Операционные системы (архив ИПМ специалисты, бакалавры 2001г — 2021г, Богомолов)
- Современные операционные системы, Э. Таненбаум, 2002, СПб, Питер, 1040 стр., (в djvu 10.1Мбайт) подробнее>>
- Сетевые операционные системы Н. А. Олифер, В. Г. Олифер (в zip архиве 1.1Мбайт)
- Сетевые операционные системы Н. А. Олифер, В. Г. Олифер, 2001, СПб, Питер, 544 стр., (в djvu 6.3Мбайт) подробнее>>
9.1 Принципы аппаратуры ввода-вывода
9.1.1 Устройства ввода-вывода
Устройства делят на две категории (некоторые не попадают ни в одну):
блочные устройства — информация считывается и записывается по блокам, блоки имеют свой адрес (диски)
символьные устройства — информация считывается и записывается посимвольно (принтер, сетевые карты, мыши)
9.1.2 Контроллеры устройств
Устройства ввода-вывода обычно состоят из двух частей:
механическая (не надо понимать дословно) — диск, принтер, монитор
электронная — контроллер или адаптер
Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован (ANSI, IEEE или ISO), то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства. Например: диски IDE или SCSI.
Операционная система обычно имеет дело не с устройством, а с контроллером. Контроллер, как правило, выполняет простые функции, например, при считывании с диска, преобразует поток бит в блоки, состоящие из байт, и осуществляют контроль и исправление ошибок, проверяется контрольная сумма блока, если она совпадает с указанной в заголовке сектора, то блок считан без ошибок, если нет, то считывается заново.
9.1.3 Отображаемый на адресное пространство памяти ввод-вывод
Каждый контроллер имеет несколько регистров, которые используются для взаимодействия с центральным процессором. При помощи этих регистров ОС управляет (считывает, пишет, включает и т.д.) и определяет состояние (готовность) устройства.
У многих устройств есть буфер данных (например: видеопамять).
Реализации доступа к управляющим регистрам и буферам:
номер порта ввода-вывода — назначается каждому управляющему регистру 8- или 16-рзрядное целое число. Адресные пространства ОЗУ и устройства ввода-вывода в этой схеме не пересекаются.
Недостатки
— для чтения и записи применяются специальные команды, например: IN и OUT
— необходим специальный механизм защиты от процессов
— необходимо сначала считать регистр устройства в регистр процессора
отображаемый на адресное пространство памяти ввод-вывод — регистры отображаются на адресное пространство памяти.
Недостатки
— при кэшировании памяти, могут кэшироваться и регистры устройств
— все устройства должны проверять все обращения к памяти, чтобы определить, на какие им реагировать. На одной общей шине это реализуется легко, но на нескольких будут проблемы.
смешанная реализация — используется в х86 и Pentium,
от 0 до 64К отводится портам,
от 640 до 1М зарезервировано под буферы данных.
Способы реализации доступа к управляющим регистрам и буферам
9.1.4 Прямой доступ к памяти (DMA — Direct Memory Access)
Прямой доступ к памяти реализуется с помощью DMA — контроллера.
Контроллер содержит несколько регистров:
регистр адреса памяти
управляющие регистры, могут содержать:
— порт ввода-вывода
— чтение или запись
— единицы переноса (побайтно или пословно)
Без контроллера происходит следующее:
Процессор дает команду дисковому контроллеру прочитать данные в буфер,
Считываются данные в буфер, контроллер проверяет контрольную сумму считанных данных (проверка на ошибки). Процессор, до прерывания, переключается на другие задания.
Контроллер диска инициирует прерывание
Операционная система начинает работать и может считывать из буфера данные в память
Работа DMA — контроллера
С контроллером происходит следующее:
Процессор программирует контроллер (какие данные и куда переместить)
Процессор дает команду дисковому контроллеру прочитать данные в буфер
Считываются данные в буфер, контроллер диска проверяет контрольную сумму считанных данных, (процессор, до прерывания, переключается на другие задания).
