Тема 2.4. Обслуживание ввода-вывода
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.
При всем многообразии внешних устройств ЭВМ и способов управления ими их программные интерфейсы могут быть сведены к трем основным моделям, определяющимся способом подключения устройств к ЭВМ:
регистры устройств;
контроллеры ввода-вывода;
прямой доступ к памяти;
каналы ввода-вывода;
процессоры ввода-вывода.
Устройство может быть подключено к процессору через регистры устройства, как показано на Рис. 1. Такое подключение применяется для устройств, которые имеют простое управление, и обмен с ними ведется небольшими порциями данных (байт, слово, двойное слово). Устройство может иметь большое число регистров, которые, однако, сводятся к трем основным типам: регистры состояния - для передачи в процессор информации о состоянии, регистры управления - для передачи на устройство команд, регистры данных - для обмена данными между процессором и устройством. Регистры управления и состояния, как правило, являются однонаправленными, регистры данных могут быть как одно-, так и двунаправленными. Регистры устройств являются расширением адресного пространства ЭВМ.
Рис. 1. Прямое подключение устройства
|
Сколько-нибудь сложные по управлению устройства подсоединяются к ЭВМ через контроллеры ввода-вывода (устройства управления), причем один контроллер может обслуживать несколько однотипных устройств, как показано на Рис. 2. С точки зрения программного интерфейса это подключение ничем не отличается от предыдущего варианта, регистры контроллера выглядят для программы так же, как и регистры устройств.
Рис. 2. Подключение через контроллер
|
Быстродействие устройств много ниже быстродействия центрального процессора, поэтому обычно после выдачи команды на устройство программа должна дожидаться ее завершения. Программа может убедиться в завершении операции одним из двух способов: опросом или прерыванием. Опрос предполагает периодическое чтение регистра состояния устройства и проверку в нем признака завершения операции. Крайним случаем опроса является занятое ожидание - когда программа опрашивает устройство практически непрерывно, ничем другим не занимаясь. Помимо того, что при этом непроизводительно расходуется процессорное время, занятое ожидание еще и небезопасно: при отсутствии сигнала окончания от устройства (например, при сбое последнего) программа может "зависнуть" в состоянии занятого ожидания, а если она при этом была в непрерываемом состоянии - заблокировать работу всей системы.
Более действенным способом сигнализации об окончании операции является прерывание от устройства. При большом разнообразии механизмов прерываний в разных архитектурах вычислительных систем все они обеспечивают сохранение вектора состояния прерванного процесса и идентификацию устройства, приславшего прерывание. При использовании прерываний ОС после выдачи команды ввода-вывода на устройство переводит процесс в состояние ожидания. Прерывание, присланное устройством, обрабатывается ядром ОС, которое при этом разблокирует процесс, ожидающий завершения операции.
Для устройств, с которыми обмен ведется большими порциями информации, применяется прямой доступ к памяти (ПДП), показанный на Рис. 3. Контроллер ПДП работает параллельно с центральным процессором и обменивается данными прямо с оперативной памятью, минуя центральный процессор. Сам контроллер ПДП выглядит для программы как устройство с доступом через регистры. Программа должна его запрограммировать, записав в его регистры адрес области оперативной памяти, с которой происходит обмен, и размер блока данных, а затем запустить операцию, которая инициирует прямой обмен. Регистр данных контроллера ПДП при этом используется только для передачи управляющей информации. Об окончании обмена программа может узнать либо по прерыванию, либо опрашивая регистр состояния контроллера. Контроллер ПДП обычно содержит собственную буферную память для сглаживания разницы в быстродействии устройства и оперативной памяти. Аппаратура ПДП обычно не обеспечивает динамическую трансляцию адресов. Поэтому ОС, получив от процесса запрос на выполнение операции ввода-вывода через ПДП, фиксирует в реальной памяти ту часть виртуального адресного пространства программы, с которой происходит обмен - до окончания обмена. Отметим также, что непрерывное виртуальное адресное пространство процесса может отображаться в несмежные страничные кадры реальной памяти, поэтому ОС может водить-выводить непрерывный с точки зрения процесса блок данных за несколько операций обмена
.
