21) Управление устройствами ввода/вывода. Спулинг.

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки; она также должна обеспечивать интерфейс между устройствами и остальной частью системы. В целях развития интерфейс должен быть одинаковым для всех типов устройств (независимость от устройств).

Устройства ввода-вывода делятся на два типа: блок-ориентированные устройства и байт-ориентированные устройства. Блок-ориентированные устройства хранят информацию в блоках фиксированного размера, каждый из которых имеет свой собственный адрес. Самое распространенное блок-ориентированное устройство - диск. Байт-ориентированные устройства не адресуемы и не позволяют производить операцию поиска, они генерируют или потребляют последовательность байтов. Примерами являются терминалы, строчные принтеры, сетевые адаптеры.

Программное обеспечение ввода/вывода делится на четыре слоя: Обработка прерываний, Драйверы устройств, Независимый от устройств слой операционной системы, Пользовательский слой программного обеспечения.

С момента выдачи команда ввода/вывода со стороны центрального процессора, до получения им сигнала готовности, как правило проходит много времени в связи с тем, что устройство ввода/вывода обладает как минимум на порядок меньшим быстродействием, чем микросхемы ЦП. Поэтому проблема состоит в том, как ЦП должен ждать сигналы готовности.

Различают 2 режима управления вводом/выводом:

1.)Режим с опросом готовности устройства ввода/вывода. Сущность заключается в том что после выдачи команды ввода/вывода драйвер устройства, к которому обратились, постоянно (циклически) опрашивает наличие/отсутствие сигнала готовности. Плюс: Простая реализация. Минус: ЦП на все время использования команды ввода/вывода занят драйвером.

(Пример: система Windows 95/98/NT использует этот режим при работе с принтером)

2.)Режим ожидания прерываний. Основная идея состоит в том, что после выдачи команды ввода/вывода ЦП используется любыми другими программами. После появления сигнала готовности от устройства ввода/вывода, этот сигнал вызывает прерывание. Данный режим очень эффективен т.к. обеспечивает высокую производительность системы. Использование этого режима обеспечивает реализацию классического мультипрограммирования(многопрограммная работа, метод одновременного выполнения на ВМ нескольких программ, относящихся к различным задачам). Плюс: Высокая производительность.Минус: Если в системе работает процесс с большим приоритетом, следующие процессы будут долго ждать. Большая сложность реализации драйвера. Как правило требуется совокупность драйверов и кроме того драйвера должны учитывать массу прерываний.

Другой категорией программного обеспечения ввода-вывода является подсистема спулинга. Спулинг - это способ работы с выделенными устройствами в мультипрограммной системе. Спулинг – механизм организации вычислительного процесса при котором задача может выполняться в фоновом режиме независимо от основной работы пользователя или программы. Рассмотрим типичное устройство, требующее спулинга - строчный принтер. Хотя технически легко позволить каждому пользовательскому процессу открыть специальный файл, связанный с принтером, такой способ опасен из-за того, что пользовательский процесс может монополизировать принтер на произвольное время. Вместо этого создается специальный процесс - монитор, который получает исключительные права на использование этого устройства. Также создается специальный каталог, называемый каталогом спулинга. Для того, чтобы напечатать файл, пользовательский процесс помещает выводимую информацию в этот файл и помещает его в каталог спулинга. Процесс-монитор по очереди распечатывает все файлы, содержащиеся в каталоге спулинга.