Режимы управления вводом/выводом. Основные системные таблицы ввода/вывода.

1. Управление вводом/выводом осуществляет центральный процессор. В этом случае имеет место программный канал обмена данными между внешними устройствами и оперативной памятью). ЦП посылает устройству управления команду выполнить некоторое действие устройству ввода/вывода. Последнее исполняет команду, транслируя сигналы, понятные центральному процессору и устройству управления в сигналы, в сигналы понятные УВВ. Однако, быстродействие УВВ намного меньше быстродействия центрального процессора (рис. 2).

Рис. 2.

Поэтому сигнал готовности (транслируемый или генерируемый устройством управления и сигнализирующий процессору о том, что команда ввода/вывода выполнена и можно выдать новую команду для продолжения обмена данными) приходится очень долго ожидать, постоянно опрашивая существующую линию интерфейса на наличие или отсутствие нужного сигнала. Посылать новую команду, не дождавшись сигнала готовности, сообщающего об исполнении предыдущей команды, бессмысленно. До тех пор, пока не появится сигнал готовности, драйвер в цикле опрашивает УВВ, расходуя при этом ресурс процессора.

2. Гораздо выгоднее выдав команду ввода/вывода на время «забыть» об УВВ и перейти на выполнение другой программы. А появление сигнала готовности трактовать как запрос на прерывание от УВВ.

Режим обмена с прерываниями по своей сути является режимом асинхронного управления. Для того чтобы не потерять связь с устройством (после того как процессор выдал очередную команду по управлению обменом данными и переключился на выполнение других программ), может быть запущен отсчет времени, в течение которого устройство должно обязательно выполнить команду и выдать сигнал запроса на прерывание. Максимальный интервал времени, в течение УВВ или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерывание, 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 задача получают соответствующее диагностическое сообщение.

Многие устройства не допускают совместного использования. Такие устройства могут быть закрепленными, т.е. предоставленными некоторому вычислительному процессу. При этом вычислительные процессы не могут выполняться параллельно, т.к. они ожидают освобождения устройств ввода/вывода. Для организации использования многим параллельно выполняющимися задачами устройств ввода/вывода, которые не могут быть разделяемыми, вводится понятие виртуальных устройств, позволяющие повысить эффективность вычислительной системы.

Понятие виртуального устройства основывается на понятии SPOOLing (simultaneous peripheral operation on-line – имитация работы с устройством в режиме «он-лайн»). Главная задача спулинга создать видимость параллельного разделение УВВ с последовательным доступом, которое фактически должно использоваться только монопольно. Например, каждому вычислительному процессу можно предоставить не реальный, а виртуальный принтер и поток выводимых символов сначала направлять в специальный файл. Затем, по окончании виртуальной печати, в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания и приоритетами приложений выводить содержимое спул-файла на принтер. Системный процесс, который управляет спул-файлом, называется спулером.

Основные системные таблицы ввода-вывода

Для управления всеми операциями ввода-вывода и отслеживания состояния всех ресурсов, занятых в обмене данными, операционная система должна иметь соответствующие информационные структуры. Эти информационные структуры, прежде всего, призваны отображать следующую информацию:

состав устройств ввода-вывода и способы их подключения;

аппаратные ресурсы, закрепленные за имеющимися в системе устройствами ввода-вывода;

логические (символьные) имена устройств ввода-вывода, используя которые вычислительные процессы могут запрашивать те или иные операции ввода-вывода;

адреса размещения драйверов устройств ввода-вывода и области памяти для хранения текущих значений переменных, определяющих работу с этими устройствами;

области памяти для хранения информации о текущем состоянии устройства ввода-вывода и параметрах, определяющих режимы работы устройства;

данные о текущем процессе, который работает с данным устройством;

адреса тех областей памяти, которые содержат данные, собственно и участвующие в операциях ввода-вывода (получаемые при операциях ввода данных и выводимые на устройство при операциях вывода данных).

Эти информационные структуры называют таблицами ввода-вывода, хотя они, в принципе, могут быть организованы и в виде списков. Каждая операционная система ведет свои таблицы ввода-вывода, их состав (и количество, и назначение каждой таблицы) может сильно отличаться.

Исходя из принципа управления вводом-выводом исключительно через супервизор операционной системы и учитывая, что драйверы устройств ввода-вывода используют механизм прерываний для установления обратной связи центральной части с внешними устройствами, можно сделать вывод о необходимости создания по крайней мере трех системных таблиц.

