной сразу же, и задача может не ожидать окончания действительного процесса передачи данных на устройство. Реальным выводом данных из системного буфера занимается супервизор ввода-вывода. Естественно, что выделение буфера из системной области памяти берет на себя специальный системный процесс по указанию супервизора ввода-вывода. Итак, для рассмотренного случая вывод будет асинхронным, если, во-первых, в запросе на ввод-вывод указано на необходимость буферизации данных, а во-вторых, устройство ввода-вывода допускает такие асинхронные операции, и это отмечено в UCB. Можно организовать и асинхронный ввод данных. Однако для этого необходимо не только выделять область памяти для временного хранения считываемых с устройства данных и связывать выделенный буфер с задачей, заказавшей операцию, но и сам запрос на операцию ввода-вывода разбивать на две части (на два запроса). В первом запросе указывается операция на считывание данных, подобно тому, как это делается при синхронном вводе-выводе, однако тип (код) запроса используется другой, и в запросе указывается еще, по крайней мере, один дополнительный параметр — имя (код) системного объекта, которое получает задача в ответ на запрос и которое идентифицирует выделенный буфер. Получив имя буфера (будем так условно называть этот системный объект, хотя в различных операционных системах используются и другие термины, например «класс»), задача продолжает свою работу. Здесь очень важно подчеркнуть, что в результате запроса на асинхронный ввод данных задача не переводится супервизором ввода-вывода в состояние ожидания завершения операции ввода-вывода, а остается в состоянии выполнения или в состоянии готовности к выполнению. Через некоторое время, выполнив необходимый код, который был определен программистом, задача выдает второй запрос на завершение операции ввода-вывода. В этом втором запросе к тому же устройству, который, естественно, имеет другой код (или имя запроса), задача указывает имя системного объекта (буфера для асинхронного ввода данных) и в случае успешного завершения операции считывания данных тут же получает их из системного буфера. Если же данные еще не успели до конца переписаться с внешнего устройства в системный буфер, супервизор ввода-вывода переводит задачу в состояние ожидания завершения операции ввода-вывода, и далее все напоминает обычный синхронный ввод данных.