Система ввода-вывода. Подсистема буферизации. Драйверы

Основу системы ввода-вывода ОС UNIX составляют драйверы внешних устройств и средства буферизации данных. ОС UNIX использует два различных интерфейса с внешними устройствами: байт-ориентированный и блок-ориентированный.

Любой запрос на ввод-вывод к блок-ориентированному устройству преобразуется в запрос к подсистеме буферизации, которая представляет собой буферный пул и комплекс программ управления этим пулом.

Буферный пул состоит из буферов, находящихся в области ядра. Размер отдельного буфера равен размеру блока данных на диске.

С каждым буфером связана специальная структура - заголовок буфера, в котором содержится следующая информация:

· Данные о состоянии буфера:

· занят/свободен,

· чтение/запись,

· признак отложенной записи,

· ошибка ввода-вывода.

· Данные об устройстве - источнике информации, находящейся в этом буфере:

· тип устройства,

· номер устройства,

· номер блока на устройстве.

· Адрес буфера.

· Ссылка на следующий буфер в очереди свободных буферов, назначенных для ввода-вывода какому-либо устройству.

Упрощенный алгоритм выполнения запроса к подсистеме буферизации приведен на рисунке 8.3. Данный алгоритм реализуется набором функций, наиболее важные из которых рассматриваются ниже.

Функция bwrite - синхронная запись. В результате выполнения данной функции немедленно инициируется физический обмен с внешним устройством. Процесс, выдавший запрос, ожидает результат выполнения операции ввода-вывода. В данном случае в процессе может быть предусмотрена собственная реакция на ошибочную ситуацию. Такой тип записи используется тогда, когда необходима гарантия правильного завершения операции ввода-вывода.

Функция bawrite - асинхронная запись. При таком типе записи также немедленно инициируется физический обмен с устройством, однако завершения операции ввода-вывода процесс не дожидается. В этом случае возможные ошибки ввода-вывода не могут быть переданы в процесс, выдавший запрос. Такая операция записи целесообразна при поточной обработке файлов, когда ожидание завершения операции ввода-вывода не обязательно, но есть уверенность в повторении этой операции.

Функция bdwrite - отложенная запись. При этом передача данных из системного буфера не производится, а в заголовке буфера делается отметка о том, что буфер заполнен и может быть выгружен, если потребуется освободить буфер.

Функции bread и getblk - получить блок. Каждая из этих функций ищет в буферном пуле буфер, содержащий указанный блок данных. Если такого блока в буферном пуле нет, то в случае использования функции getblk осуществляется поиск любого свободного буфера, при этом возможна выгрузка на диск буфера, содержащего в заголовке признак отложенной записи. В случае использования функции bread при отсутствии заданного блока в буферном пуле организуется его загрузка в какой-нибудь свободный буфер. Если свободных буферов нет, то также производится выгрузка буфера с отложенной записью. Функция getblk используется тогда, когда содержимое зарезервированного блока не существенно, например, при записи на устройство данных, объем которых равен одному блоку.

Рис. 8.3. Упрощенная схема выполнения запросов подсистемой буферизации

Таким образом, за счет отложенной записи в системном буферном пуле задерживается некоторое число блоков данных. При возникновении запроса к внешней памяти просматривается содержимое буферного пула. При этом вероятность обнаружения данных в системном пуле достаточно велика. Это обусловлено объективными свойствами пространственной и временной локальности данных. В соответствии с описанным алгоритмом буферизации, в системном буферном пуле оседает наиболее часто используемая информация. Таким образом, система буферизации выполняет роль кэш-памяти по отношению к диску. Кэширование диска уменьшает среднее время доступа к данным на диске, однако при этом снижается надежность файловой системы, так как в случае внезапной потери питания или отказа диска может произойти потеря блоков, содержащихся в системном буфере. Этот недостаток частично компенсируется регулярной (каждую секунду) принудительной записью всех блоков из системной области на диск.

