Организация ввода/вывода
Принципы осуществления передачи информации в ОС. Структура системы ввода-вывода. Физические принципы организации ввода-вывода. Логические принципы организации ввода-вывода. Понятие системного вызова и прерывания.
Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода.
Содержание понятий "обработка информации" и "операции ввода-вывода" зависит от того, с какой точки зрения мы смотрим на них. С точки зрения программиста, под "обработкой информации" понимается выполнение команд процессора над данными, лежащими в памяти независимо от уровня иерархии – в регистрах, кэше, оперативной или вторичной памяти. Под "операциями ввода-вывода" программист понимает обмен данными между памятью и устройствами, внешними по отношению к памяти и процессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиатура, таймер. С точки зрения операционной системы "обработкой информации" являются только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к "операциям ввода-вывода". Чтобы выполнять операции над данными, временно расположенными во вторичной памяти, операционная система, сначала производит их подкачку в оперативную память, и лишь затем процессор совершает необходимые действия.
Данная лекция будет посвящена второму виду работы вычислительной системы – операциям ввода-вывода. Мы разберем, что происходит в компьютере при выполнении операций ввода-вывода, и как операционная система управляет их выполнением. При этом для простоты будем считать, что объем оперативной памяти в вычислительной системе достаточно большой, т. е. все процессы полностью располагаются в оперативной памяти, и поэтому понятие "операция ввода-вывода" с точки зрения операционной системы и с точки зрения пользователя означает одно и то же. Такое предположение не снижает общности нашего рассмотрения, так как подкачка информации из вторичной памяти в оперативную память и обратно обычно строится по тому же принципу, что и все операции ввода-вывода.
Устройства ввода/вывода
Устройства ввода/вывода можно разделить на две категории:
блочное устройство
символьное устройство.
Блочными называются устройства, хранящие информацию в виде адресуемых блоков фиксированного размера. Обычно размеры блоков варьируются от 512 байт до 32 768 байт. Важное свойство блочного устройства состоит в том, что каждый блок может быть прочитан независимо от остальных блоков. Наиболее распространенными блочными устройствами являются жесткие диски.
Символьное устройство принимает или предоставляет поток символов без какой-либо блочной структуры. Оно не является адресуемым и не выполняет операцию поиска. Принтеры, сетевые интерфейсные адаптеры, мыши и большинство других устройств, не похожих на диски, можно рассматривать как символьные устройства.
Такая схема классификации не совершенна. Некоторые устройства просто не попадают ни в одну из категорий.
Например, часы не являются блочно адресуемыми. Они также не формируют и не принимают символьных потоков. Вся их деятельность сводится к инициированию прерываний в строго определенные моменты времени. Видеопамять также не укладывается в рамки этой модели. И все же классификация на блочные и символьные устройства является настолько общей, что неплохо подходит в качестве основы для достижения независимости от устройств некоторого программного обеспечения операционных систем, имеющего дело с вводом/выводом.
Контроллеры устройств
Устройства ввода/вывода, как правило, состоят из механической части и электронной части. В большинстве случаев эти части можно особо выделить для придания модели более модульного и общего характера. Электронный компонент называется контроллером устройства.
Плата контроллера обычно снабжается разъемом, к которому может быть подключен кабель, ведущий к самому устройству. Многие контроллеры способны управлять двумя, четырьмя или даже восемью идентичными устройствами. Обычно интерфейс между контроллером и устройством является стандартным, то есть официальным стандартом ANSI, IEEE или ISO, либо фактическим стандартом. Так, многие компании производят жесткие диски, соответствующие интерфейсу IDE, SCSI или SATA. Мы упоминаем о различии между контроллером и устройством потому, что операционная система практически всегда имеет дело с контроллером, а не с самим устройством. У большинства небольших компьютеров взаимодействие с устройствами организуется по модели единой шины.
Интерфейс между устройством и контроллером часто является интерфейсом очень низкого уровня.
Контроллер монитора (видеоконтроллер) считывает из памяти байты, содержащие символы, которые следует отобразить, и формирует сигналы, используемые для модуляции луча электронной трубки, заставляющие ее выводить изображение на экран. Видеоконтроллер также формирует сигналы, управляющие горизонтальным и вертикальным перемещениями электронного луча. Если бы не контроллер, программисту пришлось бы делать это самому. В действительности же операционная система всего-навсего инициализирует контроллер, задавая небольшое число параметров, таких как количество символов или пикселов в строке и число строк на экране, а тяжелую работу по управлению разверткой берет на себя контроллер.