Режимы управления вводом/выводом

Как известно, имеются два основных режима ввода/вывода: режим обмена с опро­сом готовности устройства ввода/вывода и режим обмена с прерываниями. Рас­смотрим рис. 4.1.

Рис.4.1. Управление вводом/выводом

Пусть для простоты управление вводом/выводом осуществляет центральный процессор (в этом случае часто говорят о наличии программного канала обмена данными между внешними устройством и оперативной памятью, в отличие от канала прямого доступа к памяти, при котором управление вводом/выводом осуществляет специальное дополнительное оборудование; эти вопросы мы обсу­дим несколько позже). Центральный процессор посылает устройству управле­ния команду выполнить некоторое действие устройству ввода/вывода. Последнее исполняет команду, транслируя сигналы, понятные центральному устройству и устройству управления в сигналы, понятные устройству ввода/вывода. Но быст­родействие устройства ввода/вывода намного меньше быстродействия централь­ного процессора (порой на несколько порядков). Поэтому сигнал готовности (транслируемый или генерируемый устройством управления и сигнализирующий процессору о том, что команда ввода/вывода выполнена и можно выдать новую команду для продолжения обмена данными) 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». До тех пор пока сигнал готовности не появится, драй­вер ничего другого не делает. При этом, естественно, 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 (см. раздел «Прерывания», глава 1).

Режим обмена с прерываниями по своей сути является режимом асинхронного управления. Для того чтобы не потерять связь с устройством (после того как процессор выдал очередную команду по управлению обменом данными и переключился на выполнение других программ), может быть запущен отсчёт 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 уставкой 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 либо просто для инициации 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. Используемый интерфейс может потребовать для управления вводом/выводом несколько последовательностей управляющих команд, а сигнал прерывания у устройства, как правило, только один. Поэтому после выполнения очередной секции прерывания супервизор прерываний при следующем сигнале готовности должен передать управление другой секции. Это делается за счёт изменения адреса обработки прерывания после выполнения очередной секции, если же имеется только одна секция прерываний, то она сама передаёт управле­ние тому или иному модулю обработки.

Секция завершения обычно выключает устройство ввода/вывода либо просто за­вершает операцию.

Управление операциями ввода/вывода в режиме прерываний, требует больших усилий со стороны системных программистов – такие программы создавать сложнее, чем те, что работают в режиме опроса готовности. Примером тому может служить ситуация с драйверами, обеспечивающими печать. Так, в ОС Windows (и Windows 9x, и Windows NT) драйвер печати через параллельный порт работа­ет не в режиме с прерываниями, как это сделано в других ОС, а в режиме опроса готовности, что приводит к 100%-й загрузке центрального процессора на всё вре­мя печати. При этом, естественно, выполняются и другие задачи, запущенные на исполнение, но исключительно за счёт того, что ОС Windows реализует вытес­няющую мультизадачность и время от времени прерывает процесс управления печатью и передаёт центральный процессор остальным задачам.