В. Столлингс - Операционные системы, страница 3

Иногда желательно, чтобы обмен данными с памятью выполнялся непосредственно устройством ввода-вывода, а процессор в это время выполнял другие задания, В этом случае процессор передает устройству ввода-вывода полномочия для чтения из памяти и записи в память, что позволяет освободить процессор. Во время такой передачи данных устройство ввода-вывода читает илн записывает команды в память, принимая на себя ответственность аа этот обмен.

Такой режим, известный под названием прямого доступа к памяти (огэст, птептогу ассеав — РМА), рассматривается в следующих разделах этой главы. Глава 1. Обзор компьютерных систем Во э всех компьютерах предусмотрен механизм, с помощью которого различ ае устройства (ввода-вывода, памяти) могут прервать нормальную работу про ссора. Основные общепринятые классы прерываний перечислены в табл. 1.1. !блица 1.1.

Классы прерываний Г енерируетоя в некоторых ситуациях„возникающих в результате выполнения команд. Такими ситуапиямн могут быть ариФметическое переполнение, -. деление на ноль, попытка выполнить некорректную команду и ссылка на ' область памяти, доступ к которой пользователю запрещен Генерируется таймером процессора. Это прерывание позволяет операционной системе выполнять некоторые свои функции периодически, через заданные промежутки времени Генерируется контроллером ввода-вывода.

Сигнализирует а нормальном „,. завершении операции или о наличии ошибок Генерируется при возникновении таких аварийных ситуаций, как, напри- '- мер, падение напряжении в сети или ошибка контроля четности памяти юграммное ерывааие $ерывааме таймеру $ерывааие тда-еыаада па ратное арывание Собств енно команды ввода-вывода. Если программа не использует прерываний, ей " следует ждать, пока устройство ввода-вывода не выполнит требуемые операции (или периодически проверять его состояние путем опроса). При э том программе не остается ничего другого, как просто ждать, постоянно проверяя, завершилась ли операция ввода-вывода. После довательность команд, обозначенных на рисунке цифрой 5, которые служат ат для завершения операции. Эта последовательность может содержать в себе с у тановку Флагов, свидетельствующих об успешном или неудачном ~авершении операции. П е р рывания в основном предназначены для повышения эффективности рай гы.

Например, большинство устройств ввода-вывода работают намного мед-"",". внее, чем процессор. Предположим, что процессор передает данные на прияти схеме, показанной рис. 1.2. После каждой операции процессор вынужден де-'-.: ть паузу и ждать, пока принтер не примет данные. Длительность этой пауз жет б ьтть в сотни и даже тысячи раз больше длительности цикла команды, в' горой участвуют обращения к памяти. Ясно, что подобное использование про-,, ".сора является неэффективным. Такое положение дел проиллктстрировано на рис. 1.5„а.

Программа пользоватесолерлтит ряд вызовов процедуры записи й))$1ТЕ, в промежутках между которымн., 'положены другие команды. В отрезках 1, 2 и 3 находятся последовательности с аанд кода, в которых не используется ввод-вывод. При вызове процедуры р)Р,1ТЕ, >явление передается системной утилите ввода-вывода, которая выполняет соответ-: утощие операции.

Программа ввода-вывода состоит из трех частей. $ Последовательность команд, обозначенных на рисунке цифрой 4, которые слутттат для подготовки к собственно операциям ввода-вывода В эту после- . довательность могут входить копирование выводимых данных в специальный б уфер и подготовка набора параметров, необходимых для управления- устройством. Йротрамма -: !)ротрамма пользователя ввода-вывода ! е! ! / ! О ., О ! //! ! ! ~ / 4- КоманДа ввода-выво да Программа ввода" выво да ! ! г/! ! ..

с ! !Команда / да пользователя ввода-вывода ! е ! (7) ' г ! ! Оа $ с ! /./ Команда ввода-вывода ! / 'ЯЕ1ТЕ ! / / ! / / с / / / / ! / ! ИЕ1ТЕ .- с / / / // ! // . // вфла выво ! с (5) с ! Е)$Т/ ! / / с / / $/ $/ / $н г/с Сбработ'$ик , // Сбработчик ! с/ ~ ~про ываний Ое $// пра ываний Ое $/ тЗ1ТЕ / ! ! ! О ! $/Р11Е !// н ХЕ1ТЕ ! ! ! $ //- с~ ттр.1ТЕ "а ч ! 4 ! / с с $ / // !'/ )/ ! ~ ! ! ! е / / / ! / ! Ф ие1ТЕ $/)ЕтТЕ в) С прерываниями; медленный ввод-вывод б) С прерываниями; быстрый ввод-вывод а) Еаз прерываний рис.

1.5. Ход выполнения программы без прерываний и с их иепользованиезт Из-за того что для выполнения операции ввода-вывода может потребоваться сравнительно длительный промежуток времени, программа замедляет работу, ожидая завершения операции. Таким образом, там, где встречается вызов $/)Е$1ТЕ, производительность программы существенно уменьшается. Прерывания и цикл команды Благодаря прерываниям во время выполнения операций ввода-вывода процессор может быть занят обработкой других команд. Рассмотрим ход процесса, показанный на рис.

1.б,б. Как и в предыдущем случае (без использования прерываний), вызвав процедуру $/тк1ТЕ, программа обращается к системе. При этом активизируется программа ввода-вывода, которая состоит из подготовительного кода и собственно команд ввода-вывода. После исполнения этих команд управление передается программе пользователя. Тем временем внешнее устройство занято приемом данных из памяти компьютера и их обработкой (например, если этим устройством является принтер, то под обработкой подразумевается распечатка). Ввод-вывод происходит одновременно с выполнением команд программы пользователя. В тот момент, когда внешнее устройство освобождается и готово для дальнейшей работы, т.е. оно готово принять от процессора новую порцию данных, контроллер ввода-вывода этого устройства посылает процессору сигнал запроса прерьсоанил.

