Ввод-вывод

Одной из важнейших функций ОС является управление устрой­ствами ввода-вывода компьютера. Операционная система дает этим устройствам команды, перехватывает прерывания и обрабатывает ошибки. Она должна обеспечить простой и удобный интерфейс меж­ду устройствами и остальной частью системы. Интерфейс должен быть одинаковым для всех устройств с целью достижения независи­мости от применяемой аппаратуры. Программное обеспечение вво­да-вывода составляет существенную часть операционной системы.

Устройства ввода-вывода можно разделить на две категории: блочные устройства и символьные устройства. Блочные устройства хранят информацию в виде блоков фиксированного размера, причем у каждого блока имеется свой адрес. Размеры блоков колеблются от 521 до 32 768 байт. Важное свойство блочного устройства состоит в том, что каждый его блок может быть прочитан независимо от ос­тальных блоков. Наиболее распространенными блочными устрой­ствами являются диски.

Другой тип устройств ввода-вывода – символьные устройства. Символьное устройство принимает или предоставляет поток симво­лов без какой-либо блочной структуры. Оно не является адресуемым и не выполняет операцию поиска. Принтеры, сетевые адаптеры, мыши и большинство других устройств, не похожих на диски, мож­но считать символьными устройствами.

Такая классификация является условной. Некоторые устройства не попадают ни в одну из категорий. Например, часы не являются блок-адресуемыми. Они не формируют и не принимают символьных потоков. Вся их работа заключается в инициировании прерываний в строго определенные моменты времени. И все же модель блочных и символьных устройств является настолько обшей, что может служить основой для достижения независимости программного обеспечения ОС от устройств ввода-вывода. Например, файловая система имеет дело с абстрактными блочными устройствами, а зависимую от уст­ройств часть оставляет программному обеспечению низкого уровня.

Устройства ввода-вывода обычно состоят из механической и электронной частей. Механический компонент находится в самом устройстве. Электронный компонент устройства называется контрол­лером или адаптером. В современных компьютерах контроллеры встраиваются в материнскую плату или располагаются на самом ус­тройстве ввода-вывода. Многие контроллеры способны управлять несколькими идентичными устройствами.

Часто интерфейс между устройством и контроллером является интерфейсом низкого уровня. С диска в контроллер поступает по­следовательный поток битов, начинающийся с заголовка сектора (преамбулы), за которым следует 4096 бит в секторе, и контрольная сумма, называемая кодом исправления ошибок ЕСС (Error Correcting Code). Заголовок сектора записывается на диск во время формати­рования. Он содержит номера цилиндра и сектора, размер сектора, коды синхронизации и другую служебную информацию.

Работа контроллера заключается в конвертировании последова­тельного потока битов в блок байтов и коррекцию ошибок. Обычно байтовый блок накапливается в буфере контроллера. Затем проверя­ется контрольная сумма блока, и если она совпадает с указанной в заголовке сектора, то блок считается принятым без ошибок. После этого блок копируется в оперативную память.

Контроллер монитора (видеоадаптер) работает на таком же низ­ком уровне. Он считывает из памяти байты, содержащие символы, которые следует отобразить, и формирует сигналы, используемые для модуляции луча электронной трубки, заставляющие ее выводить изображение на экран. Видеоадаптер формирует сигналы, управляющие горизонтальным и вертикальным возвратом луча. Операцион­ная система только инициализирует контроллер, задавая небольшое количество параметров, таких, как количество пикселов в строке и число строк на экране, а всю работу по управлению передвижения­ми луча по экрану выполняет контроллер.

Ключевая концепция разработки ПО ввода-вывода формулиру­ется как независимость от устройств. Эта концепция означает воз­можность написания программ, способных получать доступ к лю­бому устройству ввода-вывода без предварительного указания конкретного устройства. Например, программа, читающая данные из входного файла, должна одинаково успешно работать с файлом на дискете, жестком диске или компакт-диске. При этом не должны требоваться какие-либо изменения в программе. В качестве выход­ного устройства также может быть указан экран, файл на любом дис­ке или принтер. Все проблемы, связанные с отличиями этих уст­ройств, снимает операционная система.

Тесно связан с концепцией независимости от устройств прин­цип единообразного именования. Имя файла или устройства должно быть просто текстовой строкой или целым числом. Оно никак не должно зависеть от физического устройства.

Другим важным аспектом ПО ввода-вывода является обработка ошибок. Ошибки должны обрабатываться как можно ближе к аппа­ратуре. Если контроллер обнаружил ошибку чтения, он должен по возможности исправить эту ошибку сам. Если он не может это сде­лать, то ошибку должен обработать драйвер устройства. Многие ошибки бывают временными, например ошибки чтения, вызванные пылинками на читающих головках. Такие ошибки исчезают при по­вторном чтении блока. Только если нижний уровень не может сам справиться с проблемой, о ней следует информировать верхний уро­вень. Во многих случаях восстановление может осуществляться на нижнем уровне, так, что верхние уровни даже не будут знать о на­личии ошибок.

И последним понятием, которое связано с вводом-выводом, яв­ляется понятие выделенных устройств и устройств коллективного ис­пользования. С некоторыми устройствами, такими как диски, может одновременно работать большое количество пользователей. При этом не должно возникать проблем при одновременном открытии на од­ном и том же диске нескольких файлов. Другие устройства, такие как накопители на магнитной ленте, предоставляются в монопольное пользование. Пока не завершит свою работу один пользователь на­копитель не может быть предоставлен другому пользователю. ОС должна уметь управлять как устройствами общего доступа, так и выделенными устройствами.

Существуют три различных способа осуществления операций ввода-вывода. Простейший вид ввода-вывода состоит в том, что всю работу выполняет центральный процессор. Этот метод называется программным вводом-выводом. ЦП вводит или выводит каждый байт или слово, находясь в цикле ожидания готовности устройства вво­да-вывода. Второй способ представляет собой управляемый прерыва­ниями ввод-вывод, при котором ЦП начинает передачу ввода-выво­да для символа или слова, после чего переключается на другой процесс, пока прерывание от устройства не сообщит ему об оконча­нии операции ввода-вывода и готовности принять следующие символы. Третий способ заключается в исполь­зовании прямого доступа к памяти (DMA – Direct Memory Access), при котором отдельная микросхема управляет переносом целого бло­ка данных и инициирует прерывание только после окончания опе­рации переноса блока.