Способы управления вводом выводом

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).

Физическая организация устройств ввода-вывода

Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства. Блок-ориентированные устройства хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство — диск. Байт-ориентированные устройства не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются терминалы, строчные принтеры, сетевые адаптеры. Однако некоторые внешние устройства не относятся ни к одному классу, например, часы, которые, с одной стороны, не адресуемы, а с другой стороны, не порождают потока байтов. Это устройство только выдает сигнал прерывания в некоторые моменты времени.

Внешнее устройство обычно состоит из механического и электронного компонента. Электронный компонент называется контроллером устройства или адаптером. Механический компонент представляет собственно устройство. Некоторые контроллеры могут управлять несколькими устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством стандартизован, то независимые производители могут выпускать совместимые как контроллеры, так и устройства.

Операционная система обычно имеет дело 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 эти регистры являются частью физического адресного пространства. В таких компьютерах нет специальных операций ввода-вывода. В других компьютерах адреса регистров ввода-вывода, называемых часто портами, образуют собственное адресное пространство за счет введения специальных операций ввода-вывода (например, команд IN и OUT в процессорах i86).

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 процессором операционной системе, которая должна проверить результаты операции. Процессор получает результаты и статус устройства, читая информацию из регистров контроллера.

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 (рисунок 2.30):

Обработка прерываний,
Драйверы устройств,
Независимый от устройств слой операционной системы,
Пользовательский слой программного обеспечения.

Рис. 2.30. Многоуровневая организация подсистемы ввода-вывода

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

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 устройств 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.

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.

Независимый от устройств слой операционной системы

Большая часть программного обеспечения ввода-вывода является независимой от устройств. 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.

Остановимся на некоторых функциях данного перечня. Верхним слоям программного обеспечения не удобно 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.

Пользовательский слой программного обеспечения

Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связываемых с пользовательскими программами. Системные вызовы, включающие вызовы ввода-вывода, обычно делаются библиотечными процедурами. Если программа, написанная на языке С, содержит вызов

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.

Источник

Основные методы ввода-вывода (I/O)

Авторизуйтесь

Основные методы ввода-вывода (I/O)

Начинающему разработчику зачастую сложно разобраться в средствах ввода-вывода (I/O), поскольку присутствует небольшая путаница в определении различий этих способов. В данном материале попробуем заполнить этот пробел и разобраться в классификации основных типов ввода-вывода.

I/O в аппаратном обеспечении

В современных операционных системах средства ввода-вывода представляют собой способы взаимодействия между обработчиком информации и внешним миром. Сюда можно отнести чтение или запись файлов на жёсткий диск или SSD, отправку и получение данных по сети, отображение информации на мониторе и получение ввода с мыши и клавиатуры.

Способы взаимодействия современных ОС с периферийными устройствами зависят от типа устройства, возможностей прошивки и аппаратного обеспечения. Можно считать, что периферия может обрабатывать несколько запросов одновременно. То есть время последовательного взаимодействия прошло. В этом смысле все взаимодействия устройств ввода-вывода с процессором асинхронны и находятся на стороне аппаратного обеспечения.

Такой асинхронный механизм называется аппаратным прерыванием. В простом случае, процессор отправляет запрос к внешнему устройству и начинает бесконечный цикл, в котором он каждый раз запрашивает у периферии, готовы ли данные, которые процессор мог бы считать, и ждёт в цикле, пока периферия не выдаст ему эти данные. Этот метод ввода-вывода называется методом опроса поскольку процессор должен постоянно проверять состояние периферии.

3–5 декабря, Онлайн, Беcплатно

На самом деле, на современном оборудовании процессор просит периферию выполнить действие и забывает о нём, продолжая обрабатывать другие инструкции. Как только устройство завершит свою работу, оно сообщает об этом процессору, вызывая прерывание. Это происходит на уровне аппаратного обеспечения, и при этом процессору никогда не приходится ожидать или опрашивать периферию, что освобождает его для другой работы, пока периферия сама не сообщит о своей готовности.

I/O в программном обеспечении

В среде программного обеспечения существует большое количество видов ввода и вывода: блокирующий, неблокирующий, мультиплексированный и асинхронный. Давайте рассмотрим их по очереди.

Блокирующий метод

Помните, что любая пользовательская программа запускается внутри процесса, а код выполняется в контексте потока? Предположим, вы пишете программу, которой нужно читать информацию из файла. С блокирующим вводом-выводом вы просите ОС «усыпить» ваш поток и «разбудить» его только после того, как данные из файла будут доступны для чтения.

То есть блокирующий ввод-вывод называется так, потому что поток, который его использует, блокируется и переходит в режим ожидания, пока ввод-вывод не будет завершён.

Неблокирующий метод

Проблема метода блокировки заключается в том, что поток будет спать, пока ввод-вывод не завершится. Поток не сможет выполнять никаких других задач, кроме ожидания завершения ввода-вывода. Иногда вашей программе больше и не надо ничего делать. В противном случае во время ожидания ввода-вывода было бы полезно выполнять другие задачи.

