ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.06.2021
Просмотров: 2259
Скачиваний: 56
Достоинством подсистемы ввода-вывода любой универсальной ОС является наличие разнообразного набора драйверов для наиболее популярных периферийных устройств. Прекрасно спланированная и реализованная операционная система 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 для имеющегося у них внешнего устройства у производителей оборудования или, что еще хуже, заниматься его разработкой. Именно в такой ситуации оказались пользователи первых версий OS/2, и, возможно, это обстоятельство послужило в свое время не последней причиной сдачи позиций этой неплохой операционной системы, богатой на драйверы ОС Windows 3.x.
Чтобы операционная система не испытывала недостатка в драйверах, необходимо наличие четкого, удобного и открытого интерфейса между драйверами и другими компонентами ОС. Такой интерфейс нужен для того, чтобы драйверы писали не только непосредственные разработчики данной операционной системы, но и большая армия программистов по всему миру, в первую очередь — тех предприятий, которые выпускают внешние устройства для компьютеров. Открытость интерфейса драйверов, то есть доступность его описания для независимых разработчиков программного обеспечения (а возможно, также и разработка его на основе согласительных процедур между ведущими коллективами разработчиков), является необходимым условием успешного развития операционной системы.
Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра ОС (модулями подсистемы ввода-вывода, модулями системных вызовов, модулями подсистем управления процессами и памятью и т. д.), а с другой стороны — с контроллерами внешних устройств. Поэтому существуют два типа интерфейсов: интерфейс «драйвер-ядро» (Driver Kernel Interface, DKI) и интерфейс «драйвер-устройство» {Driver Device Interface, DDF). Интерфейс «драйвер-ядро» должен быть стандартизован в любом случае, а интерфейс «драйвер-устройство» имеет смысл стандартизировать тогда, когда подсистема ввода-вывода не разрешает драйверу непосредственно взаимодействовать с аппаратурой контроллера, а выполняет эти операции самостоятельно. Экранирование драйвера от аппаратуры является весьма полезной функцией, так как драйвер в этом случае становится независимым от аппаратной платформы. Подсистема ввода-вывода может поддерживать несколько различных типов интерфейсов DKI/DDI, предоставляя специфический интерфейс для устройств определенного класса. Так, в ОС Windows NT для драйверов сетевых адаптеров существует интерфейс стандарта NDIS (Network Driver Interface Specification), в то время как драйверы сетевых транспортных протоколов взаимодействуют с верхними слоями сетевого программного обеспечения по интерфейсу TDI (Transport Driver Interface).
Обычно подсистема ввода-вывода поддерживает большое количество системных функций, которые драйвер может вызывать для выполнения некоторых типовых действий. Примерами могут служить упомянутые операции обмена с регистрами контроллера, ведение буферов для промежуточного хранения данных ввода-вывода, синхронизация работы нескольких драйверов, копирование данных из пользовательского пространства в пространство системы и т. д.
Для поддержки процесса разработки драйверов операционной системы обычно выпускается так называемый пакет DDK (Driver Development Kit), представляющий собой набор соответствующих инструментальных средств — библиотек, компиляторов и отладчиков.
Динамическая загрузка и выгрузка драйверов
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 оперативную память требуемый драйвер (без останова ОС) и выгружать его после того, как потребность в поддержке устройства миновала, что может существенно сэкономить системную область памяти.
Альтернативой динамической загрузке драйверов при изменении текущей конфигурации внешних устройств компьютера является повторная компиляция кода ядра с требуемым набором драйверов, что создает между всеми компонентами ядра статические связи вместо динамических. Например, таким образом решалась данная проблема в ранних версиях операционной системы UNIX. При статических связях между ядром и драйверами структура ОС упрощается, но этот подход требует наличия исходных кодов модулей операционной системы, доступность которых скорее является исключением (для некоммерческих версий UNIX), а не правилом. Кроме того, в этом варианте работающую предыдущую версию операционной системы необходимо остановить и заменить новой, а перерывы в работе ОС в некоторых применениях могут и не допускаться.
Поддержка динамической загрузки драйверов является практически обязательным требованием для современных универсальных операционных систем.
