Управление вводом/выводом

Необходимость обеспечить программам возможность осуществлять обмен дан­ными с внешними устройствами и при этом не включать в каждую двоичную программу соответствующий двоичный код, осуществляющий собственно управ­ление устройствами ввода/вывода, привела разработчиков к созданию системно­го программного обеспечения и, в частности, самих операционных систем. Про­граммирование задач управления вводом/выводом является наиболее сложным и трудоемким, требующим очень высокой квалификации. Поэтому код, позво­ляющий осуществлять операции ввода/вывода, стали оформлять в виде систем­ных библиотечных процедур; потом его стали включать не в системы програм­мирования, а в операционную систему с тем, чтобы в каждую отдельно взятую программу его не вставлять, а только позволить обращаться к такому коду. Сис­темы программирования стали генерировать обращения к этому системному коду ввода/вывода и осуществлять только подготовку к собственно операциям вво­да/вывода, то есть автоматизировать преобразование данных к соответствую­щему формату, понятному устройствам, избавляя прикладных программистов от этой сложной и трудоемкой работы. Другими словами, системы программиро­вания вставляют в машинный код необходимые библиотечные подпрограммы ввода/вывода и обращения к тем системным программным модулям, которые, собственно, и управляют операциями обмена между оперативной памятью и внеш­ними устройствами. Таким образом, управление вводом/выводом — это одна из основных функций любой ОС.

С одной стороны, в организации ввода/вывода в различных ОС 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 тем, что в большинст­ве ныне используемых систем эти моменты вообще, как правило, подробно не описаны, и исключение по этому вопросу касается только системы Linux, для которой имеются комментированные исходные тексты. Детально описываются функции API, реализующие ввод/вывод. Поэтому в этом разделе, мы рассмотрим только основные идеи и концепции.

Основные понятия и концепции организации ввода/вывода в ОС

Как известно, ввод/вывод считается одной из самых сложных областей проекти­рования операционных систем, в которой сложно применить общий подход из-за изобилия частных методов. Сложность возникает из-за огромного числа уст­ройств ввода/вывода разнообразной природы, которые должна поддерживать ОС. При этом перед создателями ОС 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 набор 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 ОС. Для обеспечения этого принципа в большин­стве процессоров даже вводятся режимы пользователя и супервизора. Как пра­вило, в режиме супервизора выполнение команд ввода/вывода разрешено, а в пользовательском режиме — запрещено. Использование команд ввода/вывода в пользовательском режиме вызывает исключение и управление через механизм прерываний передается коду ОС. Хотя возможны и более сложные системы, в которых в ряде случаев пользовательским программам разрешено непосредст­венное выполнение команд ввода/вывода.

Еще раз подчеркнем, что, прежде всего, мы говорим о мультипрограммных ОС, для которых существует проблема разделения ресурсов. Одним из основных видов ресурсов являются устройства ввода/вывода и соответствующее программное обеспечение, с помощью которого осуществляется управление обменом 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 для 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 устройствами, предоставляя возможность параллельно выполняющимся задачам использовать различные устройства ввода/вывода.

Можно назвать три основные причины, по которым нельзя разрешать каждой отдельной пользовательской программе обращаться к внешним устройствам не­посредственно:

• Необходимость разрешать возможные конфликты доступа к устройствам ввода/вывода. Например, две параллельно выполняющиеся программы пыта­ются вывести на печать результаты своей работы. Если не предусмотреть внешнее управление устройством печати, то в результате мы можем получить абсолютно нечитаемый текст, так как каждая программа будет время от вре­мени выводить свои данные, которые будут перемежаться данными другой программы. Другой пример: ситуация, когда одной программе необходимо прочитать данные с некоторого сектора магнитного диска, а 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 первого запро­са может тут же появиться команда позиционирования головки для второй задачи, и обе операции ввода/вывода не смогут быть выполнены корректно.
• Желание увеличить эффективность использования этих ресурсов. Например, у накопителя на магнитных дисках время подвода головки чтения/записи к необходимой дорожке и обращение к определенному сектору может 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.
• Ошибки в программах ввода/вывода могут привести к краху всех вычисли­тельных процессов, ибо часть операций ввода/вывода осуществляется для самой операционной системы. В ряде ОС 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 операционной системой, компонентом, который чаще всего называют супервизором ввода/вывода. В пере­чень основных задач, возлагаемых на супервизор, входят следующие:

• супервизор ввода/вывода получает запросы на ввод/вывод от прикладных за­дач и от программных модулей самой операционной системы. Эти запросы проверяются на корректность, и если запрос выполнен по спецификациям и не содержит ошибок, он обрабатывается дальше, в противном случае пользо­вателю (задаче) выдается соответствующее диагностическое сообщение о не­действительности (некорректности) запроса;
• супервизор ввода/вывода вызывает соответствующие распределители каналов и контроллеров, планирует ввод/вывод (определяет очередность предостав­ления устройств ввода/вывода задачам, затребовавшим их). Запрос на ввод/ вывод либо тут же выполняется, либо ставится в очередь на выполнение;
• 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;
• при получении сигналов прерываний от устройств ввода/вывода супервизор идентифицирует их (рис. 4.1) и передает управление соответствующей про­грамме обработки прерывания (как правило, на секцию продолжения драйве­ра);
• супервизор ввода/вывода осуществляет передачу сообщений об ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями ввода/вывода;
• супервизор ввода/вывода посылает сообщения о завершении операции вво­да/вывода запросившему эту операцию процессу и снимает его с состояния ожидания ввода/вывода, если процесс ожидал завершения операции.

В случае если устройство ввода/вывода является инициативным, 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 использования устройств (монопольно или совместно). Установив соответствующие значения параметров в запросе на ввод/вывод, опре­деляющих требуемую операцию и количество потребляемых ресурсов, они могут передать 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, указываемые 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, поставляются компилятором и отражают требования программиста и 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, 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.