Выше был описан механизм старого буферного кэша, использовавшегося в предыдущих версиях UNIX System V в качестве основного дискового кэша. В UNIX System V Release 4 используется новый механизм, основанный на отображении файлов в физическую память. Однако старый механизм кэширования также сохранен, так как новый кэш используется только для блоков данных файлов, но непригоден для кэширования административной информации диска, такой как inode, каталог и т.д.

Расположение данных в файле характеризуется их смещением от начала файла. Так как ядро ссылается на любой файл с помощью структуры vnode, то расположение данных в файле определяется парой vnode/offset. Доступ к файлу по адресу vnode/offset достигается с помощью сегмента виртуальной памяти типа segmap, который подобен сегменту segvn, используемому системой виртуальной памяти. Метод доступа к файлам, основанный на сегментах segmap, называется новым буферным кэшем. Этот способ кэширования использует модель страничного доступа к памяти для ссылок на блоки файлов. Размер страницы, используемой новым буферным кэшем, машиннозависим. Для отображения блоков файлов используется адресное пространство ядра, которое также как и пользовательское виртуальное пространство описывается структурой as. Одним из сегментов в адресном пространстве ядра является сегмент segkmap, который используется для страничного доступа к области файлов.

Рис. 8.4 Организация связи ядра с драйверами

Драйверы

Драйвер - это совокупность программ (секций), предназначенная для управления передачей данных между внешним устройством и оперативной памятью.

Связь ядра системы с драйверами (рисунок 8.4) обеспечивается с помощью двух системных таблиц:

· bdevsw - таблица блок-ориентированных устройств и

· cdevsw - таблица байт-ориентированных устройств.

Для связи используется следующая информация из индексных дескрипторов специальных файлов:

· класс устройства (байт-ориентированное или блок-ориентированное),

· тип устройства (лента, гибкий диск, жесткий диск, устройство печати, дисплей, канал связи и т.д.)

· номер устройства.

Класс устройства определяет выбор таблицы bdevsw или cdevsw. Эти таблицы содержат адреса программных секций драйверов, причем одна строка таблицы соответствует одному драйверу. Тип устройства определяет выбор драйвера. Типы устройств пронумерованы, т.е. тип определяет номер строки выбранной таблицы. Номер устройства передается драйверу в качестве параметра, так как в ОС UNIX драйверы спроектированы в расчете на обслуживание нескольких устройств одного типа.

Такая организация логической связи между ядром и драйверами позволяет легко настраивать систему на новую конфигурацию внешних устройств путем модификации таблиц bdevsw и cdevsw.

Драйвер байт-ориентированного устройства в общем случае состоит из секции открытия, чтения и записи файлов, а также секции управления режимом работы устройства. В зависимости от типа устройства некоторые секции могут отсутствовать. Это определенным образом отражено в таблице cdevsw. Секции записи и чтения обычно используются совместно с модулями обработки прерываний ввода-вывода от соответствующих устройств.

Взаимодействие секции записи драйвера байт-ориентированного устройства с модулем обработки прерываний. Секция записи осуществляет передачу байтов из рабочей области программы, выдавшей запрос на обмен, в системный буфер, организованный в виде очереди байтов. Передача байтов идет до тех пор, пока системный буфер не заполнится до некоторого, заранее определенного в драйвере, уровня. В результате секция записи драйвера приостанавливается, выполнив системную функцию sleep (аналог функций типа wait). Модуль обработки прерываний работает асинхронно секции записи. Он вызывается в моменты времени, определяемые готовностью устройства принять следующий байт. Если при очередном прерывании оказывается, что очередь байтов уменьшилась до определенной нижней границы, то модуль обработки прерываний активизирует секцию записи драйвера путем обращения к системной функции wakeup.

Аналогично организована работа при чтении данных с устройства.

Драйвер блок-ориентированного устройства состоит в общем случае из секций открытия и закрытия файлов, а также секции стратегии. Кроме адресов этих секций, в таблице bdevsw указаны адреса так называемых таблиц устройств (rktab). Эти таблицы содержат информацию о состоянии устройства - занято или свободно, указатели на буфера, для которых активизированы операции обмена с данным устройством, а также указатели на цепочку буферов, в которых находятся блоки данных, предназначенные для обмена с данным устройством.