Поддержка нескольких файловых систем
Диски представляют особый род периферийных устройств, так как именно на них хранится большая часть как пользовательских, так и системных данных. Данные на дисках организуются в файловые системы, и свойства файловой системы во многом определяют свойства самой ОС — ее отказоустойчивость, быстродействие, максимальный объем хранимых данных. Популярность файловой системы часто приводит к ее миграции из «родной» ОС в другие операционные системы — например, файловая система FAT появилась первоначально в MS-DOS, но затем была реализована в OS/2, 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 операционной системе имеется специальный слой программного обеспечения, отвечающий за решение данной задачи, например 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. Смысл этих режимов тот же, что и для рассмотренных выше системных вызовов, — синхронный режим означает, что программный модуль приостанавливает свою работу до тех пор, пока операция ввода-вывода не будет завершена (рис. 7.1, а), а при асинхронном режиме программный модуль продолжает выполняться в мультипрограммном режиме одновременно с операцией ввода-вывода (рис. 7Л, б). Отличие же заключается в том, что операция ввода-вывода может быть инициирована не только пользовательским процессом — в этом случае операция выполняется в рамках системного вызова, но и кодом ядра, например кодом подсистемы виртуальной памяти для считывания отсутствующей в памяти страницы.
Рис. 7.1. Два режима выполнения операций ввода-вывода
Подсистема ввода-вывода должна предоставлять своим клиентам (пользовательским процессам и кодам ядра) возможность выполнять как синхронные, так и асинхронные операции ввода-вывода, в зависимости от потребностей вызывающей стороны. Системные вызовы ввода-вывода чаще оформляются как синхронные процедуры в связи с тем, что такие операции длятся долго и пользовательскому процессу или потоку все равно придется ждать получения результатов операции для того, чтобы продолжить свою работу. Внутренние же вызовы операций ввода-вывода из модулей ядра обычно выполняются в виде асинхронных процедур, так как кодам ядра нужна свобода в выборе дальнейшего поведения после запроса операции ввода-вывода. Использование асинхронных процедур приводит к более гибким решениям, так как на основе асинхронного вызова всегда можно построить синхронный, создав дополнительную промежуточную процедуру, блокирующую выполнение вызвавшей процедуры до момента завершения ввода-вывода. Иногда и прикладному процессу требуется выполнить асинхронную операцию ввода-вывода, например при микроядерной архитектуре, когда часть кода работает в пользовательском режиме как прикладной процесс, но выполняет функции операционной системы, требующие полной свободы действий и после вызова операции ввода-вывода.
Многослойная модель подсистемы ввода- вывода
Общая схема
Многослойное построение программного обеспечения, характерное для операционных систем вообще, оказывается особенно естественным и полезным при построении подсистемы ввода-вывода. При большом разнообразии устройств ввода-вывода, обладающих существенно различными характеристиками (принтер и диски, графический монитор и сетевой адаптер и т. п.), иерархическая структура программного обеспечения позволяет соблюсти баланс между двумя весьма противоречивыми требованиями: с одной стороны, необходимо учесть все особенности каждого устройства, а с другой стороны, обеспечить единое логическое представление и унифицированный интерфейс для устройств всех типов. При этом нижние слои подсистемы ввода-вывода должны включать индивидуальные драйверы, написанные для конкретных физических устройств, а верхние слои должны обобщать процедуры управления этими устройствами, предоставляя общий интерфейс если не для всех устройств, то по крайней мере для групп устройств, обладающих некоторыми общими характеристиками, например для принтеров определенного производителя или для всех матричных принтеров и т. п.
Многослойность структуры, безусловно, облегчает решение большинства перечисленных в предыдущем разделе задач подсистемы ввода-вывода, таких как простота включения новых драйверов, поддержка нескольких файловых систем, динамическая загрузка-выгрузка драйверов и других.
Обобщенная структура подсистемы ввода-вывода представлена на рис. 7.2.
Рис.7.2. Структура подсистемы ввода-вывода
Из рисунка видно, что программное обеспечение ввода-вывода делится не только на горизонтальные слои, но и на вертикальные. Это объясняется тем, что для такого разнообразного мира, как внешние устройства, трудно обеспечить единообразие в разбиении функций управления на слои. Поэтому общий принцип многослойности остается справедливым, однако для устройств определенного типа он реализуется по-разному, со своим количеством слоев и их функциями. В представленной структуре в качестве примера приведены три вертикальные подсистемы, управляющие дисками, графическими устройствами, такими как мониторы, принтеры и плоттеры, и сетевыми адаптерами. Естественно, к этому перечню можно добавить и другие, например подсистему управления символьными терминалами или какими-либо специализированными устройствами, такими как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
В каждой вертикальной подсистеме существует несколько слоев модулей. Нижний слой образуют так называемые аппаратные драйверы устройств, название которых отражает тот факт, что они управляют аппаратурой внешних устройств, осуществляя обмен байтами и блоками байтов, и не имеют, как правило, дела с более высокоуровневыми вопросами логической организации данных, например с файлами или сложными графическими объектами. Функции вышележащих слоев в значительной степени зависят от типа вертикальной подсистемы.