Первая таблица (или список) содержит информацию обо всех устройствах ввода-вывода, подключенных к вычислительной системе – таблица оборудования (equipment table), а каждый элемент этой таблицы называется UCB (Unit Control Block — блок управления устройством ввода-вывода). Каждый элемент UCB таблицы оборудования, как правило, содержит следующую информацию об устройстве:

тип устройства, его конкретная модель, символическое имя и характеристики устройства;

способ подключения устройства (через какой интерфейс, к какому разъему, какие порты и линия запроса прерывания используются и т. д.);

номер и адрес канала (и подканала), если такие используются для управления устройством;

информация о драйвере, который должен управлять этим устройством, адреса секции запуска и секции продолжения драйвера;

информация о том, используется или нет буферизация при обмене данными с устройством, «имя» (или просто адрес) буфера, если такой выделяется из системной области памяти;

установка тайм-аута и ячейки для счетчика тайм-аута;

состояние устройства;

поле указателя для связи задач, ожидающих устройство;

возможно, множество других сведений.

Во многих операционных системах драйверы могут обладать свойством реентерабельности поэтому в элементе UCB должна храниться либо непосредственно сама информация о текущем состоянии устройства и сами переменные для реентерабельной обработки, либо указание на место, где такая информация может быть найдена. Важнейшим компонентом элемента таблицы оборудования является указатель на дескриптор той задачи, которая в настоящий момент использует данное устройство. Если устройство свободно, то поле указателя будет иметь нулевое значение. Если же устройство уже занято и рассматриваемый указатель не нулевой, то новые запросы к устройству фиксируются посредством образования списка из дескрипторов задач, ожидающих данное устройство. Вторая таблица предназначена для реализации еще одного принципа виртуализации устройств ввода-вывода — принципа независимости от устройства. Желательно, чтобы программисту не приходилось учитывать конкретные параметры (и/или возможности) того или иного устройства ввода-вывода, которое установлено (или не установлено) в компьютер. Для него должны быть важными только самые общие возможности, характерные для данного класса устройств ввода-вывода. Например, принтер должен уметь выводить (печатать) символы или графические изображения. А накопитель на магнитных дисках — считывать или записывать порцию данных по указанному адресу, то есть в координатах C-H-S (Cylinder-Head-Sector — номера цилиндра, головки и сектора) или по порядковому номеру блока данных. Хотя чаще всего программист и не использует прямую адресацию при работе с магнитными дисками, а работает на уровне файловой системы. Однако в таком случае уже разработчики системы управления файлами не должны зависеть от того, каких типа и модели накопитель используется в данном компьютере и кто является его производителем. Важным должен быть только сам факт существования накопителя, имеющего некоторое количество цилиндров, головок чтения-записи и секторов на дорожке магнитного диска. Упомянутые значения количества цилиндров, головок и секторов должны быть взяты из элемента таблицы оборудования. При этом для программиста также не должно иметь значения, каким образом то или иное устройство подключено к вычислительной системе. Поэтому в запросе на ввод-вывод программист указывает именно логическое имя устройства. Действительное устройство, которое сопоставляется виртуальному (логическому), выбирается супервизором с помощью описываемой таблицы.

Итак, способ подключения устройства, его конкретная модель и соответствующий ей драйвер содержатся в уже рассмотренной таблице оборудования. Но для того чтобы связать некоторое виртуальное устройство, использованное программистом, с системной таблицей, отображающей информацию о том, какое конкретно устройство и каким образом подключено к компьютеру, требуется вторая системная таблица – таблиц виртуальных логических устройств (Device Reference Table, DRT). Назначение этой второй таблицы — установление связи между виртуальными (логическими) устройствами и реальными устройствами, описанными посредством первой таблицы (таблицы оборудования). Другими словами, вторая таблица позволяет супервизору перенаправить запрос на ввод-вывод из приложения в те программные модули и структуры данных, которые (или адреса которых) хранятся в соответствующем элементе первой таблицы. Во многих многопользовательских системах таких таблиц несколько: одна общая и по одной на каждого пользователя, что позволяет строить необходимые связи между логическими устройствами (символьными именами устройств) и реальными физическими устройствами, которые имеются в системе.

