Управление вводом-выводом в операционных системах. Структура функций ввода-вывода. Буферизация

 Рис.6.3. 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 Рисунке 6.4.

    Рис.6.4. Подключение через канал ввода-вывода

 

Идея канала ввода-вывода, впервые реализованная в System/360 фирмы IBM, была впоследствии воплощена в  ряде других архитектур. Ввиду своей  продуктивности эта идея без концептуальных изменений была перенесена и в System/370, и в System/390, и отказа от нее в перспективе также не предвидится. В последующем изложении мы опираемся именно на эти реализации каналов 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.

 

Деление программного обеспечение ввода-вывода на четыре слоя

 

 

Обработка прерываний,

Драйверы устройств,

Независимый от устройств  слой операционной системы,

Пользовательский слой программного обеспечения.

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.

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.

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.

Другой категорией программного обеспечения ввода-вывода является подсистема спулинга (spooling). Спулинг — это способ работы с выделенными устройствами в мультипрограммной системе.

Функции независимого от устройств слоя:

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.

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.

 

Буферизация и кэширование

Хотя блокировки и  не влияют на результат выполнения процесса и не отражаются на его  виртуальном времени, они сказываются  на реальном времени его выполнения. Для интерактивных процессов они могут стать основным фактором, определяющим время реакции процесса. Невыгодны блокировки и для ОС, так как каждая блокировка - это переключение процессов, а следовательно, накладные расходы. Одним из способов, позволяющим избежать блокировок (или, по крайней мере, уменьшить их количество), является буферизация данных.

Под буфером обычно понимается некоторая область памяти для запоминания информации при обмене данных между двумя устройствами, двумя процессами или процессом и устройством. Для устройства ввода-вывода назначается буферная область в оперативной памяти. Обмен данными происходит между процессом и буферной областью, а обмен между буферной областью и устройством выполняет ОС независимо от выполнения процесса. Если, например, выполнение системного вызова write будет включать в себя только пересылку данных в оперативной памяти, то блокировка процесса на время выполнения этого вызова не нужна. Буферизация, таким образом, сглаживает различия в скоростях работы производителя и потребителя информации и позволяет избежать излишних блокировок.

Особенно существенный эффект буферизация может дать при  последовательном вводе-выводе, так  как при вводе ОС может предсказать, какой блок информации понадобится  следующим и произвести его упреждающее чтение в буфер. Еще один полезный эффект буферизации - ОС имеет возможность сгруппировать данные в буфере и производить обмен с внешним устройством большими блоками.

Существуют три причины, приводящие к использованию буферов  в базовой подсистеме ввода-вывода:

- Первая причина буферизации – это разные скорости приема и передачи информации, которыми обладают участники обмена. Рассмотрим, например, случай передачи потока данных от клавиатуры на модем. Скорость, с которой поставляет информацию клавиатура, определяется скоростью набора текста человеком и обычно существенно меньше скорости передачи данных модемом. Для того чтобы не занимать модем на все время набора текста, делая его недоступным для других процессов и устройств, разумно накапливать введенную информацию в буфере или нескольких буферах достаточного размера и отсылать ее через модем после заполнения буферов.

- Вторая причина буферизации – это разные объемы данных, которые могут быть приняты или получены участниками обмена единовременно. Возьмем другой пример. Пусть информация поставляется модемом и записывается на жесткий диск. Помимо обладания разными скоростями совершения операций модем и жесткий диск относятся к разным типам устройств. Модем является символьным устройством и выдает данные байт за байтом, в то время как диск является блочным устройством и для проведения операции записи для него требуется накопить необходимый блок данных в буфере. Здесь также можно применять более одного буфера. После заполнения первого буфера модем начинает заполнять второй одновременно с записью первого на жесткий диск. Поскольку скорость работы жесткого диска в тысячи раз больше, чем скорость работы модема, то к моменту заполнения второго буфера операция записи первого будет завершена, и модем снова может заполнять первый буфер одновременно с записью второго на диск.

- Третья причина буферизации связана с необходимостью копирования информации из приложений, осуществляющих ввод-вывод, в буфера ядра операционной системы и обратно. Допустим, что некоторый пользовательский процесс пожелал вывести информацию из своего адресного пространства на внешнее устройство. Для этого он должен выполнить системный вызов с обобщенным названием write, передав в качестве параметров адрес области памяти, где расположены данные, и их объем. Если внешнее устройство временно занято, то возможна ситуация, когда к моменту его освобождения содержимое требуемой области окажется испорченным (например, при использовании асинхронной формы системного вызова). Чтобы избежать возникновения подобных ситуаций, проще всего в начале работы системного вызова откопировать необходимые данные в буфер ядра операционной системы, постоянно находящийся в оперативной памяти, и выводить их на устройство из этого буфера.