Контроллер DMA посылает запрос на чтение дисковому контроллеру
Контроллер диска поставляет данные на шину, адрес памяти уже находится на шине, происходит запись данных в память
Когда запись закончена, контроллер диска посылает подтверждение DMA контроллеру
DMA контроллер увеличивает используемый адрес и уменьшает значение счетчика байтов
Все повторяется с пункта 4, пока значение счетчика не станет равной нулю.
Контроллер DMA инициирует прерывание
Операционной системе не нужно копировать данные в память, они уже там.
После того как устройство ввода-вывода начало работу, процессор переключается на другие задачи.
Чтобы сигнализировать процессору об окончании работы, устройство инициализирует прерывание, выставляя сигнал на выделенную устройству линию шины (а не выделенный провод).
Контроллер прерываний — обслуживает поступающие прерывания от устройств.
Если необработанных прерываний нет, прерывание выполняется немедленно.
Если необработанных прерываний есть, контроллер игнорирует прерывание. Но устройство продолжает удерживать сигнал прерывания на шине до тех пор, пока оно не будет обработано.
Устройство выставляет сигнал прерывания
Контроллер прерываний инициирует прерывание, указывая номер устройства
Процессор начинает выполнять обработку прерывания, вызывая процедуру
Эта процедура подтверждает получение прерывания контроллеру прерываний
9.2 Принципы программного обеспечения ввода-вывода
9.2.1 Задачи программного обеспечения ввода-вывода
Основные задачи, которые должно решать программное обеспечение ввода-вывода:
Независимость от устройств — например, программа, читающая данные из файла не должна задумываться с чего она читает (CD, HDD и др.). Все проблемы должна решать ОС.
Единообразное именование — имя файла или устройства не должны отличаться. (В системах UNIX выполняется дословно).
Обработка ошибок — ошибки могут быть отловлены на уровне контроллера, драйвера и т.д.
Перенос данных — синхронный и асинхронный (в последнем случае процессор запускает перенос данных, и переключается на другие задачи до прерывания).
Проблема выделенных (принтер) и невыделенных (диск) устройств — принтер должен предоставляться только одному пользователю, а диск многим. ОС должна решать все возникающие проблемы.
Три основных способа осуществления операций ввода-вывода:
Управляемый прерываниями ввод-вывод
Ввод-вывод с использованием DMA
Рассмотрим их подробнее.
9.2.2 Программный ввод-вывод
В этом случае всю работу выполняет центральный процессор.
Рассмотрим процесс печати строки ABCDEFGH этим способом.
Этапы печати строки ABCDEFGH
Строка для печати собирается в пространстве пользователя.
Обращаясь к системному вызову, процесс получает принтер.
Обращаясь к системному вызову, процесс просит распечатать строку на принтере.
Операционная система копирует строку в массив, расположенный в режиме ядра.
ОС копирует первый символ в регистр данных принтера, который отображен на памяти.
Символ печатается на бумаге.
Указатель устанавливается на следующий символ.
Процессор ждет, когда бит готовности принтера выставится в готовность.
При использовании буфера принтера, сначала вся строка копируется в буфер, после этого начинается печать.
9.2.3 Управляемый прерываниями ввод-вывод
Если в предыдущем примере буфер не используется, а принтер печатает 100 символов в секунду, то на каждый символ будет уходить 10мс, в это время процессор будет простаивать, ожидая готовности принтера.
Рассмотрим тот же пример, но с небольшим усовершенствованием.
До пункта 8 тоже самое.
Процессор не ждет готовности принтера, а вызывает планировщик и переключается на другую задачу. Печатающий процесс блокируется.
Когда принтер будет готов, он посылает прерывание процессору.
Процессор переключается на печатающий процесс.
9.2.4 Ввод-вывод с использованием DMA
Недостаток предыдущего метода в том, что прерывание происходит при печати каждого символа.
Алгоритм не отличается, но всю работу на себя берет контроллер DMA.
9.3 Программные уровни и функции ввода-вывода
Четыре уровня ввода-вывода:
9.3.1 Обработчики прерываний
Прерывания должны быть скрыты как можно глубже в недрах операционной системы, чтобы как можно меньшая часть ОС имела с ними дело. Лучше всего блокировать драйвер, начавший ввод-вывод.