Наконец, третья таблица — таблица прерываний — необходима для организации обратной связи между центральной частью и устройствами ввода-вывода. Эта таблица указывает для каждого сигнала запроса на прерывание тот элемент UCB, ко­торый сопоставлен данному устройству. Каждое устройство либо имеет свою линию запроса на прерывание, либо разделяет линию запроса на прерывание с другими устройствами, но при этом имеется механизм второго уровня адресации устройств ввода-вывода. Таким образом, таблица прерываний отображает связи между сигналами запроса на прерывания и самими устройствами ввода-вывода. Как и системная таблица ввода-вывода, таблица прерываний в явном виде может и не присутствовать. Другими словами, можно сразу из основной таблицы прерываний компьютера передать управление на программу обработки (драйвер), связанную с элементом UCB. Важно наличие связи между сигналами прерываний и таблицей оборудования.

В ряде современные 32-разрядных систем для персональных компьютеров, имеется гораздо больше системных таблиц или списков, используемых для организации управления операциями ввода-вывода. Например, одной из возможных и часто реализуемых информационных структур, сопровождающих практически каждый запрос на ввод-вывод, является блок управления данными (Data Control Block, DCB). Назначение DCB — подключение препроцессоров к процессу подготовки данных на ввод-вывод, то есть учет конкретных технических характеристик и используемых преобразований. Это необходимо для того, чтобы имеющееся устройство получало не какие-то непонятные ему коды или форматы данных, не соответствующие режиму его работы, а коды и форматы, созданные специально под данное устройство. Теперь такие препроцессоры часто называют высокоуровневыми драйверами, или просто драйверами, хотя изначально под термином «драйвер» подразумевалась программа управления операциями ввода-вывода.

Взаимосвязи между описанными таблицами изображены на рис. 3.

Рис. 3.

Запрос на операцию ввода-вывода от выполняющейся программы поступает на супервизор задач (шаг 1) (рис. 4).

Рис. 4

Этот запрос представляет собой обращение к операционной системе и указывает на конкретную функцию API. Вызов сопровождается некоторыми параметрами, уточняющими требуемую операцию. Модуль операционной системы, принимающий от задач запросы на те или иные действия, часто называют супервизором задач. Супервизор задач проверяет системный вызов на соответствие принятым спецификациям и в случае ошибки возвращает задаче соответствующее сообщение (шаг 1-1). Если же запрос корректен, то он перенаправляется в супервизор ввода-вывода (шаг 2). Последний по логическому (виртуальному) имени с помощью таблицы DRT находит соответствующий элемент UCB в таблице оборудования. Если устройство уже занято, то описатель задачи, запрос которой обрабатывается супервизором ввода-вывода, помещается в список задач, ожидающих это устройство. Если же устройство свободно, то супервизор ввода-вывода определяет из UCB тип устройства и при необходимости запускает препроцессор, позволяющий получить последовательность управляющих кодов и данных, которую сможет правильно понять и отработать устройство (шаг 3). Когда «программа» управления операцией ввода-вывода будет готова, супервизор ввода-вывода передает управление соответствующему драйверу на секцию запуска (шаг 4), Драйвер инициализирует операцию управления, обнуляет счетчик тайм-аута и возвращает управление супервизору (диспетчеру задач) с тем, чтобы он поставил на процессор готовую к исполнению задачу (шаг 5). Система работает своим чередом, но когда устройство ввода-вывода отработает посланную ему команду, оно выставляет сигнал запроса на прерывание, по которому через таблицу прерываний управление передается на секцию продолжения (шаг 6). Получив новую команду, устройство вновь начинает ее обрабатывать, а управление процессором опять передается диспетчеру задач, и процессор продолжает выполнять полезную работу. Таким образом, получается параллельная обработка задач, на фоне которой процессор осуществляет управление операциями ввода-вывода.

Очевидно, что если имеются специальные аппаратные средства для управления вводом-выводом (речь идет о каналах прямого доступа к памяти), которые позволяют освободить центральный процессор от этой работы, то в функции центрального процессора будут по-прежнему входить все только что рассмотренные шаги, за исключением последнего — непосредственного управления операциями ввода-вывода. В случае использования каналов прямого доступа в память последние исполняют соответствующие канальные программы и освобождают центральный процессор от непосредственного управления обменом данными между памятью и внешними устройствами.