Управление вводом-выводом в современных операционных системах

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью системы. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (независимость от устройств). Подсистема управления периферийными устройствами (УПУ) предназначена для выполнения следующих функций: передачи информации между ПУ и ОП, то есть ввод-вывод информации; слежения за состоянием периферийных устройств; обеспечения интерфейса между устройствами, а также подключения и отключения периферийных устройств и поддержки схемы распределения устройств; модификации конфигурации; обработки ошибок. Физическая организация периферийных устройств. В общем случае ПУ называют средство ввода/вывода, способное осуществлять передачу информации между ЦП или ОП компьютера и внешними носителями информации. Многообразие внешних носителей и способов кодирования информации обусловили существование большого числа периферийных различных устройств, каждое из которых характеризуется: быстродействием; порцией обмена информации (1 бит, байт, слово, сектор, трек); системой кодирования; набором операций управления устройством. Внешние устройства состоят из механической и электронной компонент и критической для скорости является механическая часть. Постоянная забота об эффективном использовании ЦП, снижении его простоев во время выполнения операций ввода/вывода привели к росту автономии устройств ввода/вывода и появлению специализированных процессоров ввода/вывода, называемых каналами (chanel). Канал ввода/вывода (КВВ) - это специализированный процессор, осуществляющий обмен данными между ОП и ПУ и работающий независимо от ЦП. В системах ввода/вывода с каналами ЦП лишь запускает операцию ввода/вывода и по окончании ввода/вывода через прерывания от канала уведомляется об окончании операции ввода/вывода. КВВ решают проблему согласования быстродействия ЭВМ и устройств ввода/вывода. Канал может управлять одним устройством с высокой пропускной способностью (типа дисковода) или быть распределенным между несколькими устройствами с меньшей пропускной способностью (это, например, модемы). Обычно к каналу подключается совокупность быстродействующих или медленно действующих устройств, которыми канал управляет поочередно или одновременно. По способам параллельного выполнения запросов ЦП на ввод-вывод каналы ввода/вывода подразделяются на три типа: 1. Байт-мультиплексные каналы, допускающие одновременный побайтовый обмен с несколькими медленными устройствами. 2. Селекторные каналы, допускающие поочередный, быстрый обмен с ПУ блоками ввода/вывода, каждый из которых имеет свой адрес. 3. Блок-мультиплексные каналы, допускающие одновременный блочный обмен данными с несколькими устройствами. Как мы уже замечали, КВВ решает только проблему различия быстродействия ПУ и ЦП. Для решения же проблемы стандартного интерфейса ПУ с внутрисистемной шиной (магистралью) ЭВМ предназначено устройство управления (УУ) ПУ, называемое контроллером или адаптером устройства. Контроллер ПУ - устройство управления, обеспечивающее стандартный интерфейс и подключение ПУ к системным магистралям ЭВМ. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства. Контроллеры бывают как групповые, так и одиночные. Групповые контроллеры обеспечивают подключение группы однотипных устройств. Такие контроллеры обеспечивают в каждый момент времени передачу информации с одним устройством с одновременным выполнением других операций, не связанных с передачей данных, других устройств (например, перемотку магнитной ленты, перемещение головки НМД). Разделение функций между контроллером и периферийным устройством зависит от типа ПУ: логические функции (соединение и синхронизация операций, передача сигналов об окончании операции или исключительных ситуациях) выполняются контроллером, а физические (передача данных) - периферийным устройством. Операционная система обычно взаимодействует не с устройством, а с контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, преобразует поток бит в блоки, состоящие из байт, и осуществляют контроль и исправление ошибок. Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. В некоторых компьютерах такие регистры являются частью физического адресного пространства, а специальные операции ввода-вывода отсутствуют. В других компьютерах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода: регистр управления и состояния, через который ЭВМ задает команды ПУ и получает информацию о его состоянии и результатах выполнения команды; регистр данных, через который передается байт в коде ЭВМ. ОС выполняет ввод-вывод, записывая команды в регистры контроллера. Например, контроллер гибкого диска IBM PC принимает 15 команд, таких, как READ, WRITE, SEEK, FORMAT и т.д. Когда команда принята, процессор оставляет контроллер и занимается другой работой. При завершении команды контроллер организует прерывание для того, чтобы передать управление процессору операционной системы, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из регистров контроллера. В настоящее время распространены три основные схемы организации ввода/вывода, соответствующие конфигурациям микро-, мини- и больших ЭВМ. В этой конфигурации шина разделяется между различными устройствами и выполняется побайтная передача информации между ЦП и памятью. Оперативная память подключается непосредственно на магистраль. УПДП - устройство прямого доступа памяти (DMA-direct memory access) обеспечивает пересылку блоков данных независимо от ЦП и упрощает канал ввода/вывода. На больших ЭВМ контроллер может быть связан с несколькими каналами ввода/вывода, а периферийное устройство - с несколькими контроллерами. Контроллер также может иметь несколько адресов и путей доступа. Адресация периферийных устройств на больших ЭВМ осуществляется составным адресом, включающим: номер канала, номер котроллера, номер устройства на контроллере. В мини- и микро-ЭВМ для адресации устройств используются зарезервированные ячейки памяти. Доступ к периферийным устройствам здесь осуществляется как обычный доступ к ячейкам ОП, что значительно упрощает программирование ввода/вывода. Организация программного обеспечения ввода-вывода. Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те в свою очередь обеспечивают удобный интерфейс для пользователей. Ключевым принципом является независимость от устройств. Вид программы не должен зависеть от того, читает ли она данные с гибкого диска или с жесткого диска. Очень близкой к идее независимости от устройств является идея единообразного именования, то есть для именования устройств должны быть приняты единые правила. Другим важным вопросом для программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. Вообще говоря, ошибки следует обрабатывать как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаруживает ошибку чтения, то он должен попытаться ее скорректировать. Если же это ему не удается, то исправлением ошибок должен заняться драйвер устройства. Многие ошибки могут исчезать при повторных попытках выполнения операций ввода-вывода, например, ошибки, вызванные наличием пылинок на головках чтения или на диске. И только если нижний уровень не может справиться с ошибкой, он сообщает об ошибке верхнему уровню. Еще один ключевой вопрос - это использование блокирующих (синхронных) и неблокирующих (асинхронных) передач. Большинство операций физического ввода-вывода выполняется асинхронно - процессор начинает передачу и переходит на другую работу, пока не наступает прерывание. Пользовательские программы намного легче писать, если операции ввода-вывода блокирующие - после команды READ программа автоматически приостанавливается до тех пор, пока данные не попадут в буфер программы. ОС выполняет операции ввода/вывода асинхронно, но представляет их для пользовательских программ в синхронной форме. Последняя проблема состоит в том, что одни устройства являются разделяемыми, а другие - выделенными. Диски - это разделяемые устройства, так как одновременный доступ нескольких пользователей к диску не представляет собой проблему. Принтеры - это выделенные устройства, потому что нельзя смешивать строчки, печатаемые различными пользователями. Наличие выделенных устройств создает для операционной системы некоторые проблемы. Для решения поставленных проблем целесообразно разделить программное обеспечение ввода-вывода на четыре слоя: Независимый от устройств слой операционной системы. Обработка прерываний. Драйверы устройств. Пользовательский слой программного обеспечения. Независимый от устройств слой операционной системы. Это компонент представляет собой супервизор ввода/вывода, через который процессы пользователя получают доступ к операциям ввода/вывода. Точная граница между драйверами и независимыми от устройств программами определяется системой, так как некоторые функции, которые могли бы быть реализованы независимым способом, в действительности выполнены в виде драйверов для повышения эффективности или по другим причинам. Типичными функциями для независимого от устройств слоя являются: обеспечение общего интерфейса к драйверам устройств; именование устройств; защита устройств; обеспечение независимого размера блока; буферизация; распределение памяти на блок-ориентированных устройствах; распределение и освобождение выделенных устройств; уведомление об ошибках; прием запросов на ввод-вывод от пользователей процессов; создание и обслуживание очереди запросов на ввод-вывод; обеспечивание запуска драйверов и их динамическую загрузку; обработка прерывания ввода/вывода. Остановимся на некоторых функциях данного перечня. Верхним слоям программного обеспечения неудобно работать с блоками разной величины, поэтому данный слой обеспечивает единый размер блока, например, за счет объединения нескольких различных блоков в единый логический блок. В связи с этим верхние уровни имеют дело с абстрактными устройствами, которые используют единый размер логического блока независимо от размера физического сектора. При создании файла или заполнении его новыми данными необходимо выделить ему новые блоки. Для этого ОС должна вести список или битовую карту свободных блоков диска. На основании информации о наличии свободного места на диске может быть разработан алгоритм поиска свободного блока, независимый от устройства и реализуемый программным слоем, находящимся выше слоя драйверов. Обработка прерываний. Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в недрах операционной системы, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Наилучший способ состоит в разрешении процессу, инициировавшему операцию ввода-вывода, блокировать себя до завершения операции и наступления прерывания. Процесс может блокировать себя, используя, например, вызов DOWN для семафора, или вызов WAIT для переменной условия, или вызов RECEIVE для ожидания сообщения. При наступлении прерывания процедура обработки прерывания выполняет разблокирование процесса, инициировавшего операцию ввода-вывода, используя вызовы UP, SIGNAL или посылая процессу сообщение. В любом случае эффект от прерывания будет состоять в том, что ранее заблокированный процесс теперь продолжит свое выполнение. Драйверы устройств. Драйвером устройства называется программа управления функционированием периферийными устройствами, которая выполняет следующие функции:управление интерфейсом контроллера ПУ; обработку передаваемых через супервизор прерываний; обнаружение и обработка ошибок. Весь зависимый от устройства код помещается в драйвер устройства. Каждый драйвер управляет устройствами