Драйвер начинает операцию ввод-вывод.
Драйвер блокирует сам себя,
— выполнив на семафоре процедуру down
— выполнив на переменной состояния процедуру wait
— выполнив на сообщении процедуру receive
Обработчик прерываний начинает работу
Обработчик прерываний может разблокировать драйвер (например, выполнив на семафоре процедуру up)
9.3.2 Драйвера устройств
Драйвер устройства — необходим для каждого устройства. Для разных ОС нужны разные драйверы.
Драйверы должны быть частью ядра (в монолитной системе), что бы получить доступ к регистрам контроллера.
Это одна из основных причин приводящих к краху операционных систем. Потому что драйверы, как правило, пишутся производителями устройств, и вставляются в ОС.
Логическое расположение драйверов устройств. На самом деле обмен данными между контроллерами и драйверами идет по шине.
Драйвера должны взаимодействовать с ОС через стандартные интерфейсы.
Стандартные интерфейсы, которые должны поддерживать драйвера:
Для блочных устройств
Для символьных устройств
Раньше для установки ядра приходилось перекомпилировать ядра системы.
Сейчас в основном ОС загружают драйверы. Некоторые драйверы могут быть загружены в горячем режиме.
Функции, которые выполняют драйвера:
обработка запросов чтения или записи
управление энергопотреблением устройства
прогрев устройства (сканера)
включение устройства или запуска двигателя
9.3.3 Независимое от устройств программное обеспечение ввода-вывода
Функции независимого от устройств программного обеспечения ввода-вывода:
Единообразный интерфейс для драйверов устройств,
Сообщения об ошибках
Захват и освобождение выделенных устройств (блокирование)
Размер блока, не зависящий от устройств
Единообразный интерфейс для драйверов устройств
Кроме интерфейса, в него также входят проблемы,
Рассмотрим несколько примеров буферизации.
a) Не буферизованный ввод — после ввода каждого символа происходит прерывание
b) Буферизация в пространстве пользователя — приходится держать загруженными необходимые страницы памяти в физической памяти.
c) Буферизация в ядре с копированием в пространство пользователя — страница загружается только когда буфер ядра полный, данные из буфера ядра в буфер пользователя копируется за одну операцию. Проблема может возникнуть, когда буфер ядра полный, а страница буфера пользователя еще не загружена.
d) Двойная буферизация в ядре — если один буфер заполнен, и пока он выгружается, символы пишутся во второй буфер.
Сообщения об ошибках
Наибольшее число ошибок возникает именно от операции ввода-вывода, поэтому их нужно определять как можно раньше. Ошибки могут быть очень разные в зависимости от устройств.
Захват и освобождение выделенных устройств
Для устройств (принтер) с которыми должен работать в одно время только один процесс, необходима возможность захвата и освобождения устройств. Когда один процесс занял устройство, остальные встают в очередь.
Независимый от устройств размер блока
Размер блока должен быть одинаковый для верхних уровней, и не зависеть от устройств (размеров секторов на диске).
9.3.4 Программное обеспечение ввода-вывода пространства пользователя
Функции этого обеспечения:
Обращение к системным вызовам ввода-вывода (через библиотечные процедуры).
Форматный ввод-вывод (меняют формат, например, в ASCII)
Спулинг (для выделенных устройств) — создается процесс (например, демон печати) и каталог спулера.
9.3.5 Обобщение уровней и функций ввода-вывода
Уровни и основные функции системы ввода-вывода
Источник
Способы ввода-вывода
Технология ввода вывода
Лекция 11. Ввод-вывод
Программа, которая общается с контроллером устройства ввода-вывода, отдает ему команды и получает ответы, называется драйвером устройства.
Каждый производитель контроллеров должен поставлять драйверы для поддерживаемых им операционных систем. Для того, чтобы получить возможность использовать драйвер, его нужно установить в операционную систему так, чтобы он мог работать в режиме ядра.
Теоретически драйверы могут работать вне ядра, но такую возможность поддерживают всего несколько существующих систем, так как для этого требуется, чтобы драйвер в пространстве пользователя имел доступ к устройству неким контролируемым способом — очень редко поддерживаемое свойство.
