Способы взаимодействия с устройствами ввода вывода

Способы взаимодействия микропроцессора с устройствами ввода-вывода

Устройства ввода-вывода

Программно-управляемый ввод-вывод (сканирование) характеризуется тем, что все действия по вводу-выводу реализуются в те моменты времени, когда выполняется соответствующий фрагмент прикладной программы. Наиболее простыми эти действия оказываются для «всегда готовых» внешних устройств, например для коммутационного поля АТС.

Однако для многих объектов управления до выполнения операций ввода-вывода надо убедиться в их готовности к обмену. Процессор проверяет флаг готовности с помощью одной или нескольких команд. Если флаг установлен, то инициируются собственно ввод или вывод одного или нескольких слов данных. Когда же флаг сброшен, процессор выполняет цикл ожидания с повторной проверкой флага до тех пор, пока устройство не будет готово к операциям (рис. 3.1).

Основной недостаток программного ввода-вывода связан с непроизводительными потерями времени процессора в циклах ожидания. К достоинствам следует отнести простоту его реализации, не требующей дополнительных аппаратных средств.

Ввод-вывод по прерыванию, отличается от программно-управляемого тем, что переход к выполнению команд, физически реализующих обмен данными, осуществляется с помощью специальных аппаратных средств. Команды обмена данными в этом случае выделяют в отдельный программный модуль — программу обработки прерывания. Задачей аппаратных средств обработки прерывания в микропроцессоре является приостановка выполнения одной программы (ее еще называют основной программой) и передача управления программе обработки прерывания. Действия, выполняемые при этом процессором, как правило, те же, что и при обращении к подпрограмме. Только при обращении к подпрограмме они инициируются командой, а при обработке прерывания — управляющим сигналом от ВУ, который называют «Запрос прерывания».

Эта важная особенность обмена по прерыванию позволяет организовать обмен данными с ВУ в произвольные моменты времени, не зависящие от программы, выполняемой в микроЭВМ. Таким образом, появляется возможность обмена данными в реальном масштабе времени, определяемом внешней по отношению к микропроцессору средой. Обмен по прерыванию существенным образом экономит время процессора, затрачиваемое на обмен. Это происходит за счет того, что исчезает необходимость в организации программных циклов ожидания готовности, на выполнение которых тратится значительное время.

Прерывание программы не должно оказывать на прерванную программу никакого влияния кроме увеличения времени ее выполнения за счет приостановки на время выполнения программы обработки прерывания. Поскольку для выполнения программы обработки прерывания используются различные регистры процессора (счетчик команд, регистр состояния и т.д.), то информацию, содержащуюся в них в момент прерывания, необходимо сохранить для последующего возврата в прерванную программу.

Третьим способом ввода-вывода является обмен в режиме прямого доступа к памяти (ПДП). В этом режиме обмен данными между УВВ и ЗУ происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа, выполняемая процессором, а электронные схемы, внешние по отношению к процессору. Обычно схемы, управляющие обменом в режиме ПДП, размещаются в специальном контроллере, который называется контроллером прямого доступа к памяти.

Для реализации режима прямого доступа к памяти необходимо обеспечить непосредственную связь контроллера ПДП и ЗУ. Для этой цели можно Такое решение используется достаточно редко, поскольку оно приводит к значительному усложнению микропроцессорной системы в целом. В целях сокращения количества наборов шин адресов, данных и управления контроллер ПДП подключается к ЗУ посредством шин адреса и данных основного системного интерфейса, связывающего микропроцессор с запоминающими устройствами. При этом возникает проблема совместного использования шин системного интерфейса процессором и контроллером ПДП. При возникновении необходимости обмена контроллер ПДП отправляет запрос в микропроцессор. Последний освобождает системный интерфейс, после чего данные пересылаются из УВВ в ЗУ. При наличии у микропроцессора кэш-памяти он может продолжать работу и во время ПДП.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Лекция 13. Организация взаимодействия ОС с устройствами ввода-вывода

Лекция 13. Организация взаимодействия ОС с устройствами ввода-вывода

Понятие прерывания

Система прерываний переводит процессор на выполнение потока команд, отличного от того, который выполнялся до сих пор, с последующим возвратом к исходному коду. Прерывание происходит в произвольной точке потока команд программы, которую программист не может прогнозировать. Прерывание возникает либо в зависимости от внешних по отношению к процессу выполнения программы событий, либо при появлении непредвиденных аварийных ситуаций в процессе выполнения данной программы. При возникновении прерывания выполняется некоторая подпрограмма, обрабатывающая специальную ситуацию, а затем продолжается выполнение основной ветви программы.