Один из способов осуществить это — использовать неблокирующий ввод-вывод. Его идея заключается в том, что когда программа делает вызов на чтение файла, ОС не будет блокировать поток, а просто вернёт ей либо готовые данные, либо информацию о том, что ввод-вывод ещё не закончен. Это не заблокирует поток, но программе придётся позже проверять, завершён ли ввод-вывод. Это означает, что ПО может по-разному реагировать в зависимости от того, завершён ли ввод-вывод и выполнять другие задачи. Когда же программе снова понадобится ввод-вывод, она сможет повторно попробовать прочесть содержимое файла, и если ввод-вывод завершён, то получит содержимое файла. В противном случае ПО снова получит сообщение о том, что операция ещё не завершена и сможет заняться другими задачами.

Мультеплексированный метод

Проблема с неблокирующим вводом-выводом в том, что с ним не удобно работать, если задачи, которые выполняет программа, ожидая ввода-вывода, сами из себя представляют другой ввод-вывод.

Хорошо, если ПО просит ОС прочитать содержимое из файла А, после чего выполняет какие-нибудь сложные вычисления. Затем проверяет, завершилось ли чтение файла А, и если да, то просто продолжает ту работу, для которой нужно было содержимое файла, а иначе снова выполняет некоторое количество сложных вычислений и так далее.

Но что, если программе не нужно выполнять сложные вычисления? Ей просто нужно прочесть файл A и одновременно файл B. Пока ПО ожидает завершения обработки файла А, оно делает неблокирующий вызов чтения содержимого файла В. Во время ожидания обработки программе больше нечего делать, потому она входит в бесконечный цикл опроса, проверяя, готово ли A и готово ли B, снова и снова. Это либо нагрузит процессор проверками состояния ваших неблокирующих вызовов, либо вам придётся вручную добавить какое-то произвольное время, которое ваш поток будет «спать», а значит, программа немного позже заметит, что ввод-вывод готов, что отрицательно скажется на пропускной способности ПО.

Во избежание этого можно использовать мультиплексированный ввод-вывод. Он тоже блокирует поток на операциях ввода-вывода, но вместо того, чтобы производить блокировку по очереди, вы можете запланировать все операции ввода-вывода, которые вам нужно сделать, и блокировать их все. Операционная система разбудит поток, когда какая-нибудь из операций завершится. В некоторых реализациях мультиплексированного ввода-вывода можно даже точно указать, что вы хотите, чтобы поток разбудили, только когда заданный набор операций ввода-вывода будет завершён, например, когда файлы A и C, или файлы B и D будут готовы.

Таким образом ПО делает неблокирующий вызов чтения файла A, потом неблокирующий вызов чтения файла B, и наконец говорит ОС: усыпи мой поток, и разбуди его, когда A и B будут оба готовы, или когда один из них будет готов.

Асинхронный метод

Проблема мультиплексированного ввода-вывода в том, что поток всё-таки спит, пока ввод-вывод не будет готов для обработки. Для многих программ это подходит, поскольку у них нет других задач, пока они ждут завершения операций ввода-вывода. Но иногда у них есть и другие задачи.

Например, ПО вычисляет цифры числа π и одновременно суммирует значения из нескольких файлов. Вам хотелось бы запланировать все операции чтения файлов, пока программа ждёт их выполнения, вычислять цифры числа π. Когда какой-нибудь из файлов будет прочитан, ПО прибавит записанное в нём значение и продолжит вычислять цифры числа π дальше, пока ещё один файл не будет прочитан.

Чтобы это работало, нужно, чтобы ваше вычисление цифр числа π могло быть прервано вводом-выводом, когда он завершается. Это можно сделать с помощью обратных вызовов, связанных с событиями. Вызов на чтение принимает функцию обратного вызова и возвращается немедленно. Когда ввод-вывод завершается, операционная система остановит ваш поток и выполнит обратный вызов. Когда обратный вызов завершится, система возобновит работу вашего потока.

Многопоточность или однопоточность?

Вы, наверно, заметили, что все вышеописанные способы ввода-вывода работают в рамках одного потока, главного потока вашего приложения. На самом деле, для выполнения ввода-вывода не требуется отдельный поток, поскольку, как вы видели в начале статьи, вся периферия выполняет ввод-вывод асинхронно. Поэтому и возможно делать блокирующий, неблокирующий, мультиплексированный и асинхронный ввод-вывод в однопоточной модели и одновременный ввод-вывод может работать без поддержки многопоточности.

Но обработка результатов операций ввода-вывода может быть и многопоточной. Это позволяет программе делать одновременные вычисления поверх одновременного ввода-вывода. Так что, ничто не мешает вам совмещать многопоточность и эти механизмы ввода-вывода.

В самом деле, есть пятый популярный метод ввода-вывода, который требует многопоточности. Его часто путают с неблокирующим или асинхронным, поскольку он похож по интерфейсу на те два. Он работает просто: он использует блокирующий ввод-вывод, но каждый блокирующий вызов делается в отдельном потоке. В зависимости от реализации, вызов либо принимает функцию обратного вызова, либо использует модель опроса, как если он возвращает Future .

Источник