Три способа установки драйвера в ядро.
- Первый способзаключается в том, чтобы заново скомпоновать ядро вместе с новым драйвером и затем перезагрузить систему. Так работает множество систем UNIX.
- Второй способ: создать запись во входящем в операционную систему файле, говорящую о том, что требуется драйвер, и затем перезагрузить систему. Во время начальной загрузки операционная система сама находит нужные драйверы и загружает их. Так работает система Windows.
- Третий способ: операционная система может принимать новые драйверы, не прерывая работы, и оперативно устанавливать их, не нуждаясь при этом в перезагрузке. Этот способ редко используется, но сейчас он становится все более и более распространенным. Такие съемные устройства, как шины USB и IEEE 1394, всегда нуждаются в динамически загружаемых драйверах.
Ввод и вывод данных можно осуществлять тремя различными способами (рис 11.1)
| Способ ввода-вывода | Без использования прерываний | С использованием прерываний |
| Передача данных из устройства в/в в память с использованием процессора | Программируемый ввод/вывод (режим опроса готовности) | Ввод/вывод, управляемый прерыванием (режим обмена с прерыванием) |
| Прямая передача данных из устройства ввода/вывода в память | Прямой доступ к памяти(DMA) |
Рис. 11.1. Способы ввода-вывода
- Управление в/в осуществляет ЦП– программный канал обмена данными между ОП и ВУ
- Управление в/в осуществляет специальное дополнительное оборудование –канал прямого доступа.
- Программируемый ввод-вывод (режим опроса готовности). Синхронное управление.Простейший метод состоит в том, что пользовательская программа выдает системный запрос, который ядро транслирует в вызов процедуры соответствующего драйвеpa. Затем драйвер начинает процесс ввода-вывода. В это время драйвер выполняет очень короткий программный цикл, постоянно опрашивая готовность устройства, с которым он работает (обычно есть некий бит, который указывает на то, что устройство все еще занято). По завершении операции ввода-вывода драйвер помещает данные туда, куда требуется, и возвращается в исходное состояние. Затем операционная система возвращает управление программе, осуществлявшей вызов. Этот метод называется ожиданием готовности или активным ожиданием и имеет один недостаток: процессор должен опрашивать устройство до тех пор, пока оно не завершит свою работу.
В набор используемых команд входят команды ввода-вывода, принадлежащие следующим категориям.
- Управление. Команды этой категории используются для того, чтобы привести внешнее устройство в действие и сообщить ему, что нужно делать. Например, блоку с магнитной лентой можно отдать команду перемотки или перемещения вперед на одну запись.
- Состояние. Используется для проверки состояния контроллера ввода-вывода и соответствующих периферийных устройств.
- Передача. Используется для чтения и/или записи данных в регистры процессора и внешние устройства и из регистров процессора и внешних устройств.
2. Режим обмена с прерываниями (асинхронное управление). При втором способе драйвер запускает устройство и просит его выдать прерывание по окончании ввода-вывода. После этого драйвер возвращает данные, операционная система блокирует программу вызова, если это нужно, и начинает выполнять другие задания. Когда контроллер обнаруживает окончание передачи данных, он генерирует прерывание, чтобы сигнализировать о завершении операции.
Процесс ввода-вывода в этом случае состоит из следующих шагов (рис. 11.2):
Рис. 11.2. Ввод-вывод, управляемый прерыванием
шаг 1. Драйвер передает команду контроллеру, записывая информацию в регистры устройства. Затем контроллер запускает устройство
шаг 2. Когда контроллер заканчивает чтение или запись того количества байтов, которое ему было указано передать, он посылает сигнал микросхеме контроллера прерываний, используя определенные провода шины.
шаг 3. Если контроллер прерываний готов к приему прерывания (а этого может и не быть, если он занят прерыванием более высокого приоритета), то он подает сигнал на определенный контакт процессора информируя центральный процессор.
шаг 4.Контроллер прерываний выставляет номер устройства на шину так, чтобы центральный процессор мог прочесть его и узнать, какое устройство только что завершило свою работу (ведь в одно и то же время могут работать несколько устройств).
