ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.06.2021
Просмотров: 146
Скачиваний: 1
Лекция 6. Управление вводом-выводом в ОС.
1. Основные понятия и концепции организации ввода/вывода.
2. Режимы управления вводом/выводом. Основные системные таблицы ввода/вывода.
1. Основные понятия и концепции организации ввода/вывода.
Программирование задач управления вводом/выводом является наиболее сложным и трудоемким, требующим очень высокой квалификации. Код, позволяющий осуществлять операции ввода/вывода, оформляется виде системных библиотечных процедур, который затем включается в операционную систему с тем, чтобы в каждую отдельно взятую программу его не вставлять, а только позволить обращаться к такому коду. Системы программирования генерируют обращения к этому системному коду ввода/вывода и осуществляют только подготовку к собственно операциям ввода/вывода, т.е. автоматизируют преобразование данных к соответствующему формату, понятному устройству.
Управление вводом/выводом – это одна из главных функций операционной системы.
При разработке операционных систем необходимо обеспечить эффективное управление устройствами ввода/вывода, а также удобный и эффективный виртуальный интерфейс УВВ, позволяющий прикладным программистам просто считывать и сохранять данные, не обращая внимания на специфику устройств и проблемы распределения устройств между выполняющимися задачами.
Структура системы ввода-вывода.
Все устройства ввода-вывода различаются по нескольким направлениям:
-
Скорость обмена информацией может варьироваться в диапазоне от нескольких байт в секунду (клавиатура) до нескольких гигабайт в секунду (сетевые карты).
-
Некоторые устройства могут быть использованы параллельно несколькими процессами (являются разделяемыми), в то время как другие требуют монопольного захвата процессом.
-
Устройства могут запоминать выведенную информацию для ее последующего ввода или не обладать этой функцией. Устройства, запоминающие информацию, в свою очередь, могут дифференцироваться по формам доступа к сохраненной информации: обеспечивать к ней последовательный доступ в жестко заданном порядке или уметь находить и передавать только необходимую порцию данных.
-
Часть устройств умеет передавать данные только по одному байту последовательно (символьные устройства), а часть устройств умеет передавать блок байт как единое целое (блочные устройства).
-
Существуют устройства, предназначенные только для ввода информации, устройства, предназначенные только для вывода информации, и устройства, которые могут совершать и ввод, и вывод.
В области технического обеспечения выделяется несколько основных принципов взаимодействия внешних устройств с вычислительной системой, в основе которого лежит единый интерфейс для их подключения, позволяющий возложить все специфические действия на контроллеры самих устройств. Такой подход оказался продуктивным и в области программного подключения устройств ввода-вывода. Достаточно разделить устройства на относительно небольшое число типов, отличающихся по набору операций, которые могут быть ими выполнены, считая все остальные различия несущественными. Затем специфицировать интерфейсы между ядром операционной системы, осуществляющим некоторую общую политику ввода-вывода, и программными частями, непосредственно управляющими устройствами, для каждого из таких типов. При этом разработчики операционных систем получают возможность освободиться от написания и тестирования этих специфических программных частей, получивших название драйверов, передав эту деятельность производителям самих внешних устройств (рис.1).
Рис 1. Структура системы ввода-вывода
Два нижних уровня этой системы составляет hardware: сами устройства, непосредственно выполняющие операции, и их контроллеры, служащие для организации совместной работы устройств и остальной вычислительной системы. Следующий уровень составляют драйвера устройств ввода-вывода, скрывающие от разработчиков операционных систем особенности функционирования конкретных приборов и обеспечивающие четко определенный интерфейс между hardware и вышележащим уровнем – уровнем базовой подсистемы ввода-вывода, которая, в свою очередь, предоставляет механизм взаимодействия между драйверами и программной частью вычислительной системы в целом.
Самым главным является следующий принцип организации управления вводом/выводом: любые операции по управлению вводом/выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только кодом операционной системы. Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров вводятся режим пользователя и режим супервизора. В режиме супервизора выполнение команд ввода/вывода разрешено, а пользовательском режиме – запрещено.
В системах мультипрограммирования одним из основных видов ресурсов являются УВВ и соответствующее программное обеспечение, с помощью которого осуществляется управление обменом данными между внешними устройствами и оперативной памятью.
