Закрепление устройств, общие устройства ввода/вывода

Как известно, многие устройства не допускают совместного использования. Пре­жде всего, это устройства с последовательным доступом. Такие устройства могут стать закреплёнными, то есть быть предоставленными некоторому вычислитель­ному процессу на всё время жизни этого процесса. Однако это приводит к тому, что вычислительные процессы часто не могут выполняться параллельно – они ожидают освобождения устройств ввода/вывода. Для организации использова­ния многими параллельно выполняющимися задачами устройств ввода/вывода, которые не могут быть разделяемыми, вводится понятие виртуальных устройств. Использование принципа виртуализации позволяет повысить эффективность вы­числительной системы.

Вообще говоря, понятие виртуального устройства шире, нежели использование этого термина для обозначения спулинга (SPOOLing – simultaneous peripheral operation on-line, то есть имитация работы с устройством в режиме «он-лайн»). Главная задача спулинга – создать видимость параллельного разделения устрой­ства ввода/вывода с последовательным доступом, которое фактически должно использоваться только монопольно и быть закрепленным. Например, мы уже го­ворили, что в случае, когда несколько приложений должны выводить на печать результаты своей работы, если разрешить каждому такому приложению печатать строку по первому же требованию, то это приведет к потоку строк, не представ­ляющих никакой ценности. Однако можно каждому вычислительному процессу предоставлять не реальный, а виртуальный принтер и поток выводимых симво­лов (или управляющих кодов для их печати) сначала направлять в специальный файл1 на магнитном диске. Затем, по окончании виртуальной печати, в соответствии с принятой дисциплиной обслуживания и приоритетами приложений вы­водить содержимое спул-файла на принтер. Системный процесс, который управ­ляет спул-файлом, называется спулером (spool-reader или spool-writer).

Основные системные таблицы

Ввода/вывода

Каждая ОС имеет свои таблицы ввода/вывода, их состав (количество и назначе­ние каждой таблицы) может сильно отличаться. В некоторых ОС вместо таблиц создаются списки, хотя использование статических структур данных для организации ввода/вывода, как правило, приводит к большему быстродействию. Здесь очень трудно вычленить общие составляющие, тем более что подробной документации на эту тему крайне мало, только если воспользоваться материалами ныне устаревших ОС. Тем не менее, попытаемся это сделать, опираясь на идеи семейства простых, но эффективных ОС реального времени, разработанных фир­мой Hewlett–Packard для своих мини-компьютеров.

Исходя из принципа управления вводом/выводом через супервизор ОС и учитывая, что драйверы устройств ввода/вывода используют механизм прерываний для установления обратной связи центральной части с внешними устройствами, можно сделать вывод о необходимости создания по крайней мере трёх систем­ных таблиц.

Первая таблица (или список) содержит информацию обо всех устройствах ввода/вывода, подключенных к вычислительной системе. Назовем её условно таблицей оборудования (equipment table), а каждый элемент этой таблицы пусть на­зывается UCB (unit control block, блок управления устройством ввода/вывода). Каждый элемент UCB таблицы оборудования, как правило, содержит следую­щую информацию об устройстве:

¨ тип устройства, его конкретная модель, символическое имя и характеристики устройства;

¨ как это устройство подключено (через какой интерфейс, к какому разъёму, какие порты и линия запроса прерывания используются и т. д.);

¨ номер и адрес канала (и подканала), если такие используются для управле­ния устройством;

¨ указание на драйвер, который должен управлять этим устройством, адрес секции запуска и секции продолжения драйвера;

¨ информация о том, используется или нет буферирование при обмене данны­ми с этим устройством, «имя» (или просто адрес) буфера, если такой выделя­ется из системной области памяти;

¨ уставка тайм-аута и ячейки для счетчика тайм-аута;

¨ состояние устройства;

