Режимы управления вводом/выводом.
Лекция 11
Процессор использует шины адреса и данных, но имеет дополнительный сигнал адресной шины, указывающей какое из адресных пространств используется в данном случае.
Используют 2 основных подхода к выделению адресов
- Фиксированная адресация, когда одно и тоже устройство всегда имеет один и тот же адрес реестра.
- Географическая, когда каждому разъёму периферической шины соответствует свой диапазон адресов.
При географической адресации перемещение платы устройства в другой разъём приводит к переконфигурации операционной системы. Однако, этот способ исключает возможность конфликта адресов между устройствами разных производителей или между двумя однотипными устройствами.
Большинство периферийных шин современных компьютеров (PSI) организуют географическую адресацию. Многие операционные системы требуют, чтобы устройства имели конфигурационные регистры через обращение к которым операционная система может выдать информацию об устройстве:
1. фирму изготовителя
2. модель
3. версию
4. количество регистров
Наличие регистров позволяет операционной системе автоматически определять установленное оборудование и подгружать соответствующие управляющие модули.
Управление вводом/выводом осуществляется операционной системой, точнее компонентом, который называют подсистема ввода/вывода - диспетчером или супервизором ввода/вывода. Этот компонент выполняет следующие задачи:
1. Получает запросы на ввод/вывод прикладных задач и программных модулей самой системы. Проверяет их корректность и выдает соответствующее диагностическое сообщение.
2. Определяет очередность предоставления устройств ввода/вывода задачам затребовавшим их.
3. Инициирует ввод/вывод (передает управление соответствующим драйверам) и в случае выполнения ввода/вывода с использованием прерывания передает управление диспетчеру задач. Чтобы он передал его первой задаче, стоящей в очереди на выполнение.
4. Идентифицирует сигналы прерывания от устройств ввода/вывода и передает управление соответствующей программе обработки прерывания.
5. Передает сообщения об ошибках, случившихся в процессе ввода/вывода.
6. Посылает сообщение о завершении операции ввода /вывода, запросившему эту операцию процессу и снимает его с состояния ожидания ввода/вывода, Если процесс ждал завершение операции.
Существует 2 основных режима ввода/вывода
1. режим обмена опросом готовности устройства ввода/вывода
2. режим обмена с прерыванием
Для организации ввода/вывода по 1 варианту процессор посылает устройству управления команду для устройства ввода/вывода выполнить некоторое действие. Устройство управления выполнит команду преобразования, её сигналы управления, которое оно передает устройству ввода/вывода. Поскольку быстродействие устройства ввода/вывода меньше на несколько порядков устройства быстродействия процессора, то драйвер управляющий обилием данных с внешних устройств вынужден в цикле опрашивать готовность устройств. При этом нерационально используется время процессора. Выгоднее после команды ввода/вывода перейти на выполнение другой команды, а появление сигнала готовности трактовать как запрос на прерывание. Драйверы работающие в режиме прерывания представляют собой сложный комплекс программных модулей и имеют несколько секций:
· секция запуска
· секция продолжения
· секция завершения
Секция запуска запускается для включения устройств ввода/вывода либо для инициализации очередной операции ввода/вывода .
Секция продолжения осуществляет основную работу по передаче данных
Секция завершения выключает устройства ввода/вывода либо просто завершает операцию.
Управление операциями ввода/вывода в режиме прерывания требует более сложных программ чем те, что работают в режиме опроса готовности.
Так, в операционных системах Windows 95,98 и Windows NT драйвер печати через параллельный код работает не в режиме прерывания, а в режиме опроса готовности, что приводит к 100% загрузке процессора на все время печати. Для организации и выполнения многие параллельно выполняющиеся задачи устройств ввода/вывода вводится понятие виртуального устройства, повышающего эффективность вычислительных систем. Примером служит spooling, то есть имитация работы с устройством в режиме on-line.Главная задача spoolingа – создать единицу параллельно выполняемого устройства ввода/вывода с последовательным доступом.
Например, каждому вычислительному процессу предоставляется не реальный , а виртуальный прибор и поток выводимых символов, сначала направляемых в специальный файл на магнитном диске. Он называется spool- файл, затем по окончании виртуальной печати содержимое spool – файла выводится на принтер. Системный процесс который управляет spool – файлом называется spooler, spool-reader, spool-writer.
Основные системные таблицы ввода/вывода
Каждая операционная система имеет свои таблицы ввода/вывода для того чтобы управлять вводом/выводом через операционную систему (ядро) и выполнять при этом механизм прерывания операционной системы должна иметь по крайней мере 3 системные таблицы.
Первая таблица оборудования содержит информацию обо всех устройствах ввода/вывода подключенных к системе.(Unit Control Block). UCB cодержит следующую информацию об устройстве:
1. тип устройства, его модель
2. подключение устройства ( через какой интерфейс, к какому разъёму, какие порты и линии прерывания используются)
3. указание на драйвер (адрес секции запуска)
4. информацию о буфере памяти
5. состояние устройств
6. указатель на дескриптор задачи использующий устройство в данный момент
2 таблица описания виртуальных (логических ) устройств.
Её назначение – устранение связи между виртуальными устройствами, описанными в таблице 1. 2 таблица позволяет ядру операционной системы перенаправлять запрос на ввод/вывод из приложения на те программные модули и страницы данных, которые (или адреса которых) хранятся в соответствующем элементе 1 таблицы.
В многопользовательских системах таких таблиц нет : одна общая и по одной на каждого пользователя.
3 таблица прерывания, которая для всех сигналов прерывания указывает тот или иной элемент 1 таблицы, который описывает устройство выполняющее эту линию прерывания. Эта таблица может в явном виде не присутствовать поскольку может из основной таблицы прерываний попасть на драйвер, именующий связи с элементом UCB.
Наличие связи между таблицами 1 и 3 .
Взаимосвязь изображают так:
| ||||||
|
| |||||
 |
Управление вводом/выводом состоит в выполнении следующих действий :
Запрос на операции ввода/вывода от выполняющейся программы поступает в ядро операционной системы . Оно проверяет вызов на правильность и при отсутствии ошибок пересылает его в подсистему ввода/вывода.
Процесс ввода/вывода по логическому имени с помощью таблицы логических имен находит соответствующий элемент UCBтаблицы оборудования. Если устройство занято ,то дескриптор задачи от которой поступил запрос на ввод/вывод помещается в очередь ожидающих устройств. Если устройство свободно, то подсистема определяет по UCB тип устройства и передает управление соответствующему драйверу на секцию запуска. Драйвер инициализирует оптимизацию управления и возвращает управление диспетчеру задач , чтобы он поставил на процессор готовую к исполнению задачу , Когда устройство ввода/вывода обрабатывает команду оно поставляет запрос на прерывание , по которому через таблицу прерывания управление передается на секцию продолжения , получив новую команду устройство начинает её обрабатывать, а управление процессом передается диспетчеру задач и процессор продолжает полезную работу.
Таким образом осуществляется параллельное выполнение задач на фоне которого происходит управление операциями ввода/вывода.