Менеджер ввода-вывода
В подсистеме ввода-вывода наряду с модулями, отражающими специфику внешних устройств и образующими вертикальные подсистемы, существуют модули универсального назначения. Эти модули организуют согласованную работу всех остальных компонентов подсистемы ввода-вывода и взаимодействие с пользовательскими процессами и другими подсистемами ОС. Так же как и функции управления устройствами, эти организующие функции распределены по всем уровням, образуя оболочку. Эта оболочка иногда называется менеджером ввода-вывода. Задачи такого менеджера довольно разнообразны.
Верхний слой менеджера составляют системные вызовы ввода-вывода, которые принимают от пользовательских процессов запросы на ввод-вывод и переадресуют их отвечающим за определенный класс устройств модулям и драйверам, а также возвращают процессам результаты операций ввода-вывода. Таким образом этот слой поддерживает пользовательский интерфейс ввода-вывода, создавая для прикладных программистов максимум удобств по манипулированию внешними устройствами и расположенными на них данными.
Нижний слой менеджера реализует непосредственное взаимодействие с контроллерами внешних устройств, экранируя драйверы от особенностей аппаратной платформы компьютера — шины ввода-вывода, системы прерываний и т. п. Этот слой принимает от драйверов запросы на обмен данными с регистрами контроллеров в некоторой обобщенной форме с использованием независимых от шины ввода-вывода адресации и формата, а затем преобразует эти запросы в зависящий от аппаратной платформы формат. Диспетчер прерываний, рассмотренный выше, может входить в состав менеджера ввода-вывода или же представлять собой отдельный модуль ядра. В последнем случае менеджер ввода-вывода выполняет для диспетчера прерываний первичную обработку запросов прерываний, передавая диспетчеру обобщенные сведения об источнике запроса.
Важной функцией менеджера ввода-вывода является создание некоторой среды для остальных компонентов подсистемы, которая бы облегчала их взаимодействие друг с другом. Эта задача может быть решена за счет создания некоторого стандартного внутреннего интерфейса взаимодействия модулей ввода-вывода между собой, который бы дополнял внешние интерфейсы подсистемы с прикладными процессами, другими модулями ядра и аппаратурой. Наличие такого интерфейса существенно облегчает включение новых драйверов и файловых систем в состав ОС. Кроме того, разработчики драйверов и других программных компонентов освобождаются от написания общих процедур, таких как буферизация данных и синхронизация нескольких модулей между собой при обмене данными. Все эти функции берет на себя менеджер ввода-вывода.
Еще одной функцией менеджера ввода-вывода является организация взаимодействия модулей ввода-вывода с модулями других подсистем ОС, таких как подсистема управления процессами, виртуальной памятью и другими.
Примерами подобного менеджера являются менеджер ввода-вывода ОС Windows NT, а также среда STREAMS, существующая во многих версиях операционной системы UNIX. Менеджер ввода-вывода Windows NT организует взаимодействие между модулями с помощью пакетов запросов ввода-вывода — IRP (I/O Request Packet). Получив запрос от процедуры системного вызова, менеджер формирует IRP и передает его нужному драйверу. Драйвер после выполнения запрошенной операции возвращает ответ в виде другого IRP менеджеру, а тот, в свою очередь, может при необходимости передать этот IRP другому драйверу. Менеджер позволяет драйверам задавать взаимосвязи (bindings) между собой, и на основании информации о взаимосвязях и происходит передача пакетов IRP. Кроме того, менеджер Windows NT поддерживает динамическую загрузку-выгрузку драйверов без останова системы.
Наличие стандартного внутреннего межмодульного интерфейса повышает устойчивость и улучшает расширяемость подсистемы ввода-вывода, хотя может несколько замедлить ее работу, так как любое разделение на слои и части приводит к дополнительным операциям при взаимодействии по сравнению с монолитной организацией с прямыми передачами управления.