В зависимости от источника, вызывающего прерывание, последние делятся на три больших класса:

1. Внешние прерывания могут возникать в результате действий пользователя или оператора за терминалом, или же в результате поступления сигналов от аппаратных устройств — сигналов завершения операций ввода-вывода , вырабатываемых контроллерами внешних устройств компьютера. Внешние прерывания называют также аппаратными, отражая тот факт, что прерывание возникает вследствие подачи некоторой аппаратурой электрического сигнала, который передается на специальный вход прерывания процессора. Данный класс прерываний является асинхронным по отношению к потоку инструкций прерываемой программы.

2. Внутренние прерывания , называемые также исключениями (exeption), происходят синхронно выполнению программы при появлении аварийной ситуации в ходе исполнения некоторой инструкции программы. Примерами исключений являются деление на нуль, ошибки защиты памяти, обращения по несуществующему адресу, попытка выполнить привилегированную инструкцию в пользовательском режиме и т. п.

3. Программные прерывания отличаются от предыдущих двух классов тем, что они по своей сути не являются «истинными» прерываниями и возникают при выполнении особой команды процессора, выполнение которой имитирует прерывание, то есть переход на новую последовательность инструкций.

Прерываниям приписывается приоритет, с помощью которого они ранжируются по степени важности и срочности.

Прерывания обычно обрабатываются модулями операционной системы, так как действия, выполняемые по прерыванию, относятся к управлению разделяемыми ресурсами вычислительной системы — принтером, диском, таймером, процессором и т. п. Процедуры, вызываемые по прерываниям, обычно называют обработчиками прерываний, или процедурами обслуживания прерываний:

− Аппаратные прерывания обрабатываются драйверами соответствующих внешних устройств,

− исключения — специальными модулями ядра,

− программные прерывания — процедурами ОС, обслуживающими системные вызовы.

Кроме этих модулей в операционной системе может находиться так называемый диспетчер прерываний, который координирует работу отдельных обработчиков прерываний.

Механизм прерываний

Механизм прерываний поддерживается аппаратными средствами компьютера и программными средствами операционной системы.

Существуют два основных способа, выполнения прерывания , причем в обоих способах процессору предоставляется информация об уровне приоритета прерывания на шине подключения внешних устройств:

1. Векторный (vectored). В случае векторных прерываний в процессор передается также информация о начальном адресе программы обработки возникшего прерывания — обработчика прерываний. Устройствам, которые используют векторные прерывания, назначается вектор прерываний, представляющий собой электрический сигнал, выставляемый на соответствующие шины процессора и несущий в себе информацию об определенном, закрепленном за данным устройством номере, который идентифицирует соответствующий обработчик прерываний.

2. Опрашиваемый (polled). При использовании опрашиваемых прерываний процессор получает от запросившего прерывание устройства только информацию об уровне приоритета прерывания. С каждым уровнем прерываний связано несколько устройств и соответственно несколько программ — обработчиков прерываний. При возникновении прерывания процессор определяет, какое устройство запросило прерывание путем опроса обработчиков прерываний для данного уровня приоритета, пока один из обработчиков не подтвердит, что прерывание пришло от обслуживаемого им устройства. Если же с каждым уровнем прерываний связано только одно устройство, то определение нужной программы обработки прерывания происходит немедленно, как и при векторном прерывании.

Механизм прерываний аппаратной платформы может сочетать векторный и опрашиваемый типы прерываний. Контроллеры периферийных устройств выставляют на шину не вектор, а сигнал запроса прерывания определенного уровня IRQ. Вектор прерываний в процессор Pentium поставляет контроллер прерываний, который отображает поступающий от шины сигнал IRQ на определенный номер вектора. Вектор прерываний, передаваемый в процессор, представляет собой целое число в диапазоне от 0 до 255, указывающее на одну из 256 программ обработки прерываний, адреса которых хранятся в таблице обработчиков прерываний. В том случае, когда к каждой линии IRQ подключается только одно устройство, процедура обработки прерываний работает так, как если бы система прерываний была чисто векторной, то есть процедура не выполняет никаких дополнительных опросов для выяснения того, какое именно устройство запросило прерывание. Однако при совместном использовании одного уровня IRQ несколькими устройствами программа обработки прерываний должна работать в соответствии со схемой опрашиваемых прерываний, то есть дополнительно выполнить опрос всех устройств, подключенных к данному уровню IRQ.

