Файл: Информационные системы и технологии. Функции операционных систем персональных компьютеров..pdf

Чтобы объяснить принцип работы DMA, рассмотрим сначала, как осуществляется чтение диска, когда DMA не используется. Сначала контроллер диска последовательно побитно считывает блок (один или несколько секторов) с диска, пока весь блок не окажется во внутреннем буфере контроллера. Затем он вычисляет контрольную сумму, чтобы убедиться в отсутствии ошибок чтения. Затем контроллер инициирует прерывание. Когда операционная система приступает к работе, она может в цикле побайтно или пословно считать дисковый блок из буфера контроллера, считывая при каждом проходе цикла один байт или слово из регистра контроллера устройства и сохраняя его в оперативной памяти.

Большинство DMA-контроллеров используют для передачи данных физические адреса памяти. Для этого операционная система должна преобразовать виртуальный адрес намеченного буфера памяти в физический адрес и записать этот физический адрес в адресный регистр контроллера DMA. В отдельных DMA-контроллерах вместо этого используется альтернативная схема, при которой в контроллер записывается виртуальный адрес. Затем для осуществления преобразования виртуального адреса в физический DMA-контроллер должен воспользоваться блоком управления памятью (MMU). Виртуальные адреса могут выставляться на шину только в том случае, если MMU является частью памяти (что встречается довольно редко), а не частью центрального процессора.

DMA используется не во всех компьютерах. Аргументом против его использования является то, что центральный процессор зачастую намного быстрее DMA-контроллера и может выполнять эту работу намного быстрее (когда ограничивающим фактором не является скорость работы устройства ввода-вывода). Если для него нет никакой другой работы, то заставлять быстрый центральный процессор ждать, пока медленный DMA-контроллер завершит свою работу, абсолютно бессмысленно. Кроме того, если избавиться от контроллера DMA и возложить на центральный процессор всю работу в программном режиме, то можно сэкономить средства, что является важным фактором для дешевых встраиваемых компьютеров.

Способы

Программный ввод-вывод прост в реализации, но имеет недостаток связывания центрального процессора ожиданием на все время, пока не будет завершена операция ввода-вывода. Если на «печать» символа уходит очень мало времени (поскольку принтер только копирует новый символ во внутренний буфер), то активное ожидание будет вполне подходящим решением.

Активное ожидание имеет смысл также во встроенных системах, где центральному процессору больше нечем заняться. Но для более сложных систем, где у центрального процессора есть еще и другая работа, активное ожидание не подойдет. Им нужен более эффективный способ ввода-вывода. Способ называется программным вводом-выводом.

Уровни программного обеспечения ввода-вывода:

У каждого уровня есть четко определенная рабочая функция и четко определенный интерфейс с примыкающими к нему уровнями. Функции и интерфейсы варьируются от системы к системе, поэтому последующее рассмотрение уровней, начинающееся с самого низшего из них, не имеет отношения к какой-либо конкретной машине.

• 1. Программное обеспечение ввода – вывода уровня пользователя
  2. Устройство – независимое программное обеспечение операционной системы
  3. Драйверы устройств
  4. Обработчики прерываний
  5. Аппаратура

Более подробно:

Обработчики прерываний

Бывают случаи, когда вполне можно обойтись и программным вводом-выводом, однако все же для большинства операций ввода-вывода прерывания являются не чем иным, как необходимостью. Они должны быть спрятаны как можно глубже в недрах операционной системы, чтобы о них было известно как можно меньшей части этой системы. Лучший способ их спрятать — это заблокировать тот драйвер, который начал операцию ввода-вывода, до тех пор пока не будет завершен ввод-вывод и не будет получено прерывание. Драйвер может заблокировать себя сам, выполнив, к примеру, процедуру down на семафоре, или процедуру wait на переменной состояния, или процедуру receive на сообщении, или еще что-либо подобное.

