Функціонування комп'ютерної системи

Перевага описаного модульного підходу до апаратур у тім, що центральний процесор, пам'ять і зовнішні пристрої можуть функціонувати паралельно. Роботою кожного пристрою управляє спеціальний контролер. При необхідності виконання вводу-виводу центральний процесор генерує переривання, у результаті якого викликається операційна система, у свою чергу, як реакція на переривання запускає драйвер пристрою, який відповідно активізує його контролер. Кожен контролер пристрою має локальний буфер – спеціалізовану пам'ять для обміну інформацією між комп'ютером і пристроєм. Для того, щоб контролер міг почати вивід на пристрій, попередньо центральний процесор (точніше, драйвер пристрою, запущений на ньому) повинен переслати інформацію із заданої області оперативної пам'яті в буфер пристрою. Далі контролер пристрою вже виконує вивід інформації з буфера на сам пристрій (наприклад, записує її в задану область жорсткого диска). По закінченні обміну інформацією, контролер генерує сигнал про переривання ( interrupt ) по системній шині, цим інформуючи процесор про закінчення операції. Для того, щоб уникнути повторних пересилань більших обсягів інформації, у сучасних комп'ютерах застосовують DMA ( Direct Memory Access ) – контролери – контролери із прямим доступом до оперативної пам'яті. Такі контролери використають при обміні із пристроєм не свою спеціалізовану пам'ять, а прямо область оперативної пам'яті, у якій і розміщається буфер обміну.

Обработка переривань

Операційну систему можна розглядати як програму, керовану перериваннями ( interrupt - driven program ). Переривання центрального процесора передає керування підпрограмі обробки даного виду переривань, що є частиною ОС. У більшості комп'ютерів цей механізм реалізований через вектор переривань ( interrupt vector ) – резидентний масив в оперативній пам'яті, у якому зберігаються доступні по номерах переривань адреси підпрограм-оброблювачів переривань (модулів ОС). При обробці переривання апаратури й ОС зберігають адресу перерваної команди При поновленні обчислень буде знову повторене виконання перерваної команди.

Є два різновиди режиму вводу-виводу – синхронний й асинхронний.

Синхронний – це ввід-вивід, виконання якого приводить до переходу програми в стан очікування, доти, поки операція вводу-виводу не буде повністю завершена. На апаратному рівні – команда вводу-виводу переводить процесор у стан очікування (idle) до наступного переривання. При даному режимі в кожен момент виконується не більше одного запиту на ввід-вивід.

Асинхронний – ввід-вивід, виконуваний паралельно з виконанням основної програми. Після того, як починається асинхронний ввід-вивід, керування повертається користувальницькій програмі, без очікування завершення вводу-виводу (останнє може бути виконано спеціальною явною операцією). Таким чином, операція асинхронного обміну як би розбивається на дві: почати ввід-вивід і закінчити ввід-вивід. Остання виконується для того, щоб у цьому місці програма все-таки очікувала завершення обміну, коли його результат необхідний для подальших обчислень.

Таблиця стану пристроїв

На системному рівні, при обміні відбувається наступне. Виконується системний виклик ( system call ) – запит до ОС шляхом виклику системної підпрограми, у цьому випадку – щоб дозволити користувачеві очікувати завершення вводу-виводу. Операційна система зберігає таблицю стану пристроїв, у якій кожному пристрою відповідає елемент, що містить тип пристрою, його адреса й стан. ОС індексує таблицю пристроїв, з метою визначення стану пристрою й модифікації елемента таблиці для включення в неї інформацію про переривання.

Архітектура синхронного (a) і асинхронного (b) вводу-виводу ілюструється на рис. 4.3.

Рис. 4.3.  Архітектура синхронного й асинхронного вводу-виводу

На схемі видно, що відмітною рисою синхронного обміну є перехід процесора в стан очікування до закінчення операції вводу-виводу.

На рис. 4.4 показано приклад стану таблиці пристроїв вводу-виводу, збереженою операційною системою. Для кожного пристрою зберігається інформація про його ім'я, стан, а для зайнятих пристроїв – адреса початку й довжина порції інформації, що підлягає обміну. Якщо для деякого пристрою (у прикладі – диск3 ) є кілька запитів на ввод-вивід, всі вони організуються в чергу й обслуговуються по черзі, у міру звільнення пристрою.

Рис. 4.4.  Приклад стану таблиці зовнішніх пристроїв ОС

Прямий доступ до пам'яті (Direct Memory Access - DMA) - більше ефективний метод роботи контролерів пристроїв вводу-виводу, використовуваний для роботи високошвидкісних пристроїв, здатних передавати інформацію зі швидкістю, близької до швидкості роботи пам'яті

DMA-контролер передає блок даних з буферної пам'яті безпосередньо в основну пам'ять, без участі процесора. Перевага подібного широко застосовуваного підходу - не тільки в тім, щоб уникнути зайвого пересилання даних з однієї області пам'яті в іншу, але також у тім, що переривання в цьому випадку генерується на кожен блок пересила даних ( що зберігається в буфері), але не на кожний пересилати байт, як при більше традиційному способі обміну.