Механизм прерываний чаще всего поддерживает приоритезацию и маскирование прерываний.

Приоритезация означает, что все источники прерываний делятся на классы и каждому классу назначается свой уровень приоритета запроса на прерывание. Приоритеты могут обслуживаться как относительные и абсолютные.

Маскирование — при обслуживании некоторого запроса все запросы с равным или более низким приоритетом маскируются, то есть не обслуживаются. Схема маскирования предполагает возможность временного маскирования (приостановки) прерываний любого класса независимо от уровня приоритета.

Обобщенно последовательность действий аппаратных и программных средств по обработке прерывания можно описать следующими этапами.

1. При возникновении сигнала (для аппаратных прерываний) или условия (для внутренних прерываний) прерывания происходит первичное аппаратное распознавание типа прерывания. В зависимости от поступившей в процессор информации (уровень прерывания, вектор прерывания или тип условия внутреннего прерывания) происходит автоматический вызов процедуры обработки прерывания, адрес которой находится в специальной таблице операционной системы, размещаемой либо в регистрах процессора, либо в определенном месте оперативной памяти.

2. Автоматически сохраняется некоторая часть контекста прерванного потока, которая позволит ядру возобновить исполнение потока процесса после обработки прерывания. В это подмножество обычно включаются значения счетчика команд, слова состояния машины, хранящего признаки основных режимов работы процессора, а также нескольких регистров общего назначения, которые требуются программе обработки прерывания. Может быть сохранен и полный контекст процесса, если ОС обслуживает данное прерывание со сменой процесса.

3. Одновременно с загрузкой адреса процедуры обработки прерываний в счетчик команд может автоматически выполняться загрузка нового значения слова состояния машины, которое определяет режимы работы процессора при обработке прерывания, в том числе работу в привилегированном режиме. Прерывания практически во всех мультипрограммных ОС обрабатываются в привилегированном режиме модулями ядра, так как при этом обычно нужно выполнить ряд критических операций, от которых зависит жизнеспособность системы, — управлять внешними устройствами, перепланировать потоки и т. п.

4. Временно запрещаются прерывания данного типа, чтобы не образовалась очередь вложенных друг в друга потоков одной и той же процедуры. Многие процессоры автоматически устанавливают признак запрета прерываний в начале цикла обработки прерывания, в противном случае это делает программа обработки прерываний.

5. После того как прерывание обработано ядром операционной системы, прерванный контекст восстанавливается, и работа потока возобновляется с прерванного места.

Организация взаимодействия ОС с устройствами ввода-вывода

Каждое устройство ввода-вывода вычислительной системы (диск, принтер, терминал и т. п.) снабжено специализированным блоком управления, называемым контроллером. Контроллер взаимодействует с драйвером — системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством. Контроллер периодически принимает от драйвера выводимую на устройство информацию, а также команды управления, которые говорят о том, что с этой информацией нужно сделать (например, вывести в виде текста в определенную область терминала или записать в определенный сектор диска).

Основными компонентами подсистемы ввода-вывода являются драйверы, управляющие внешними устройствами, и файловая система.

Достоинством подсистемы ввода-вывода любой универсальной ОС является наличие разнообразного набора драйверов для наиболее популярных периферийных устройств.

Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра ОС (модулями подсистемы ввода-вывода, модулями системных вызовов, модулями подсистем управления процессами и памятью и т. д.), а с другой стороны — с контроллерами внешних устройств. Поэтому существуют два типа интерфейсов:

− интерфейс «драйвер-ядро» (Driver Kernel Interface, DKI),

Подсистема ввода-вывода (Input-Output Subsystem) мультипрограммной ОС при обмене данными с внешними устройствами компьютера должна решать следующие задачи:

— организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора;

— согласование скоростей обмена и кэширование данных;

— разделение устройств и данных между процессами;

— обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы;

— поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера;

— динамическая загрузка и выгрузка драйверов;

— поддержка нескольких файловых систем;

— поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.