Рис. 3. Подключение через ПДП
|
В сущности, и контроллер обычного устройства, и контроллер ПДП представляют собой специализированные процессорные устройства, но более полно это качество присуще каналу ввода-вывода. Каналы представляют собой специализированные процессоры, имеющие свою систему команд и работающие параллельно с центральным процессором, но использующие ту же оперативную память. В отличие от контроллеров, которые являются специализированными по типам устройств, каналы являются универсальными процессорами ввода-вывода, к одному каналу могут быть одновременно подсоединены контроллеры разных устройств. Работа канала во многом похожа на работу контроллера ПДП: канал программируется, а затем запускается операция, в ходе которой канал обеспечивает прямой обмен с оперативной памятью, минуя центральный процессор. Подключение через канал показано на Рис.4.
Рис. 4. Подключение через канал ввода-вывода
|
Существует несколько типов каналов (селекторный, мультиплексный, байт-мультиплексный), предназначенных для подключения устройств с разными скоростями обмена, но для программиста все они выглядят одинаково. Средства программирования канала, во-первых, гораздо более мощные и гибкие, чем контроллера ПДП, во-вторых, позволяют унифицировать программирование ввода-вывода для различных устройств.
Выполнение операции ввода-вывода подразумевает совместное (параллельное или квазипараллельное) функционирование нескольких "субъектов": основной программы, выполняющейся на центральном процессоре (далее - программа ЦП), канала и устройства (далее - канал), аппаратного механизма прерываний и программы обработки прерываний. Программа ЦП формирует в оперативной памяти программу канала, сообщает системе ввода-вывода ее адрес, назначает Блок управления событием, в котором будет сделана отметка о завершении операции, и выдает команду "Начать ввод-вывод", адресующую канал и устройство. Канал проверяет готовность канала/устройства и начинает выполнение канальной программы. При этом команда "Начать ввод-вывод" завершается, и программа ЦП продолжает свое выполнение. Когда у программы ЦП возникает необходимость дождаться завершения операции, она опрашивает Блок управления событием. Если в нем есть отметка о выполнении, программа продолжает выполняться, в противном случае - переводится в состояние ожидания до появления отметки в Блоке управления событием. Канал при завершении операции сообщает системе ввода-вывода информацию о своем состоянии и инициирует прерывание по вводу-выводу. Аппаратный механизм прерывания сохраняет текущее состояние программы и обеспечивает передачу управления на программу обработки прерываний по вводу-выводу. Программа обработки прерываний распознает канал и устройство, пославшие прерывания, и передает управление на соответствующую ветвь обработки. Из информации о состоянии канала определяется причина прерывания. Выполняются действия по обработке соответствующей ситуации. Диагностическая информация может быть также записана в область памяти, доступную для программы ЦП. Если прерывание, сообщает об окончании операции, обработчик прерывания делает отметку в Блоке управления событием. Обработчик прерывания возвращает управление в прерванную программу. Программа ЦП, если это необходимо, анализирует диагностическую информацию о результатах выполнения операции.
Программа канала размещается в оперативной памяти и представляет собой массив канальных команд. Каждая команда канальной программы - структура данных фиксированной длины, содержащая код операции, адрес области памяти, с которой происходит обмен, код контроля доступа к памяти, признаки режима выполнения, объем передаваемых или принимаемых данных.
