Управление вводом-выводом в ОС. Основные принципы организации ввода-вывода в ОС. Режимы управления вводом-выводом в ОС. Основные системные таблицы ввода-вывода.

Главный принцип ввода/вывода – любые операции по управлению вводом/выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только самой ОС.

Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров вводятся два режима:

- режим пользователя, выполнение команд ввода/вывода запрещено;

- режим супервизора, выполнение команд ввода/вывода разрешено.

Использование команд ввода/вывода в пользовательском режиме вызывает прерывание обработки программы, и управление передается ОС.

Для ОС одним из основных видов ресурсов являются устройства ввода/вывода и обслуживающие их программы. ОС должны управлять устройствами и позволять параллельно выполняющимися задачам использовать различные устройства ввода/вывода.

Непосредственное обращение к внешним устройствам из пользовательских программ не разрешено по трем причинам:

- возможные конфликты при доступе к устройствам ввода/вывода;

- повышение эффективности использование этих ресурсов;

- ошибки в программах ввода/вывода могут привести к разрушению системы.

Компонента ОС, выполняющая ввод/вывод называется супервизором ввода/вывода. Основные задачи супервизора следующие:

- получение, проверка на корректность и выполнение запросов на ввод/вывод от прикладных задач и от модулей самой системы;

- планирование ввода/вывода: выполнение или постановка в очередь;

- передача управления драйверам;

- - передача сообщений об ошибках, если они появляются;

- передача сигнала о завершении операции ввода/вывода.

В случае, если устройство ввода-вывода является инициативным ( устройство ввода-вывода, по сигналу прерывания от которого запускается соответствующая ему программа), управление со стороны супервизора ввода-вывода будет заключаться в активизации соответствующего вычислительного процесса (перевод его в состояние готовности к выполнению).

Таким образом, прикладные программы (а в общем случае - все обрабатывающие программы) не могут непосредственно связываться с устройствами ввода-вывода независимо от того, в каком режиме используются эти устройства (монопольно или совместно), но, установив соответствующие значения параметров в запросе на ввод-вывод, определяющие требуемую операцию и количество потребляемых ресурсов, обращаются к супервизору задач. Последний передает управление супервизору ввода-вывода, который и запускает необходимые логические и физические операции.

Как известно, имеется два основных режима ввода-вывода: режим обмена с опросом готовности устройства ввода-вывода и режим обмена с прерываниями.

Пусть центральный процессор посылает команду устройству управления, требующую, чтобы устройство ввода-вывода выполнило некоторое действие. Устройство управления исполняет команду, транслируя сигналы, понятные ему и центральному устройству, в сигналы, понятные устройству ввода-вывода. После выполнения команды устройство ввода-вывода выдает сигнал готовности, который сообщает процессору о том, что можно выдать новую команду для продолжения обмена данными. Однако поскольку быстродействие устройства ввода-вывода намного меньше быстродействия центрального процессора, то сигнал готовности приходится очень долго ожидать, постоянно опрашивая соответствующую линию интерфейса на наличие или отсутствие нужного сигнала. Посылать новую команду, не дождавшись сигнала готовности, сообщающего об исполнении предыдущей команды, бессмысленно. В режиме опроса готовности драйвер, управляющий процессом обмена данными с внешним устройством, как раз и выполняет в цикле команду «проверить наличие сигнала готовности». При этом нерационально используется время центрального процессора. Гораздо выгоднее, выдав команду ввода-вывода, на время забыть об устройстве ввода-вывода и перейти на выполнение другой программы. А появление сигнала готовности трактовать как запрос на прерывание от устройства ввода-вывода. Именно эти сигналы готовности и являются сигналами запроса на прерывание.

Режим обмена с прерываниями по своей сути является режимом асинхронного управления. Для того чтобы не потерять связь с устройством (после выдачи процессором очередной команды по управлению обменом данными и переключения его на выполнение других программ), может быть запущен отсчет времени, в течение которого устройство обязательно должно выполнить команду и выдать-таки сигнал запроса на прерывание. Максимальный интервал времени, в течение которого устройство ввода-вывода или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерывание, часто называют установкой тайм-аута. Если это время истекло после выдачи устройству очередной команды, а устройство так и не ответило, то делается вывод о том, что связь с устройством потеряна и управлять им больше нет возможности. Пользователь и/или задача получают соответствующее диагностическое сообщение.

Драйверы, работающие в режиме прерываний, представляют собой сложный комплекс программных модулей и могут иметь несколько секций: секцию запуска, одну или несколько секций продолжения и секцию завершения. Секция запуска инициирует операцию ввода-вывода. Эта секция запускается для включения устройства ввода-вывода или просто для инициализации очередной операции ввода-вывода. Секция продолжения (их может быть несколько, если алгоритм управления обменом данными сложный, и требуется несколько прерываний для выполнения одной логической операции) осуществляет основную работу по передаче данных. Секция продолжения, собственно говоря, и является основным обработчиком прерывания. Секция завершения обычно выключает устройство ввода-вывода или просто завершает операцию.

Для управления всеми операциями ввода-вывода и отслеживания состояния всех ресурсов, занятых в обмене данными, операционная система должна иметь соответствующие информационные структуры. Эти информационные структуры, прежде всего, призваны отображать следующую информацию:

· состав устройств ввода-вывода и способы их подключения;

· аппаратные ресурсы, закрепленные за имеющимися в системе устройствами ввода-вывода;

· логические (символьные) имена устройств ввода-вывода, используя которые вычислительные процессы могут запрашивать те или иные операции ввода-вывода;

· адреса размещения драйверов устройств ввода-вывода и области памяти для хранения текущих значений переменных, определяющих работу с этими устройствами;

· области памяти для хранения информации о текущем состоянии устройства ввода-вывода и параметрах, определяющих режимы работы устройства;

· данные о текущем процессе, который работает с данным устройством;

· адреса тех областей памяти, которые содержат данные, собственно и участвующие в операциях ввода-вывода (получаемые при операциях ввода данных и выводимые на устройство при операциях вывода данных).

Эти информационные структуры часто называют таблицами ввода-вывода, хотя они, в принципе, могут быть организованы и в виде списков.

Каждая операционная система ведет свои таблицы ввода-вывода, их состав (и количество, и назначение каждой таблицы) может сильно отличаться. Исходя из принципа управления вводом-выводом, можно сделать вывод о необходимости создания, по крайней мере, трех системных таблиц:

1) таблица оборудования (с одержит информацию обо всех устройствах ввода-вывода, подключенных к вычислительной системе)

2) Вторая таблица предназначена для реализации еще одного принципа виртуализации устройств ввода-вывода — принципа независимости от устройства.

3) таблица прерываний — необходима для организации обратной связи между центральной частью и устройствами ввода-вывода. Эта таблица указывает для каждого сигнала запроса на прерывание тот элемент UCB, который сопоставлен данному устройству.