Операция ввода-вывода может выполняться по отношению к программному модулю, запросившему операцию:

— в синхронном режиме — программный модуль приостанавливает свою работу до тех пор, пока операция ввода-вывода не будет завершена (рис.13.1, а);

— В асинхронном режиме — программный модуль продолжает выполняться в мультипрограммном режиме одновременно с операцией ввода-вывода (рис.13.1, б).

Рис.13.1 — Два режима выполнения операций ввода-вывода

Многослойная модель подсистемы ввода-вывода

Многослойное построение программного обеспечения, характерно при построении подсистемы ввода-вывода. При этом нижние слои подсистемы ввода-вывода должны включать индивидуальные драйверы, написанные для конкретных физических устройств, а верхние слои должны обобщать процедуры управления этими устройствами, предоставляя общий интерфейс для групп устройств, обладающих некоторыми общими характеристиками.

В самом общем виде программное обеспечение ввода-вывода можно разделить на четыре слоя (рисунок 13.2):

1. Обработка прерываний,

3. Независимый от устройств слой операционной системы,

4. Пользовательский слой программного обеспечения.

Рис.13.2 — Многоуровневая организация подсистемы ввода-вывода

В более частном виде структура подсистемы ввода-вывода, характерная для современных ОС представлена на рис.13.3.

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 функционирования.

Рис.13.3 — Структура подсистемы ввода-вывода современной ОС

Типичными функциями для независимого от устройств слоя являются:

— обеспечение общего интерфейса к драйверам устройств,

— обеспечение независимого размера блока,

— распределение памяти на блок-ориентированных устройствах,

— распределение и освобождение выделенных устройств,

— уведомление об ошибках.

Менеджеры ввода-вывода

В подсистеме ввода-вывода наряду с модулями, отражающими специфику внешних устройств и образующими вертикальные подсистемы, существуют модули универсального назначения.

Менеджер ввода-вывода . – модуль ОС, организующий согласованную работу всех остальных компонентов подсистемы ввода-вывода, взаимодействие с пользовательскими процессами и другими подсистемами ОС. Причем функции управления устройствами, распределены по всем уровням, образуя оболочку.

Верхний слой менеджера составляют системные вызовы ввода-вывода, которые принимают от пользовательских процессов запросы на ввод-вывод и переадресуют их отвечающим за определенный класс устройств модулям и драйверам, а также возвращают процессам результаты операций ввода-вывода. Таким образом этот слой поддерживает пользовательский интерфейс ввода-вывода, создавая для прикладных программистов максимум удобств по манипулированию внешними устройствами и расположенными на них данными.

Нижний слой менеджера реализует непосредственное взаимодействие с контроллерами внешних устройств, экранируя драйверы от особенностей аппаратной платформы компьютера — шины ввода-вывода, системы прерываний и т. п. Этот слой принимает от драйверов запросы на обмен данными с регистрами контроллеров в некоторой обобщенной форме с использованием независимых от шины ввода-вывода адресации и формата, а затем преобразует эти запросы в зависящий от аппаратной платформы формат.

Драйверы устройств

Под драйвером понимается программный модуль, который обладает следующими свойствами и функциями:

— входит в состав ядра операционной системы, работая в привилегированном режиме;

— непосредственно управляет внешним устройством, взаимодействуя с его контроллером с помощью команд вводавывода компьютера;

— обрабатывает прерывания от контроллера устройства;

— предоставляет прикладному программисту удобный логический интерфейс работы с устройством, экранируя от него низкоуровневые детали управления устройством и организации его данных;

— взаимодействует с другими модулями ядра ОС с помощью строго оговоренного интерфейса, описывающего формат передаваемых данных, структуру буферов, способы включения драйвера в состав ОС, способы вызова драйвера, набор общих процедур подсистемы ввода-вывода, которыми драйвер может пользоваться, и т. п.

В операционной системе только драйвер устройства знает о конкретных особенностях какого-либо устройства.

Порядок функционирования драйвера устройства:

— Драйвер устройства принимает запрос от программного слоя и решает, как его выполнить. 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.

— Преобразование запроса ввода-вывода 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.

— Передача команд контроллеру и принятие решения должен ли драйвер 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.

Возвращение управления программе (вызвавшей драйвер) с результатом операции ввода-вывода.

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Источник