В ответ процессор приостанавливает выполнение текущей программы, переключаясь на работу с программой, обслуживающей данное устройство ввода-вывода (эту про~рамму называют обработчиком прерываний) Обслужив внешнее устройство, процессор снова возобновляет прерванную работу.

На рис. 1.5,6 места программы, в которых происходит прерывание, обозначены крестиком. Часть 1. Основные понятия 1'лава 1. Обзор компьютерных систем Пользовательская программа Обработчикпрариааний Рис. 1.7. Цикл команды с прерываниями Ю "т 1 Часть 1. Основные понятия С точки зрения программы пользовал:",а(Разрывания — это не что иное, . к наРУшение обычной последовательности испвлнения.

После завершения об1отки прерывания работа возобновляется (рис. 1.б). Таким образом, програмпользователя не должна включать в себя какой-нибудь специальный код,. збы приспосабливаться к прерываниям. За приостановку программы пользова~я и возобновление ее работы с того самого места, в котором она была прерва- ' отвечают процессор и операционная система. Рис.

1,6. Передача управления через прерывание Чтобы согласовать прерывание с программой, в цикл команды добавляется ~л прерывания (см. Рис. 1.7, сравните с рис. 1.2). В цикле прерывания просор проверяет наличие сигналов прерываний, свидетельствующих о пронесших прерываниях. При поступлении прерывания процессор приостанавлива- ,' заботу с текущей программой и выполняет обработчик прерываний. Обработ-: :и прерываний обычно входят в состав операционной системы.

Как правило,, программы определяют природу прерывания и выполняют необходимые дей- ' юя. Например, в используемом примере обработчик должен определить, ка. из контроллеров ввода-вывода сгенерировал прерывание; кроме того, он мо.' передавать управление программе, которая должна вывести данные на уст- ' ство ввода-вывода. Когда обработчик прерываний завершает свою работу, цессор возобновляет выполнение программы пользователя с того места, где ';.

была прервана. Ясн оно, что этот процесс включает в себя некоторые непроизводительные загы. Для определения природы прерывания и принятия решения о последую- < действиях обработчик прерываний должен выполнить дополнительные ко:д ° ем не менее, ввиду того что для ожидания завершения операций ввода:ды. Те ода потребовался бы сравнительно большой отрезок времени, с помощью Рываний процессор можно использовать намного эффективнее. Чтобы оценить выигрыш в эффективности, рассмотрим временную диаграмму (рис. 1.8), иллюстрирующую ход процессов, показанных на рис. 1.5,а и б. В ситуации, показанной на рис. 1.б,б и 1.8, предполагается, что для выполнения операций ввода-вывода требуется сравнительно короткое время, т.е.

меньшее, чем время обработки команд, которые расположены в программе пользователя между операциями записи. Более типичным, особенно для таких медленных устройств, как принтер, является случай, когда операции ввода-вывода занимают намного больше времени, чем требуется для выполнения последовательности команд пользователя.

Такая ситуация показана на рис. 1.б,в. В этом случае программа пользователя дойдет до следующего вызова НР1ТЕ еще до завершения операции ввода-вывода, порожденной предыдущим вызовом. В результате в этом месте программа пользователя будет приостановлена. После завершения обработки предыдущей операции ввода-вывода придет очередь обработать новое обращение к процедуре КнХТЕ, и будут запущены новые операции ввода-вывода. На рис. 1.9 представлена диаграмма выполнения программы в среде без прерываний и с прерываниями для описанного случая. Как видно, в такой ситуации выигрыш в эффективности все равно существует, так как часть времени, в течение которого выполняются операции ввода-вывода, перекрывается выполнением команд пользователя. Глава 1. Обзор компьютерных систем 1 Операция ввода-вывода ; -'ПРоцеооор Операция ;.всоовянии., Ввода-Вывода -:::".«охидания " Операция ввода-вывода т Операция ввода-вывода м1 Операция ввода-вывода Операция ввода-вывода '"П«роцвооор '=- Операция ввода-вывода «ввидвнщГ.~ б) С прерываниями б) С прерываниями Часть 1.

Основные понятия а) Без прерываний Рис. 1.8, В ременная диаграмма программьи быстрый ввод-вывод работка прерываний Прерывание вызывает ряд событий, которые происходят как в аппаратном, и в пРограммном обеспечении. На рис. 1.10 показана типичная последова«ность этих событий. П . После завершения работы устройства ввода-вывода проодит следующее. устройство посылает процессору сигнал прерывания. ПеРед тем как от ветнть на прерывание, процессор должен завершить исполнение текущей команды (см. Рис. 1.7). Процессор производит проверку наличия прерывания, обнаруживает его и посылает устройству, приславшему это прерывание, уведомляющий сигнал р . е.

Этот сигнал позволяет устройству снять свой сигнал прерывания. а) Беа прерывания Рис. 1.9. Временная диаграмма программы: медленный ввод-вывод 4. Теперь процессору нужно подготовиться к передаче управления обработчику прерываний. Сначала необходимо сохранить всю важную информацию, чтобы в дальнейшем можно было вернуться к тому месту текущей программы, где она была приостановлена. Минимальная требуемая информация — это слово состояния программы и адрес очередной выполняемой команды, который находится в программном счетчике.