ОС / 2. ОС - Управление устройствами

21

Активное и пассивное ожидание

Активное ожидание (busy waiting) – ожидание путем постоянной циклической проверки ожидаемого условия.

Пассивное ожидание (sleeping) – ожидание без затраты процессорного времени. Реализуется на базе аппаратных прерываний.

Эти понятия относятся не только к вводу/выводу, но и к многим другим ситуациям.

В прикладных программах использование активного ожидания есть признак низкой квалификации программиста. Современные ОС дают достаточные средства для использования пассивного ожидания.

Компромиссный вариант (например, если ПУ не дает аппаратных прерываний) – опрос через заданные интервалы времени, по прерываниям от таймера (polling).

Операционные системы. Управление устройствами

22

Синхронный и асинхронный ввод/вывод

На уровне прикладных программ детали реализации ввода/вывода не видны. Однако их отражением можно считать два вида функций ввода/вывода.

Синхронный ввод/вывод – вызванная функция начинает операцию и ожидает ее завершения, потом возвращает управление вызвавшей программе. Это обычный способ ввода/вывода.

Асинхронный ввод/вывод – функция начинает операцию, но не ожидает ее завершения. Управление сразу возвращается вызвавшей программе, которая может делать что-то полезное, пока выполняется ввод/вывод.

Операционные системы. Управление устройствами

23

Синхронный и асинхронный ввод/вывод

Рано или поздно программа должна убедиться, что операция асинхронного ввода/вывода завершилась. Для этого есть три способа:

переход в ожидание завершения (как бы вторая половинка синхронной операции);

проверка состояния операции (без ожидания);

назначение (при начале операции) функции завершения, которую система должна вызвать, когда операция закончится.

Windows обеспечивает все три способа на выбор.

UNIX вообще не имеет функций асинхронного ввода, там это решается путем запуска параллельного процесса ввода/вывода.

Для реализации функций асинхронного ввода/вывода необходимо, чтобы система использовала ввод/вывод по прерываниям, а не по опросу готовности.

Операционные системы. Управление устройствами

24

Буферизация и кэширование

Буферизация – такая организация ввода/вывода, при которой данные не передаются непосредственно с устройства в заданную область памяти (или из области памяти на устройство), а предварительно направляются во вспомогательную область памяти, называемую буфером.

Операционные системы. Управление устройствами

25

Буферизация и кэширование

Причины использования буферизации:

сглаживание неравномерности скоростей процессов;

распараллеливание ввода и обработки;

Операционные системы. Управление устройствами

26

Буферизация и кэширование

Причины использования буферизации:

 согласование размеров логической и физической записи.

Операционные системы. Управление устройствами

27

Буферизация и кэширование

Кэширование (cache) – использование сравнительно небольшой по объему, но быстродействующей памяти для того, чтобы уменьшить количество обращений к более медленной памяти большого объема.

Аппаратное кэширование основной памяти (здесь не рассматривается):

"небольшая, но быстрая" – внутренняя кэш-память процессора;

"большая, но медленная" – основная память компьютера.

Программное кэширование дисков:

"небольшая, но быстрая" – основная память компьютера;

"большая, но медленная" – дисковая память.

Операционные системы. Управление устройствами

28

Буферизация и кэширование

Гипотеза о локальности ссылок – обоснование пользы кэширования:

Если в какой-то момент времени произошло обращение к определенному участку данных, то в ближайшее время можно с высокой вероятностью ожидать повторения обращений к тем же самым данным или же к соседним участкам данных.

Эту гипотезу нельзя доказать, но практика подтверждает ее справедливость в большинстве случаев.

Коли так, то есть смысл, один раз прочитав данные, придержать их поближе на случай повторного обращения.

Операционные системы. Управление устройствами

29

Буферизация и кэширование

Кэш – массив буферов в основной памяти.

Буфер состоит из заголовка и блока данных.

Блок данных по размеру соответствует сектору диска.

Заголовок содержит адрес сектора, хранящегося в буфере, и флаги состояния буфера.

При запросе на чтение сектора диска система проверяет по заголовкам, нет ли данного сектора в кэше. Если есть, то обращение к диску не нужно, данные берутся из кэш-буфера.

Операционные системы. Управление устройствами

30

Буферизация и кэширование

При запросе на запись данные записываются в кэш-буфер, который при этом помечается флагом "грязный", т.е. не соответствующий данным на диске.

Если требуемого сектора нет в кэше, для него должен быть выделен свободный буфер и выполнена операция чтения сектора с диска в буфер.

Поскольку количество буферов ограничено, может потребоваться "вытеснить" один из буферов из кэша.

Если вытесняемый буфер "грязный", он должен быть записан на диск.

Операционные системы. Управление устройствами