¨ поле указателя для связи задач, ожидающих устройство, и, возможно, много ещё каких сведений. Поясним перечисленное. Поскольку во многих ОС драйверы могут обладать свойством реентерабельности (напомним, это означает, что один и тот же экземп­ляр программного модуля может обеспечить параллельное обслуживание сразу нескольких однотипных устройств), то в элементе UCB должна храниться либо непосредственно сама информация о текущем состоянии устройства и сами пе­ременные для реентерабельной обработки, либо указание на место, где такая ин­формация может быть найдена. Наконец, важнейшим компонентом элемента таблицы оборудования является указатель на дескриптор той задачи, которая сейчас использует данное устройство. Если устройство свободно, то поле указа­теля будет иметь нулевое значение. Если же устройство уже занято и рассмат­риваемый указатель не нулевой, то новые запросы к устройству фиксируются посредством образования списка из дескрипторов тех задач, которые сейчас ожидают данное устройство.

Вторая таблица предназначена для реализации ещё одного принципа виртуализации устройств ввода/вывода – независимости от устройства. Желательно, чтобы программист не был озабочен учётом конкретных параметров (и/или возможностей) того или иного устройства ввода/вывода, которое установлено (или не установлено) в компьютер. Для него должны быть важны только самые об­щие возможности, характерные для данного класса устройств ввода/вывода, ко­торыми он желает воспользоваться. Например, принтер должен уметь выводить (печатать) символы или графическое изображение. А накопитель на магнитных дисках – считывать или записывать по указанному адресу (в координатах C-H-S1) порцию данных. Хотя чаще всего программист и не использует прямую адреса­цию при работе с магнитными дисками, а работает на уровне файловой системы (см. главу 4). Однако в таком случае уже разработчики файловой системы не должны зависеть от того, накопитель какого конкретного типа и модели, а также какого производителя используется в данном конкретном компьютере (напри­мер, HDD IBM DTLA 307030, WDAC 450AA или какой-нибудь ещё). Важным должен быть только сам факт существования накопителя, имеющего некоторое количество цилиндров, головок чтения/записи и секторов на дорожке магнитного диска. Упомянутые значения количества цилиндров, головок и секторов должны быть взяты из элемента таблицы оборудования. При этом для программиста так­же не должно иметь значения, каким образом то или иное устройство подключе­но к вычислительной системе, а не только какая конкретная модель устройства используется. Поэтому в запросе на ввод/вывод программист указывает именно логическое имя устройства. Действительное устройство, которое сопоставляется виртуальному (логическому), выбирается супервизором с помощью таблицы, о которой мы сейчас говорим. Итак, способ подключения устройства, его кон­кретная модель и соответствующий ей драйвер содержатся в уже рассмотренной таблице оборудования. Но для того, чтобы связать некоторое виртуальное уст­ройство, использованное программистом при создании приложения с системной таблицей, отображающей информацию о том, какое конкретно устройство и ка­ким образом подключено к компьютеру, используется вторая системная табли­ца. Назовем её условно таблицей описания виртуальных логических устройств (DRT, device reference table). Назначение этой второй таблицы – установление связи между виртуальными (логическими) устройствами и реальными устройст­вами, описанными посредством первой таблицы оборудования. Другими слова­ми, вторая таблица позволяет супервизору перенаправить запрос на ввод/вывод из приложения на те программные модули и структуры данных, которые (или адреса которых) хранятся в соответствующем элементе первой таблицы. Во мно­гих многопользовательских системах такая таблица не одна, а несколько: одна общая и по одной – на каждого пользователя, что позволяет строить необходи­мые связи между логическими (символьными) именами устройств и реальными физическими устройствами, которые имеются в системе.

Наконец, третья таблица необходима для организации обратной связи между центральной частью и устройствами ввода/вывода. Это таблица прерываний, ко­торая указывает для каждого сигнала запроса на прерывание тот элемент UCB, который сопоставлен данному устройству, подключенному так, что оно исполь­зует настоящую линию (сигнал) прерывания. Как системная таблица ввода/вы­вода, таблица прерываний может в явном виде и не присутствовать. В принципе можно сразу из основной таблицы прерываний попадать на программу обработ­ки (драйвер), имеющей связи с элементом UCB. Важно наличие связи между сигналами прерываний и таблицей оборудования.