Различаются несколько типов операций: "чтение" (передача данных из устройства в память), "запись" (передача данных из памяти в устройство), "управление" (выполнение специфических операций на устройстве, например, перемотка магнитной ленты) - эти команды специфичны для устройств, устройство может иметь несколько модификаций одной команды. Общей для всех устройств является команда "уточнить состояние" - передача в память информации о состоянии устройства. Команда "переход в канале" на устройство не передается, она изменяет последовательность выполнения канальных команд. Код контроля доступа к памяти позволяет предотвратить вторжение процесса в операциях ввода-вывода в области памяти, принадлежащие другим процессам или ОС. Среди признаков режима выполнения наибольший интерес представляют три. Признак "цепочка команд" определяет продолжение программы канала в следующей команде. Признак "цепочка данных" задает выполнение следующей канальной команды как продолжения текущей: поле кода операции в ней игнорируется, но все остальные поля обновляются. Если отсутствуют признаки "цепочка команд" или "цепочка данных", канальная команда считается последней в программе. Признак "программно управляемое прерывание" задает генерацию прерывания при выборке каналом команды, содержащей этот признак, это дает возможность синхронизировать работу программы на центральном процессоре с выполнением канальной программы.
Взаимодействие между субъектами выполнения операции ввода-вывода происходит также через фиксированные адреса памяти, в которые записывается управляющая и диагностическая информация: Адресное слово канала, Слово состояния канала, Слово состояния программы.
Как и контроллер ПДП, канал не выполняет динамическую трансляцию адресов, кроме того, в системах, где процесс работает только в своей виртуальной памяти, не имея дела с реальным адресами, ОС транслирует программу канала, размещая результат трансляции в недоступной для процесса области. В этом случае процесс не может модифицировать программу канала в ходе ее выполнения.
Контроллер ПДП и канал ввода-вывода являются специализированными процессорами. Следующим шагом в интеллектуализации контроллеров ввода-вывода являются процессоры ввода-вывода - универсальные процессоры, выполняющие функции контроллера ввода-вывода. Взаимодействие ОС с процессором ввода-вывода происходит через механизм обмена сообщениями, поддерживаемый микроядром. Данные могут передаваться как в составе сообщения, так и выбираться процессором ввода-вывода непосредственно из оперативной памяти. Являясь универсальным процессором, процессор ввода-вывода работает под управлением своей собственной мини-ОС и программа управления устройством имеет статус приложения в этой ОС.
Внешние устройства ЭВМ отличаются большим разнообразием в форматах управляющей информации и в алгоритмах управления. Даже в канальной модели интерфейса разные устройства имеют разные модификации команд чтения/записи/управления, не говоря уже о том, что транзакция на устройстве обычно подразумевает выполнение нескольких команд, и последовательности их бывают совершенно различными для разных устройств.
Подсистема ввода-вывода обычно имеет ярко выраженную многослойную структуру, которая помогает объединить большое количество разнотипных драйверов в систему с общим интерфейсом (рис.5).
Два нижних уровня этой слоеной системы составляет hardware: сами устройства, непосредственно выполняющие операции, и их контроллеры, служащие для организации совместной работы устройств и остальной вычислительной системы. Следующий уровень составляют драйверы устройств ввода-вывода, скрывающие от разработчиков операционных систем особенности функционирования конкретных устройств, и обеспечивающие четко определенный интерфейс между hardware и вышележащим уровнем – уровнем базовой подсистемы ввода-вывода, которая, в свою очередь, предоставляет механизм взаимодействия между драйверами и программной частью вычислительной системы в целом.
Рис.5 Многослойная структура ввода-вывода
Модули ОС, которые осуществляют трансляцию однотипных для всех устройств обращений к ним из процессов и из других модулей ОС в специфические для устройства управляющие воздействия и управляют выполнением этих воздействий, называются драйверами. Каждому типу устройства соответствует свой драйвер. Драйвер устройства имеет два основных уровня, как показано на рис. 6. Первый (верхний) уровень принимает системные вызовы от процессов и формирует на основании каждого вызова запрос. Этот же уровень выстраивает запросы в очередь и поддерживает упорядоченность этой очереди в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания. Второй (нижний) уровень драйвера выбирает из очереди первый запрос и обслуживает его: формирует управляющие воздействия и передает их на устройство, обрабатывает прерывания от устройства и сообщает ядру ОС о наступлении событий, связанных с вводом-выводом.
