11. Системи введення-виведення, основні режими, базові таблиці

необходимо общее решение об организации различных запоминающих устройств

с точки зрения ОС;

повышение производительности системы с помощью буферизации;

повышение производительности дисковых операций ввода-вывода.

Категории устройств ввода-вывода:

1. работающие с пользователем: используются для связи с пользователем (принтеры, видеотерминалы: дисплей, клавиатура, мышь);

2. работающие с компьютером: используются для связи с электронным оборудованием (дисковые устройства, датчики, контроллеры и преобразователи);

коммуникации:используются для связи с удаленными устройствами (модемы, драйверы цифровых линий).

Различие устройств ввода-вывода

скорость передачи данных может отличаться на порядки (bps);

Gigabit Ethernet- 10⁹ ; Графический монитор – 10⁸ ; Жесткий диск – 10⁷; Ethernet- 10⁷ ;

Оптический диск - 10⁷ ; Сканер -10⁶ ; Лазерный принтер – 10⁶ ; Гибкий диск -10⁵ ;

Модем – 10⁴ ; Мышь – 10² ; Клавиатура – 10¹ -10²

Применение: 1) каждое действие, поддерживаемое уст-вом, оказывает влияние на ПО и стратегии ОС; 2) диск, использующийся для хранения файлов, требует наличия ПО для управления файлами. 3) диск, используемый в качестве внешнего запоминающего уст-ва для страниц виртуальной памяти, зависит от программных и аппаратных средств виртуальной памяти; 4) терминал, может использоваться как обычным пользователем, так и админист-ратором, но при этом используются различные уровни приоритетов ОС;

Сложность управления сглаживается усложнением контроллеров ввода-вывода;

Единицы передачи данных: данные могут передаваться как поток байтов для терминаль-ного ввода-вывода, так и блоками для дисковых операций ввода-вывода;

Представление данных: схемы кодирования данных разные; природа ошибок и ответы на них различны.

Организация функций ввода-вывода

программируемый ввод-вывод:

-процессор посылает команды устройству ввода-вывода;

-процесс находится в состоянии ожидания завершения ввода-вывода;

ввод-вывод, управляемый прерываниями:

-процессор посылает команды устройству ввода-вывода;

-процессор продолжает выполнение команд;

- устройство ввода-вывода посылает прерывание процессу, когда завершит свое задание;

прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA):

- модуль DMA управляет обменом данных между ОП и устр-вом ввода- вывода;

- процессор посылает запрос на передачу блока данных модулю DMA, а прерывание про- исходит только после передачи всего блока данных.

Технологии ф-ций ввода-вывода:

- процессор непосредственно управляет периферийным устройством:

Контроллер или модуль ввода-вывода добавляется к устройству

- процессор использует программируемый ввод-вывод без прерывании

- процессор не учитывает конкретную реализацию внешних устройств;

Контроллер или модуль ввода-вывода с прерываниями;

- процессор не тратит время на ожидание выполнения операций ввода-вывода;

модуль ввода-вывода использует DMA;

- данных перемещаются в память или из нее без использования процессора;

- процессор используется только в начале и окончании передачи данных;

модуль ввода-вывода совершенствуется и становится спецпроцессором со своей системой команд ввода-вывода (канал ввода-вывода);

модуль ввода-вывода представляет собой отдельный компьютер со своей локальной памятью (процессор ввода-вывода)

Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA)

устройство DMA получает управление системой от процессора для передачи данных в или из памяти по системной шине (рис. 2);

Рис.2 Блок-схема прямого доступа к памяти Рис. 3. DMA и точки прерывания цикла команд

для передачи данных по системной Командный цикл приостанавливается,

шине используется захват цикла; чтобы можно было передать данные;

- процессор делает паузу на время одного цикла шины;

- захват цикла обуславливает более замедленную работу процессора;

- число необходимых циклов шины может быть сокращено путем интегрирования DMA и функций ввода-вывода (рис. 4);

- подразумевается наличие магистрали между модулем DMA и модулями ввода-вывода без подключения системной шины (рис. 4).

Рис. 4. Альтернативные конфигурации прямого доступа к памяти

Вопросы проектирования операционных систем

Эффективность:большинство уст-тв ввода-вывода работают по сравнению с основной памятью и процессором очень медленно;

- многозадачность позволяет нескольким процессам находиться в состоянии ожидания

ввода-вывода, пока другой процесс выполняется;

- операции ввода-вывода отстают от процессора;

- используется подкачка, которая загружает готовые к выполнению процессы, что само по себе является операцией ввода-вывода.

Универсальность

- желательно управлять всеми устройствами ввода-вывода одинаково;

- скрытие большинства деталей устройств ввода-вывода в низкоуровневых процедурах, вследствие чего процессы обращаются к устройству только с высокоуровневыми вызовами: чтение и запись, открытие и закрытие, блокирование и разблокирование.

Рис. 5. Модель организации ввода-вывода

Буферизация операций ввода-вывода

причины для буферизации

- процессы должны ожидать завершения выполнения ввода-вывода перед дальнейшим выполнением программы;

- определенные страницы должны оставаться в памяти в течение ввода-вывода.

блочно-ориентированные устройства

- информация сохраняется блоками фиксированного размера;

- передача данных выполняется поблочно;

- используется в дисках и лентах.

поточно-ориентированные устройства

- передают информацию как неструктурированный поток байтов;

- используется в мониторах, принтерах, коммуникационных портах, мыши, а также боль- шинство других устройств, которые не являются внешними запоминающими устройствами