Буферизация не обязательно  означает дополнительную пересылку данных в оперативной памяти. Методы с очередями предоставляют три альтернативных режима управления буферизацией:

- режим пересылки - данные пересылаются в оперативной памяти между рабочей областью процесса и буфером;

- режим указания - данные не пересылаются; при вводе процесс получает от ОС адрес буфера, содержащего введенные данные, и может использовать его как рабочую область, при выводе процесс получает от ОС адрес свободного выводного буфера и использует его как свою рабочую область, формируя в ней данные для вывода;

- режим подстановки - данные не пересылаются; при вводе процесс получает от ОС адрес заполненного вводного буфера, а свою рабочую область передает во вводной буферный пул; при выводе процесс передает в выводной пул свою рабочую область, заполненную выводными данными, а взамен получает свободный буфер из пула.

Под словом кэш (cache – “наличные”), обычно понимают область быстрой памяти, содержащую копию данных, расположенных где-либо в более медленной памяти, предназначенную для ускорения работы вычислительной системы.

В базовой подсистеме ввода-вывода не следует смешивать  два понятия: буферизация и кэширование, хотя зачастую для выполнения этих функций отводится одна и та же область памяти. Буфер часто содержит единственный набор данных, существующий в системе, в то время как кэш, по своему определению, содержит копию данных, существующих где-нибудь еще. Например, буфер, используемый базовой подсистемой для копирования данных из пользовательского пространства процесса при выводе на диск, может в свою очередь использоваться как кэш для этих данных, если операции модификации и повторного чтения этого блока выполняются достаточно часто.

В Unix буферизация обмена с дисковыми накопителями (кэширование) является тотальной, через кэш проходят все данные, которыми ОС и процессы обмениваются с дисками, и под кэш отводится значительная часть оперативной памяти. Кэширование дает значительный эффект и при случайном (непоследовательном) обмене, характерном для многозадачной многопользовательской ОС. В дескрипторе каждого буфера в кеше имеются поля:

- состояние буфера (свободен / содержит правильную информацию / грязный  / заблокирован / занят в операции ввода-вывода / ожидается каким-либо процессом);

- адрес на внешней памяти блока информации, содержащегося в буфере;

- указатели, связывающие буфера в хеш-очереди и в список свободных.

 

Spooling и захват устройств.

Под словом spool мы будем понимать буфер, который содержит входные или выходные данные для устройства, на котором следует избегать чередования его использования (возникновения interleaving) различными процессами. Правда, в современных вычислительных системах spool практически не используется для ввода данных, а в основном предназначен для накопления выходной информации.

Рассмотрим в качестве внешнего устройства принтер. Хотя принтер не может печатать информацию, поступающую одновременно от нескольких процессов, может оказаться желательным разрешить процессам совершать вывод на принтер параллельно. Для этого операционная система вместо передачи информации напрямую на принтер накапливает выводимые данные в буферах на диске, организованных в виде отдельного spool файла для каждого процесса. После завершения некоторого процесса, соответствующий ему spool файл ставится в очередь для реальной печати. Механизм, обеспечивающий подобные действия, и получил название spooling.

В некоторых операционных системах вместо использования spooling’а для устранения race condition применяется  механизм монопольного захвата устройств  процессами. Если устройство свободно, то один из процессов может получить его в монопольное распоряжение. При этом все другие процессы при попытке осуществления операций над этим устройством будут либо блокированы (переведены в состояние ожидание), либо получат информацию о невозможности выполнения операции до тех пор, пока процесс, захвативший устройство, не завершится или явно не сообщит операционной системе о своем отказе от его использования. Обеспечение spooling’а и механизма захвата устройств является прерогативой базовой подсистемы ввода-вывода.

 

 

Список используемой литературы

 

1. Угринович Н.Д.: Информатика и информационные технологии, М.:БИНОМ, 2003.2
2. Иртегов Д.В., Введение в операционные системы, БХВ-Петербург, 2002, 613 стр.
3. Леонтьев В.П. «Новейшая энциклопедия ПК 2003» - 5-е изд., перераб. и доп. – Москва: ОЛМА-ПРЕСС, 2003.
4. http://asmo.0fees.net. Лекция 15. Система управления вводом-выводом. Физические принципы организации ввода-вывода. Общие сведения об архитектуре компьютера. Структура контроллера устройства. Опрос устройств и прерывания.
5. http://asmo.0fees.net. Лекция 16. Структура системы ввода-вывода. Функции базовой подсистемы ввода-вывода. Блокирующиеся, не блокирующиеся и асинхронные системные вызовы.
6. http://www.ibm.com/developerworks/ru. Управление вводом-выводом