Как только центральный процессор решил принять прерывание, содержимое счетчика команд (PC) и слова состояния процессора (PSW) помещается в текущий стек, а процессор переключается в режим работы ядра. Номер устройства может использоваться как индекс части памяти, служащий для поиска адреса обработчика прерываний данного устройства. Эта часть памяти называется вектором прерываний. Когда обработчик прерываний (это часть драйвера устройства, пославшего прерывание) начинает свою работу, он удаляет расположенные в стеке счетчик команд и слово состояния процессора, сохраняет их и запрашивает устройство, чтобы получить информацию о его состоянии. После того как обработка прерывания целиком завершена, управление возвращается кработавшей до этого программе пользователя, к той команде, выполнение которой еще не было закончено.
Для того чтобы не потерять связь с устройством может быть запущен отсчет времени, в течение которого устройство обязательно должно выполнить команду и выдать таки 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 процесс получают соответствующее диагностическое сообщение.
Драйверы, работающие в режиме прерываний, представляют собой сложный комплекс программных модулей и могут иметь несколько секций:
- секцию запуска,
- одну или несколько секций продолжения
- и секцию завершения.
Секция запускаинициирует операцию ввода/вывода. Эта секция запускается для включения устройства ввода/вывода либо просто для инициации очередной операции ввода/вывода.
Секция продолжения(их может быть несколько, если алгоритм управления обменом данными сложный и требуется несколько прерываний для выполнения одной логической операции) осуществляет основную работу по передаче данных.
Секция продолжения, собственно говоря, и является основным обработчиком прерывания.
Используемый интерфейс может потребовать для управления вводом/выводом несколько последовательностей управляющих команд, а сигнал прерывания у устройства, как правило, только один.
Поэтому после выполнения очередной секции прерывания супервизор прерываний при следующем сигнале готовности должен передать управление другой секции.
Это делается за счет изменения адреса обработки прерывания после выполнения очередной секции, если же имеется только одна секция прерываний, то она сама передает управление тому или иному модулю обработки.
Секция завершенияобычно выключает устройство ввода/вывода либо просто завершает операцию.
Управление операциями ввода/вывода в режиме прерываний требует больших усилий со стороны системных программистов — такие программы создавать сложнее, чем те, что работают в режиме опроса готовности.
Примером тому может служить ситуация с драйверами, обеспечивающими печать. Так, в ОС Windows (и Windows 9x, и Windows NT) драйвер печати через параллельный порт работает не в режиме с прерываниями, как это сделано в других ОС, а в режиме опроса готовности, что приводит к 100%-й загрузке центрального процессора на все время печати. При этом, естественно, выполняются и другие задачи, запущенные на исполнение, но исключительно за счет того, что ОС Windows реализует вытесняющую мультизадачность и время от времени прерывает процесс управления печатью и передает центральный процессор остальным задачам.
3. Прямой доступ к памяти. Третий метод ввода-вывода информации заключается в использовании специального контроллера прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access), который управляет потоком битов между оперативной памятью и некоторыми контроллерами без постоянного вмешательства центрального процессора. Процессор вызывает микросхему DMA, говорит ей, сколько байтов нужно передать, сообщает адреса устройства и памяти, а также направление передачи данных и позволяет дальше действовать ей самой. По завершении работы DMA инициирует прерывание, которое обрабатывается так же, как было описано выше.
Операционная система может воспользоваться прямым доступом к памяти только при наличии аппаратного DMA-контроллера, который есть у большинства систем. Как правило, DMA-контроллер, устанавливаемый на материнской плате, обслуживает запросы по передаче данных нескольких различных устройств ввода-вывода, часто на конкурентной основе.
Где бы он ни располагался физически, DMA-контроллер может получать доступ к системной шине независимо от центрального процессора (рис. 11.3). Он содержит несколько регистров, доступных центральному процессору для чтения и записи.
Рис. 11.3. Ввод-вывод с использованием прямого доступа
К ним относятся регистр адреса памяти, счетчик байтов и один или более управляющих регистров. Управляющие регистры задают:
Источник
