5 Ввод-вывод

5.1 Принципы аппаратуры ввода-вывода

Одной из главных задач операционной системы является обеспечение обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера, т.е. операционная система должна управлять всеми устройствами ввода-вывода.

Устройства ввода-вывода делятся на две категории: блочные и символьные устройства. Блочными называются устройства, хранящие информацию в виде блоков фиксированного размера, причём у каждого блока имеется адрес. Каждый блок может быть прочитан независимо друг от друга. Блочными устройствами являются жёсткие диски. Символьное устройство принимает или предоставляет поток символов без какой-либо блочной структуры. Это принтеры, сетевые карты, мыши. Однако классификация на блочные и символьные устройства не покрывает все возможные устройства, например, часы, суть работы которых состоит в инициировании прерываний в определённые моменты времени. Скорость работы устройств ввода-вывода колеблется от 10 байт в секунду да десятков гигабайт в секунду.

Обычно устройство ввода-вывода состоит из механической части и электронной части. Электронный компонент устройства называется контроллером устройства или адаптером, который принимает вид печатной платы, вставляемой в разъём.

Интерфейс низкого уровня между устройством и контроллером обеспечивает конвертирование последовательного потока битов в блок байтов и выполнение коррекции ошибок. После чего, этот блок байтов уже обслуживает операционная система.

У каждого контроллера есть несколько регистров, с помощью которых с ним может общаться центральный процессор. Записывая туда – процессор требует предоставить данные, и напротив, считывая оттуда информацию, процессор узнаёт о состоянии устройства. Помимо регистров у многих устройств есть буфер данных, из которых операционная система может читать и записывать туда (например, видеопамять).

Существуют два способа реализации доступа к управляющим регистрам и буферам данных устройств ввода-вывода.

1 Каждому управляющему регистру назначается номер порта ввода-вывода, 8-или 16-разрядное целое число. Таким образом работали самые древние компьютеры. И при такой схеме адресные пространства ОЗУ и устройств ввода-вывода не пересекаются. (Рисунок 40, а).

2 Отображение всех управляющих регистров периферийных устройств на адресное пространство памяти (Рисунок 40, б).

Ну и конечно, существуют гибридные схемы. Оба метода имеют сильные и слабые стороны.

Достоинства ввода-вывода, отображаемого на адресное пространство:

• для обращения к устройствам ввода-вывода не нужны специальные команды, что упрощает написание программ по сравнению с отдельным адресным пространством;

• не требуется специального механизма защиты от пользовательских процессов, обращающихся к устройствам ввода-вывода, т.к. область памяти с портами исключается из адресного пространства пользователей;

• к аждая команда процессора для обращения к памяти может использоваться и для работы с портами.

Рисунок 40 – Раздельные адресные пространства (а); отображаемый на адресное пространство ввод-вывод (б); гибрид (в)

Недостатки ввода-вывода, отображаемого на адресное пространство:

• регистры ввода-вывода нельзя кэшировать, т.к. в этом случае мы бы никогда не узнали состояния портов, поэтому увеличивается сложность управления избирательным кэшированием;

• все устройства ввода-вывода должны изучать все обращения к памяти центрального процессора, что в схемах с более чем одной шиной можно сделать только с помощью фильтрации адресов специальной микросхемой, что и сделано ещё на базе процессора Pentium I.

На практике центральный процессор не опрашивает по байту устройство ввода-вывода, а использует прямой доступ к памяти DMA (Direct Memory Access). Операционная система пользуется прямым доступом к памяти через аппаратный DMA-контроллер, если конечно он есть в конфигурации данного компьютера. Чтобы понять различие между DMA и доступом к устройству ввода-вывода напрямую рассмотрим, как происходит чтение с жесткого диска.

При отсутствии DMA.

1 Контроллер считывает с диска один или несколько секторов последовательно, пока весь блок не окажется в буфере контроллера.

2 Контроллер проверяет контрольную сумму – не было ли ошибок.

3 Контроллер инициирует прерывание.

4 Операционная система читает блок диска побайтно или пословно с контроллера.

При использовании DMA:

1 Центральный процессор программирует DMA-контроллер, устанавливая его регистры и указывая, какие данные и куда следует переместить. Даёт команду дисковому котроллеру, прочитать данные во внутренний буфер и проверить его содержимое.

2 DMA-контроллер начинает перенос данных, посылая дисковому контроллеру по шине запрос чтения.

3 Перенос данных из контроллера жесткого диска в ОЗУ.

4 По окончании записи контроллер диска посылает сигнал подтверждения DMA-контроллеру.

Шаги 2-4 повторяются, пока в память не будь считано необходимое количество данных. Операционной системе не нужно заниматься копированием блока диска в память, т.к. он уже находится там. Следовательно, разгружается центральный процессор.

Большое значение для осуществления ввода-вывода имеет прерывание. Прерывание (англ. interrupt) – сигнал, сообщающий процессору о совершении какого-либо асинхронного события. При этом выполнение текущей последовательности команд приостанавливается, и управление передаётся обработчику прерывания, который выполняет работу по обработке события и возвращает управление в прерванный код.

Структура прерываний представлена на рисунке 41.

Рисунок 41 – Схема прерываний в компьютере

Здесь стоит отметить, что соединения между устройством и контроллером прерываний в действительности являются специальными линиями шины, а не выделенными проводами.

Когда устройство ввода-вывода заканчивает свою работу, оно инициирует прерывание. При отсутствии других запросов прерывания контроллер обрабатывает прерывание немедленно. В противно случае прерывание игнорируется, а устройство ввода-вывода продолжает удерживать сигнал о прерывании для контроллера. Для обработки прерывания контроллер выставляет на адресную шину номер устройства, требующего к себе внимания, и устанавливает сигнал прерывания на соответствующий контакт процессора. Этот сигнал заставляет процессор приостановить текущую работу и начать выполнять обработку прерывания. Номер, выставленный на адресную шину, используется в качестве индекса в таблице, называемой вектором прерываний (о чём уже упоминалось ранее), из которой извлекается новое значение счетчика команд. Новый счетчик команд указывает на начало соответствующей процедуры обработки прерывания. Вскоре после начала своей работы процедура обработки прерываний подтверждает получение прерывания, что разрешает контроллеру издавать новые прерывания.

Прежде, чем начать обработку прерываний, необходимо сохранить определенную информацию, например, счетчик команд и регистры центрального процессора. Данная информация сохраняется в стеке.