Управление вводом/выводом осуществляется операционной системой, для чего в ее состав включается супервизор ввода/вывода, основными функциями которого является:
-
получение запросов на ввод/вывод от прикладных задач и программных модулей самой ОС. Эти запросы проверяются на корректность, и если запрос выполнен по спецификациям и не содержит ошибок, он обрабатывается дальше, в противном случае пользователю (программе) выдается соответствующее диагностическое сообщение о недействительности (некорректности) запроса;
-
вызов соответствующих распределителей каналов и контроллеров, планирование ввода/вывода (определяет очередность предоставления УВВ задачам). Запрос на ввод/вывод либо сразу выполняется, либо ставится в очередь на выполнение;
-
инициирование операции ввода/вывода (передает управление соответствующим драйверам) и в случае управления вводом/выводом с использованием прерываний предоставление процессора диспетчеру задач с тем, чтобы передать его первой задаче, стоящей в очереди на выполнение;
-
идентификация сигналов прерываний от УВВ и передача управления соответствующей программе обработке прерываний;
-
передача сообщений об ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями ввода/вывода;
-
посылка сообщения о завершении операции ввода/вывода запросившему эту операцию процессу и снятие его с состояния ожидания ввода/вывода, если процесс ожидал завершения операции ввода/вывода.
Запросы на ввод/вывод должны удовлетворять требованиям API той ОС, в среде которой выполняется приложение.
Имеются два основных режима ввода/вывода:
1. режим обмена с опросом готовности УВВ;
2. режим обмена с прерываниями.
2. Режимы управления вводом/выводом. Основные системные таблицы ввода/вывода.
1. Управление вводом/выводом осуществляет центральный процессор. В этом случае имеет место программный канал обмена данными между внешними устройствами и оперативной памятью). ЦП посылает устройству управления команду выполнить некоторое действие устройству ввода/вывода. Последнее исполняет команду, транслируя сигналы, понятные центральному процессору и устройству управления в сигналы, в сигналы понятные УВВ. Однако, быстродействие УВВ намного меньше быстродействия центрального процессора (рис. 2).
Рис. 2.
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 существующую линию интерфейса на наличие или отсутствие нужного сигнала. Посылать новую команду, не дождавшись сигнала готовности, сообщающего об исполнении предыдущей команды, бессмысленно. До тех пор, пока не появится сигнал готовности, драйвер в цикле опрашивает УВВ, расходуя при этом ресурс процессора.
2. Гораздо выгоднее выдав команду ввода/вывода на время «забыть» об УВВ и перейти на выполнение другой программы. А появление сигнала готовности трактовать как запрос на прерывание от УВВ.
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 должно обязательно выполнить команду и выдать сигнал запроса на прерывание. Максимальный интервал времени, в течение УВВ или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерывание, 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.
Многие устройства не допускают совместного использования. Такие устройства могут быть закрепленными, т.е. предоставленными некоторому вычислительному процессу. При этом вычислительные процессы не могут выполняться параллельно, т.к. они ожидают освобождения устройств ввода/вывода. Для организации использования многим параллельно выполняющимися задачами устройств ввода/вывода, которые не могут быть разделяемыми, вводится понятие виртуальных устройств, позволяющие повысить эффективность вычислительной системы.
Понятие виртуального устройства основывается на понятии SPOOLing (simultaneous peripheral operation on-line – имитация работы с устройством в режиме «он-лайн»). Главная задача спулинга создать видимость параллельного разделение УВВ с последовательным доступом, которое фактически должно использоваться только монопольно. Например, каждому вычислительному процессу можно предоставить не реальный, а виртуальный принтер и поток выводимых символов сначала направлять в специальный файл. Затем, по окончании виртуальной печати, в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания и приоритетами приложений выводить содержимое спул-файла на принтер. Системный процесс, который управляет спул-файлом, называется спулером.
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 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.
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 – таблица оборудования (equipment table), а каждый элемент этой таблицы 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;
состояние устройства;
поле указателя для связи задач, ожидающих устройство;
возможно, множество других сведений.
Во многих операционных системах драйверы могут обладать свойством реентерабельности поэтому 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. 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.
Способ подключения устройства, его конкретная модель и соответствующий ей драйвер содержатся в первой 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 – таблиц 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.
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.