Когда происходит прерывание, то все необходимое для его обработки делает процедура — обработчик прерывания. Затем она может разблокировать ожидавший данного прерывания драйвер. В ряде случаев она просто выполняет процедуру up на семафоре. В других случаях вызывает процедуру signal для переменной условия в мониторе. Во всех остальных случаях она посылает заблокированному драйверу сообщение. В любом случае заключительным действием прерывания будет предоставление возможности возобновления работы ранее заблокированному драйверу. Такая модель лучше всего работает в том случае, если драйверы структурно относятся к процессам ядра, имея собственные состояния, стеки и счетчики команд.

Следует заметить, что подробности этой работы сильно зависят от конкретной операционной системы, поэтому некоторые из перечисленных далее шагов конкретной машине могут и не понадобиться, в отличие от шагов, не попавших в этот перечень. Кроме того, реальные шаги на некоторых машинах могут следовать в ином порядке. ,

Драйверы устройств

Для каждой операционной системы нужны собственные драйверы, производитель устройства обычно поставляет драйверы для нескольких наиболее популярных операционных систем. Каждый драйвер устройства обычно управляет одним типом устройства или как максимум одним классом родственных устройств. Например, драйвер SCSI-диска обычно может управлять несколькими SCSI-дисками разного объема и разной скорости и, может быть, приводом Blu-ray-диска со SCSI-интерфейсом. А вот мыши и джойстики настолько отличаются друг от друга, что для них, как правило, требуются разные драйверы. Тем не менее технически вполне возможно создание одного драйвера устройства, управляющего несколькими разнородными устройствами. Но это в большинстве случаев не самая лучшая идея. Но иногда совершенно разные устройства основаны на одной и той же базовой технологии. Наверное, наиболее известным примером может послужить USB — технология последовательной шины, которая не зря называется универсальной. К USB-устройствам относятся диски, карты памяти, фотоаппараты, мыши, клавиатуры, мини-вентиляторы, беспроводные сетевые карты, роботы, считыватели кредитных карт, аккумуляторные бритвы, измельчители бумаг, сканеры штрих-кодов и портативные термометры. Все они используют USB, хотя занимаются совершенно разными вещами. Характерная особенность заключается в том, что из USB-драйверов обычно формируется стек, подобный TCP/IP-стеку в сетях. Внизу, как правило, в оборудовании, находится уровень USB-ссылок (последовательного ввода-вывода), обрабатывающий все, что касается аппаратуры, например сигнализацию и декодирование потоков сигналов в USB-пакеты. Он используется для более высоких уровней, работающих с пакетами и функциями USB, общими для большинства устройств. И наконец, наверху над всем этим находятся высокоуровневые API-интерфейсы, например интерфейсы для накопителей, камер и т. д. Таким образом, у нас по-прежнему имеются отдельные драйверы устройств, несмотря на то что ими совместно используются части стека протокола. Чтобы получить доступ к аппаратной части устройства, то есть к регистрам контроллера, драйвер устройства, как правило, должен быть частью ядра операционной системы, по крайней мере в существующих на сегодняшний день архитектурах. Но вообще-то можно создавать и драйверы, работающие в пространстве пользователя, используя при этом системные вызовы для чтения и записи регистров устройств. Такое решение позволит изолировать ядро от драйверов и драйверы друг от друга, устранив при этом основной источник системных сбоев — «сырые» драйверы, тем или иным образом мешающие работе ядра. Несомненно, это хороший выход из положения при создании высоконадежных систем .

Обычно операционная система относит драйверы к одной из немногочисленных категорий. Самые распространенные категории — это драйверы блочных устройств, к ним относятся драйверы дисков, содержащих множество блоков данных, к которым можно обращаться независимо от всех остальных блоков, и драйверы символьных устройств, к которым относятся драйверы клавиатур и принтеров — устройств, которые генерируют или воспринимают поток символов.

