3. Средства доступа к дискам

На уровне архитектуры системы контроллер диска представлен несколькими регистрами, доступными через порты компьютера. В эти порты перед выполнением операций заносятся такие данные, как номер диска, количество секторов, участвующих в операции и физический адрес начального сектора, записываемые данные. Один из портов служит для посылки команды на выполнение операции (чтение, запись, запись с проверкой, поиск цилиндра, форматирование дорожки и др.). Когда операция завершена, контроллер посылает сигнал прерывания.

Прикладные программы могут работать с дисками либо средствами BIOS(программное прерываниеint 13h), либо средствамиDOS(программные прерыванияint 25h– чтение иint 26h– запись). При этомBIOSработает только с физическими дисками, используя физическую нумерацию секторов, в то время какMS-DOSработает только с логическими томами, а секторы при этом нумеруются числами от 0 (что соответствуетBOOT-сектору) до максимального номера сектора на томе. На практике то и другое используется достаточно редко. Большинство прикладных программ не работают с дисками как с устройствами, вместо этого работа ведется на уровне файлового ввода/вывода, а отображение файлов на секторы диска является обязанностью ОС.

Для повышения эффективности работы с дисками в MS-DOSиспользуются кэширование дисков и опережающее чтение, описанные в пп. 1.6.6 и 1.6.7. Дисковый кэш вMS-DOSустроен проще, чем вUNIX. Во-первых, в однозадачной системе нет необходимости в списке свободных блоков (когда процесс обращается к диску, нет других процессов, которые могли бы в это время работать с буферами). Во-вторых, размер кэша редко превышает 30 – 40 буферов, поэтому не нужны и хеш-цепочки, все буфера объединены в единомLRU-списке.

Почему в MS-DOSне нужен такой большой кэш, как вUNIX?

9. Управление устройствами в Windows

   1. Драйверы устройств в Windows

Поскольку Windows– многозадачная система, она исключает для прикладных программ такие вольности, как прямое обращение к портам ввода/вывода или обработка аппаратных прерываний. Взаимодействие с аппаратурой на низком уровне может выполняться только системными программами, работающими в привилегированном режиме. Основную роль здесь играют драйверы устройств.

В Windowsиспользуется многоуровневая структура драйверов, в которой высокоуровневые драйверы могут играть роль фильтров, выполняющих специальную обработку данных, полученных от драйвера низкого уровня или передаваемых такому драйверу. В качестве примера можно привести отделение драйвера, управляющего шиной, от драйверов конкретных устройств, подключенных к шине. Еще один пример – драйвер, выполняющий шифрацию/дешифрацию данных при работе с файловой системойNTFS. Структура драйверов всех уровней подчинена единым стандартам, известным какWDM(WindowsDiverModel), однако высокоуровневые драйверы, в отличие от низкоуровневых, не занимаются обработкой аппаратных прерываний.

Как ни странно, в WindowsNTнизкоуровневые драйверы – это еще не самый нижний уровень управления устройствами. Еще ближе к аппаратуре лежит так называемый уровеньHAL(HardwareAbstractionsLevel, уровень аппаратных абстракций). Его роль – скрыть от остальных модулей ОС, в том числе и от драйверов, некоторые детали работы с аппаратурой, зависящие от конкретных шин, типа материнской платы, способа подключения. Например,HALпредоставляет драйверам возможность обращаться к регистрам устройств по их логическим номерам, не зная при этом, подключен ли регистр к порту процессора или отображен на память.

Несмотря на стандартизацию структуры, можно выделить несколько специальных типов драйверов, отличающихся функциональным назначением.

• Драйверы GDI(GraphicDeviceInterface) представляют собой высокоуровневые драйверы графических устройств (мониторов, принтеров, плоттеров). Эти драйверы выполняют трансляцию графических вызововWindows(таких, как «провести линию», «залить область», «выдать текст», «выбрать текущий шрифт, текущее перо, текущую заливку») в команды, выполняющие соответствующие действия на конкретном устройстве. Выдача этих команд на устройство выполняется уже другим, низкоуровневым драйвером. Благодаря наличию драйверовGDIодна и та же программа может выдавать графическое изображение на разные устройства. Яркий пример этого – имеющийся в различных редакторах режим предварительного просмотра, который отображает страницы на экране точно в том виде, как они будут напечатаны.

• Драйверы клавиатуры и мыши, помимо стандартных для драйвера операций, выполняют дополнительную нагрузку. Они генерируют сообщения о событиях на соответствующем устройстве (нажатие и отпускание клавиши, перемещение мыши, нажатие и отпускание кнопок мыши) и помещают их в системную очередь сообщений. Затем система переправляет каждое сообщение процессу, которому оно было предназначено, для дальнейшей обработки.

• Драйверы виртуализации устройств (VxD-драйверы) служат для того, чтобы разделять устройства между процессами, создавая иллюзию, что процесс монопольно владеет устройством. На самом деле драйвер организует очередь заявок от процессов, переключает устройство в нужный для очередного процесса режим и т.п. Примером может служить драйвер виртуализации монитора. Консольное приложение (например, программаMS-DOS) работает со всем экраном в текстовом режиме. Но если такое приложение запущено в окнеWindows, тоVxD-драйвер имитирует текстовый режим в графике. Для этого драйвер должен перехватывать попытки программы обратиться напрямую к адресам видеопамяти и преобразовывать координаты знакомест текстового режима в координаты соответствующих позиций в окне.