Рис. 6. Структура драйвера
|
Верхний уровень драйвера определяет очередность, в которой обслуживаются запросы от разных процессов. Для реализации политики обслуживания драйвер должен учитывать как приоритеты процессов, так и доступность устройств.
Логически являясь частью ОС, драйверы, тем не менее, оформляются как отдельные модули. Поскольку каждый драйвер однозначно связан с устройством определенного типа (а возможно, и данной модификации), то и состав набора драйверов зависит от конфигурации аппаратных средств. Кроме того, обязательно должна быть обеспечена возможность подключения к системе новых внешних устройств без внесения изменений в ОС. При модульности драйверов это достигается простым добавлением нового драйвера к системному программному обеспечению. Драйверы загружаются в память либо при загрузке системы, либо (реже) - динамически, при возникновении потребности в них. Выбор драйверов для загрузки выполняется либо по явным указаниям в процедуре инициализации ОС, либо неявно - по имеющимся таблицам конфигурации системы, либо полностью автоматически - путем опроса при загрузке всех установленных устройств, опознания их и подключения соответствующих драйверов.
Приводимые ниже примеры показывают, что на драйверы некоторых устройств часто возлагаются дополнительные функции помимо непосредственного управления вводом-выводом.
Драйвер клавиатуры.
Этот драйвер предназначен для ввода символов с клавиатуры терминала. В большинстве аппаратных архитектур нажатие любой клавиши на клавиатуре вызывает прерывание. Обработчик этого прерывания в типовом случае выполняет:
чтение кода клавиши и перевод его в код символа;
запоминание кодов символов в своем буфере;
распознавание специальных клавиш или/и комбинаций клавиш (например, Ctrl+Break) и вызов специальных их обработчиков;
обработку специальных клавиш редактирования содержимого буфера (например, Backspace).
Драйверы дисковых запоминающих устройств.
Обычной функцией такого драйвера является перевод виртуального адреса на диске в реальный (физический). Физический адрес на диске состоит из трех компонент: головка, дорожка, сектор (в дисковых архитектурах без разбиения на сектора - смещение на дорожке). Драйвер же формирует для процессов виртуальный диск, представляемый как линейная последовательность секторов, виртуальным адресом является номер сектора.
В соответствии со структурой физического адреса доступ к данным на диске состоит из трех этапов - выборок составляющих этого адреса: выбора головки, выбора дорожки и выбора сектора. Выбор головки чтения/записи производится простым электрическом переключением практически мгновенно. Выбор дорожки - самый времяемкий этап: он требует механического перемещения головок к требуемой дорожке; время этого перемещения зависит от расстояния перемещения. Выбор сектора на дорожке требует ожидания момента, когда требуемый сектор окажется под головкой (за счет вращения диска), время выбора сектора много меньше времени выбора дорожки.
Драйвер упорядочивает очередь запросов таким образом, чтобы минимизировать среднее время поиска дорожки.
Другим примером функций, возлагаемых на драйвер дисков, может быть поддержка RAID-технологий - использование избыточных дисковых устройств для обеспечения возможности восстановления данных при сбоях. В настоящее время имеется широкий спектр реализаций RAID-технологий - от полного переноса их на аппаратуру ввода-вывода до полной реализации их в драйвере.
В целом ряде случаев данные, передаваемые из процесса на устройство или в обратном направлении, должны быть дополнительно преобразованы. Такими преобразованиями могут быть: кеширование данных, сжатие данных, криптографическое кодирование данных, согласование с форматами сетевых протоколов и т.д.
Контрольные вопросы
Назвать основные задачи системы ввода-вывода
На какие на три типа подразделяются каналы ввода/вывода?
От чего зависит разделение функций между контроллером и периферийным устройством?
В чем состоит основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода?
Охарактеризуйте известные вам интерфейсы устройств.
Как осуществляется управление устройствами.
Приведите примеры драйверов устройств.
|
