Тема 2.4 Обслуживание ввода-вывода

Способы организации ввода-вывода.

Организация побайтного ввода-вывода. Организация ввода-вывода с использованием каналов ввода-вывода. Последовательность операций, выполняемых каналом ввода-вывода. Канальная программа. Вовлечение операционной системы в управление вводом-выводом. Рабочая область канала ввода-вывода. Очередь запросов на ввод-вывод. Алгоритм обработки прерываний по вводу-выводу. Пример управления вводом-выводом.

□ Основными задачами подсистемы ввода-вывода являются:

• организация параллельной работы процессора и устройств ввода-вывода, при обеспечении приемлемого уровня реакции каждого драйвера и минимизации общей загрузки процессора;
• согласование скоростей работы процессора, оперативной памяти и устройств ввода-вывода;
• разделение устройств ввода-вывода между процессами;
• обеспечение удобного логического интерфейса к устройствам ввода-вывода.

□ Подсистема ввода-вывода обычно имеет ярко выраженную многослойную структуру, которая помогает объединить большое количество разнотипных драйверов в систему с общим интерфейсом.

□ Драйверы делятся на низкоуровневые, непосредственно управляющие работой контроллеров внешних устройств, и высокоуровневые, обеспечивающие логический интерфейс к устройствам, например драйверы файловых систем

□ Для координации работы драйверов в подсистеме ввода-вывода может выделяться особый модуль, называемый менеджером ввода-вывода.

□ Аппаратные драйверы делятся на блок-ориентированные, обеспечивающие доступ к устройствам с поблочной непосредственной адресацией, и байт-ориентированные, управляющие устройствами, поддерживающими побайтный не адресуемый обмен.

Одной из главных задач ОС является обеспечение

• обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера. Собственно ради выполнения этой задачи и были разработаны первые системные программы, послужившие прототипами операционных систем. В современной ОС функции обмена данными с периферийными устройствами выполняет подсистема ввода-вывода. Клиентами этой подсистемы являются не только пользователи и приложения, но и некоторые компоненты самой ОС, которым требуется получение системных данных или их вывод, например подсистеме управления процессами при смене активного процесса необходимо записать на диск контекст приостанавливаемого процесса и считать с диска контекст активизируемого процесса.

Основными компонентами подсистемы ввода-вывода являются драйверы, управляющие внешними устройствами, и файловая система. К подсистеме ввода-вывода можно также с некоторой долей условности отнести и диспетчер прерываний.

Условность заключается в том, что диспетчер прерываний обслуживает не только модули подсистемы ввода-вывода, но и другие модули ОС, в частности такой важный модуль, как планировщик/диспетчер потоков. Но из-за того, что планирование работ подсистемы ввода-вывода составляет основную долю нагрузки диспетчера прерываний, его вполне логично рассматривать как ее составную часть (к тому же первопричиной появления в компьютерах системы прерываний были в свое время именно операции с устройствами ввода-вывода «П! принтер и диски, графический монитор и сетевой адаптер»).

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.

Основные понятия и концепции организации ввода/вывода в ОС

Ввод/вывод - одна 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. Создатели ОС должны обеспечить эффективное управление устройствами ввода/вывода, 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.

Помимо разделяемых устройств ввода/вывода существуют неразделяемые устройства.

Разделяемые устройства – это устройства с прямым доступом (накопитель на магнитных дисках, устройство чтения компакт-дисков).

Неразделяемые устройства — принтер.

Операционные системы должны управлять и теми и другими устройствами, предоставляя возможность параллельно решающимся задачам использовать различные устройства ввода/вывода.

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.

Для организации использования многими параллельно выполняющимися задачами устройств ввода/вывода, которые не могут быть разделяемыми, вводится понятие виртуальных устройств. Использование принципа виртуализации позволяет повысить эффективность вы­числительной системы.

Вообще говоря, понятие виртуального устройства шире, нежели использование этого термина для обозначения спулинга (SPOOLing — simultaneous peripheral operation on-line, то есть имитация работы с устройством в режиме «он-лайн»). Главная задача спулинга — создать видимость параллельного разделения устрой­ства ввода/вывода с последовательным доступом, которое фактически должно использоваться только монопольно и быть закрепленным.

Например, мы уже го­ворили, что в случае, когда несколько приложений должны выводить на печать результаты своей работы, если разрешить каждому такому приложению печатать строку по первому же требованию, то это приведет к потоку строк, не представ­ляющих никакой ценности. Однако можно каждому вычислительному процессу предоставлять не реальный, а виртуальный принтер и поток выводимых симво­лов (или управляющих кодов для их печати) сначала направлять в специальный файл на магнитном диске. Затем, по окончании виртуальной печати, в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания и приоритетами приложений вы­водить содержимое спул-файла на принтер. Системный процесс, который управ­ляет спул-файлом, называется спулером (spool-reader или spool-writer).