В современных сложных ОС имеется гораздо больше системных таблиц или списков, используемых для организации процессов управления операциями ввода/вывода. Например, одной из возможных и часто реализуемых информа­ционных структур, сопровождающих практически каждый запрос на ввод/вы­вод, является блок управления данными (data control block, DCB). Назначение этого DCB – подключение препроцессоров к процессу подготовки данных на ввод/вывод, то есть учет конкретных технических характеристик и используе­мых преобразований. Это необходимо для того, чтобы имеющееся устройство получало не какие-то непонятные ему коды либо форматы данных, которые не соответствуют режиму его работы, а коды, созданные специально под данное устройство и используемый в настоящий момент формат представления данных.

Взаимосвязи между описанными таблицами изображены на рис.4.2.

Рис.4.2. Взаимосвязь системных таблиц ввода/вывода

Теперь нам осталось лишь ещё раз, с учётом изложенных принципов и таблиц, рассмотреть процесс управления вводом/вывода с помощью рис. 4.3.

Рис.4.3. Процесс управления вводом/выводом

Запрос на операцию ввода/вывода от выполняющейся программы поступает на супервизор (действие 1). Тот проверяет системный вызов на соответствие при­нятым спецификациям и в случае ошибки возвращает задаче соответствующее сообщение (действие 1–1). Если же запрос корректен, то он перенаправляется в супервизор ввода/вывода (действие 2). Последний по логическому (виртуаль­ному) имени с помощью таблицы DRT находит соответствующий элемент UCB в таблице оборудования. Если устройство уже занято, то описатель задачи, за­прос которой сейчас обрабатывается супервизором ввода/вывода, помещается в список задач, ожидающих настоящее устройство. Если же устройство свобод­но, то супервизор ввода/вывода определяет из UCB тип устройства и при необ­ходимости запускает препроцессор, позволяющий получить последовательность управляющих кодов и данных, которую сможет правильно понять и отработать устройство (действие 3). Когда «программа» управления операцией ввода/вывода будет готова, супервизор ввода/вывода передаст управление соответствующему драйверу на секцию запуска (действие 4). Драйвер инициализирует операцию управления, обнуляет счётчик тайм-аута и возвращает управление супервизору (диспетчеру задач) с тем, чтобы он поставил на процессор готовую к исполне­нию задачу (действие 5). Система работает своим чередом, но когда устройство ввода/вывода отработает посланную ему команду, оно выставляет сигнал запро­са на прерывания, по которому через таблицу прерываний управление передаётся на секцию продолжения (действие 6). Получив новую команду, устройство вновь начинает её обрабатывать, а управление процессором опять передаётся диспетчеру задач, и процессор продолжает полезную работу. Таким образом, по­лучается параллельная обработка задач, на фоне которой процессор осуществля­ет управление операциями ввода/вывода.

Очевидно, что если имеются специальные аппаратные средства для управления вводом/выводом, снимающие эту работу с центрального процессора (речь идет о каналах прямого доступа к памяти), то в функции центрального процессора бу­дут по-прежнему входить все только что рассмотренные шаги, за исключением последнего – непосредственного управления операциями ввода/вывода. В слу­чае использования каналов прямого доступа к памяти последние исполняют соответствующие канальные программы и разгружают центральный процессор, из­бавляя его от непосредственного управления обменом данными между памятью и внешними устройствами.

При описании этой схемы мы не стали затрагивать вопросы распределения кана­лов, контроллеров и собственно самих устройств. Также были опущены детали получения канальных программ. Будем считать, что они выходят за круг вопро­сов, рассматриваемых в учебнике по дисциплине «Системное программное обеспечение», тем более что в последнем государственном образовательном стандар­те для направления 46 – «Информатика и вычислительная техника» имеется отдельная общепрофессиональная дисциплина «Операционные системы» и спе­циальная дисциплина «Интерфейсы периферийных устройств».