Материал: Изучение принципов организации системы управления вводом-выводом

Введение

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 трудоёмким, 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 трудоёмкой 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 ещё 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. Поскольку внешняя память, как правило, реализуется на таких устройствах ввода / вывода, как накопители на магнитных дисках, мы также рассмотрим логическую структуру диска.

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 передаётся 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 надёжности 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 очерёдность 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 (передаёт 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 передаёт управление соответствующей программе обработки прерывания;

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 (её 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 её хранится в системных таблицах.

Режимы управления вводом / выводом

Как известно, имеются два основных режима ввода / вывода: режим обмена с опросом готовности устройства ввода / вывода и режим обмена с прерываниями. Рассмотрим рис. 1.

Пусть для простоты управление вводом/выводом осуществляет центральный процессор. Центральный процессор посылает устройству управления команду выполнить некоторое действие устройству ввода / вывода. Последнее исполняет команду, транслируя сигналы, понятные центральному устройству и устройству управления в сигналы, понятные устройству ввода / вывода. Но быстродействие устройства ввода / вывода намного меньше быстродействия центрального процессора (порой на несколько порядков). 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 соответствующую линию интерфейса на наличие или отсутствие нужного сигнала. Посылать новую команду, не дождавшись сигнала готовности, сообщающего об исполнении предыдущей команды, бессмысленно. В режиме опроса готовности драйвер, управляющий процессом обмена данными с внешним устройством, как раз и выполняет в цикле команду «проверить наличие сигнала готовности». До тех пор пока сигнал готовности не появится, драйвер ничего другого не делает. При этом, естественно, нерационально используется время центрального процессора. Гораздо выгоднее, выдав команду ввода / вывода, на время забыть об устройстве ввода / вывода и перейти на выполнение другой программы. А появление сигнала готовности трактовать как запрос на прерывание от устройства ввода / вывода. Именно эти сигналы готовности и являются сигналами запроса на прерывание.

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 отсчёт времени, в течение которого устройство обязательно должно выполнить команду и выдать сигнал запроса на прерывание. Максимальный интервал времени, в течение которого устройство ввода / вывода или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерывание, часто 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.