В некоторых системах операционная система представляет собой единую программу в двоичных кодах, в которой содержатся все необходимые ей скомпилированные драйверы. Такая схема долгие годы была нормой для систем семейства UNIX, поскольку они работали в компьютерных центрах, где устройства ввода-вывода менялись очень редко. При добавлении нового устройства системный администратор просто перекомпилировал ядро с новым драйвером для создания нового двоичного кода.

Многие драйверы устройств имеют сходную общую структуру. Типичный драйвер начинает свою работу с проверки приемлемости входных параметров. Если они неприемлемы, возвращается сообщение об ошибке. Если с параметрами все в порядке, может понадобиться перевод абстрактных понятий в конкретные. Для драйвера диска это может означать преобразование обычного номера блока в номера головки, дорожки, сектора и цилиндра, относящихся к геометрии диска. Затем драйвер может проверить, используется ли устройство в данный момент. Если оно используется, запрос будет поставлен в очередь для последующей обработки. Если устройство простаивает, проверяется состояние аппаратуры, чтобы определить, может ли запрос быть обработан. Перед началом передачи данных может понадобиться включить устройство или запустить его двигатель. Как только устройство включится и будет готово к работе, им можно будет управлять. Управление устройством означает выдачу в его адрес последовательности команд. Именно драйвер определяет последовательность команд в зависимости от того, что должно быть сделано. После того как драйвер поймет, какие команды он собирается выдать, он начнет записывать их в регистры контроллера устройства. После записи каждой команды в контроллер может потребоваться проверка того, принял ли контроллер команду и готов ли к приему следующей команды. Эта последовательность повторяется до тех пор, пока не будут выданы все команды. Некоторым контроллерам можно указывать на связанный список команд (в памяти) и предписывать самостоятельное чтение и обработку этих команд без дальнейшей помощи со стороны операционной системы.

Программное обеспечение ввода и вывода не зависящее от внешних устройств.

Основная роль программного обеспечения, не зависящего от конкретного устройства, состоит в выполнении общих для всех устройств функций ввода-вывода и предоставлении унифицированного интерфейса для программного обеспечения на уровне пользователя.

.

Для каждого класса устройств, таких как диски или принтеры, операционной системой определяется набор функций, которые драйвер должен поддерживать. Для диска в этот набор будут входить не только чтение и запись, но и включение и выключение электропитания, форматирование и другие присущие диску операции. Зачастую драйвер содержит таблицу с указателями на эти функции. При загрузке драйвера операционная система записывает адрес таблицы указателей на функции, чтобы, когда потребуется вызвать одну из этих функций, она могла выполнить опосредованный вызов через таблицу. Таблица указателей на функции определяет интерфейс между драйвером и всей остальной операционной системой. Все устройства определенного класса (диски, принтеры и т. д.) должны соответствовать этому условию.

Некоторые устройства, например принтеры, в любой момент времени могут использоваться только одним процессом. Операционная система должна проверять запросы на использование и принимать их или отвергать в зависимости от доступности запрашиваемого устройства. Простой способ обработки этих запросов заключается в требовании к процессам непосредственно открывать специальные файлы для этих устройств с помощью системных вызовов open. Если устройство недоступно, то системный вызов open потерпит неудачу. Освобождение выделенного устройства происходит после его закрытия с помощью системного вызова close.

Не зависимое от устройств программное обеспечение должно скрыть этот факт и предоставить расположенным выше уровням унифицированный размер блока, например, рассматривая несколько секторов в качестве одного логического блока. Таким образом, вышестоящие уровни будут работать только с абстрактными устройствами, использующими один и тот же размер логического блока, не зависящий от физического размера сектора. Аналогичным образом некоторые символьные устройства (например, мыши) осуществляют побайтовую доставку данных, а другие устройства (например, Ethernet-интерфейсы) доставляют данные блоками более крупного размера. Эти различия также могут быть скрыты.