одного типа или, может быть, одного класса. В операционной системе только драйвер устройства знает о конкретных особенностях какого-либо устройства. Например, только драйвер диска имеет дело с дорожками, секторами, цилиндрами, временем установления головки и другими факторами, обеспечивающими правильную работу диска. Драйвер устройства принимает запрос от супервизора или программного слоя и решает, как его выполнить. Типичным запросом является чтение n блоков данных. Если драйвер был свободен во время поступления запроса, то он начинает выполнять запрос немедленно. Если же он был занят обслуживанием другого запроса, то вновь поступивший запрос присоединяется к очереди уже имеющихся запросов, и он будет выполнен, когда наступит его очередь. С точки зрения пользователя, драйверы являются невидимыми, так как пользователи получают доступ к вводу/выводу через супервизор с применением функций и команд ввода/вывода используемых систем программирования. Первый шаг в реализации запроса ввода-вывода, например, для диска, состоит в преобразовании его из абстрактной формы в конкретную. Для дискового драйвера это означает преобразование номеров блоков в номера цилиндров, головок, секторов, проверку, работает ли мотор, находится ли головка над нужным цилиндром. Короче говоря, он должен решить, какие операции контроллера нужно выполнить и в какой последовательности. После передачи команды контроллеру драйвер должен решить, блокировать ли себя до окончания заданной операции или нет. Если операция занимает значительное время, как при печати некоторого блока данных, то драйвер блокируется до тех пор, пока операция не завершится, и обработчик прерывания не разблокирует его. Если команда ввода-вывода выполняется быстро (например, прокрутка экрана), то драйвер ожидает ее завершения без блокирования. Драйверы могут работать с периферийными устройствами тремя основными способами: по опросу готовности; по прерываниям; по прямому доступу к памяти. По опросу готовности драйвер выполняет следующие действия: Запрещает прерывания от устройства и инициирует операцию на устройстве. Переходит в состояние ожидания. Циклически проверяет завершенность операции. Дождавшись завершения операции, проверяет отсутствие ошибки при ее выполнении, разрешает прерывания и возвращает управление прерванному процессу. По опросу готовности реализуется синхронный ввод-вывод, при котором отсутствует параллелизм между обработкой и передачей информации. ЦП находится в активном ожидании завершения операции ввода/вывода. Такой способ работы драйверов используется в однопрограммных однопользовательских ОС. Достоинство - простота. Недостаток - синхронный ввод-вывод, отсутствие параллелизма между вводом/выводом и обработкой. При работе по прерываниям действия выполняются в следующей последовательности: Инициализируется операция ввода/вывода и разрешает прерывания от устройства. Возвращает управление ЦП для выполнения других действий до момента прерывания. При прерывании происходит переход на программу обработки, в которой проверяется отсутствие ошибки ввода/вывода, и после завершения обработки осуществляется возврат на прерванную программу. Достоинство - асинхронный ввод-вывод, то есть параллельная работа ЦП и ПУ. Используется в мультипрограммных системах. При работе по прямому доступу к памяти (ПДП) (Direct Memory Access-DMA)действия выполняются в следующем порядке: ЦП запускает канальную программу командой "запустить канал", которая содержит адрес канала и периферийного устройства. С этого момента канал и ЦП работают параллельно. Канал выполняет свою программу, которая заканчивается нормально либо с ошибкой, либо по команде ЦП "остановить канал". В любой момент ЦП может проверить состояние канала, выполняющего канальную программу, командой "тестировать канал". Эта проверка не влияет на выполнение программы. Обработка ошибок ввода/вывода здесь осуществляется супервизором ввода/вывода. Пользовательский слой программного обеспечения. Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связанных с пользовательскими программами. Системные вызовы, включающие вызовы ввода-вывода, обычно делаются библиотечными процедурами. Если программа, написанная на языке С, содержит вызов count = write (fd, buffer, nbytes), то библиотечная процедура write будет связана с программой. Набор подобных процедур является частью системы ввода-вывода. В частности, форматирование ввода или вывода выполняется библиотечными процедурами. Примером может служить функция printf языка С, которая принимает строку формата и, возможно, некоторые переменные в качестве входной информации, затем строит строку символов ASCII и делает вызов write для вывода этой строки. Стандартная библиотека ввода-вывода содержит большое число процедур, которые выполняют ввод-вывод и работают как часть пользовательской программы. Другой категорией программного обеспечения ввода/вывода является подсистема спулинга (spooling). Спулинг - это способ работы с выделенными устройствами в мультипрограммной системе. Рассмотрим типичное устройство, требующее спулинга - строчный принтер. Хотя технически легко позволить каждому пользовательскому процессу открыть специальный файл, связанный с принтером, такой способ опасен из-за того, что пользовательский процесс может монополизировать принтер на произвольное время. Вместо этого создается специальный процесс - монитор, который получает исключительные права на использование этого устройства. Также создается специальный каталог, называемый каталогом спулинга. Для того чтобы напечатать файл, пользовательский процесс помещает выводимую информацию в этот файл и помещает его в каталог спулинга. Процесс-монитор по очереди распечатывает все файлы, содержащиеся в каталоге спулинга.