LectOS1po12 (Лекции по операционным системам), страница 5

3. операции по проверке состояния ПУ.

Методы управления ПУ

Используют в основном 2 метода управления ПУ - прямой и косвенный.

1. Прямой метод управления

Рис.1. Обобщенная схема прямого управления

В этом случае существует непосредственная связь между ЦП и ПУ; на ЦП при этом возлагается обязанность непосредственного управления работой ПУ. Поэтому в состав команд ЦП должны быть специальные команды по инициированию работы ПУ, проверке готовности его к работе, останову его, записи в ПУ или считыванию из него и т.д. Существенно, что если ЦП обратится к ПУ для записи или считывания данных в момент, когда ПУ занято выполнением ранее заданной операции, то выполнение команды ЦП блокируется до освобождения ПУ. Этой блокировки можно избежать, если в ПУ ввести триггер занятости (ТрЗ), опрашиваемый ЦП; если ТрЗ (флажок) занят при опросе ЦП, то программист может запрограммировать ЦП на продолжение выполнения программы, если это возможно для созданной им программы.

Например, в ЭВМ IBM PC с микропроцессором (МП) 80х86 существуют кокоманда in для чтения из порта ПУ данных (байта) в МП и команда out для записи в порт данных, поступающих из МП.

Главный недостаток прямого метода управления вводом-выводом заключается в низкой скорости обмена центральной части ЭВМ, состоящей из ЦП и внутренней памяти, с таким ПУ в том случае, когда требуется обменяться с этим ПУ относительно большим объемом данных, например, несколько десятков байт или более. Поэтому прямой метод используют для ПУ, интенсивность обмена с которым невысока, например, с таймером, системными часами и т.д., а сам обмен при этом производится побайтно или пословно.

2. Косвенный метод управления

Рис.2. Обобщенная схема косвенного управления

Канал является специальным процессором, который, получив определенную команду от ЦП, затем ведет обмен самостоятельно по своей программе. При реализации этого метода ЦП, канал и ПУ работают параллельно. Для синхронизации параллельной работы ЦП и канала используют различные средства:

1. флажок занятости канала, опрашиваемый ЦП;

2. вместо того, чтобы ЦП периодически опрашивал этот флажок, можно использовать запись команд для канала в специально выделенные ячейки ОП, откуда канал их сосчитает и начнет выполнять после завершения предыдущей операции (такой принцип использован в ЕС ЭВМ и в ЭВМ IBM 360/370);

3. прерывание от канала, поступающее в ЦП и возникающее при завершении каналом заданной ему операции или при его ошибке. Наиболее часто используется именно прерывание от канала и при этом происходит включение программы-обработчика прерывания, входящей в состав ядра ОС, причем очевидно, что этот процесс требует определенных временных затрат на работу ЦП. В том случае, когда объем данных, участвовавших в обмене, мал и составляет, например, не более 10 байт, расходы времени ЦП на подготовку и завершение этого обмена при использовании метода косвенного управления могут превысить аналогичные расходы ЦП при использовании метода прямого управления, т.к. в последнем случае отсутствует необходимость выполнения как самого прерывания, так и программы его обработки.

Использование буферов при проведении обменов

Скорость приема-передачи данных периферийным устройством как правиломного меньше скорости приема-передачи данных каналом. Для сглаживания эффекта несоответствия скоростей этих устройств между ними включают в работу один или несколь буферов, роль которых выполняют непрерывные области ОП.

Рис.3. Использование одного буфера в процессе обмена с ПУ

Буфер является критическим ресурсом в отношении программных и внешних процессов, которые при параллельном существовании информационно взаимодействуют.

Подсистема ОС, управляющая вводом-выводом, должна выполнять следующие функции:

• выделять и уничтожать буферы в ОП;

• определять их назначение (для ввода или для вывода);

• производить синхронизацию внешнего и программного процессов, взаимодействующих через буфер; цель синхронизации состоит в устранении возможности одновременного обращения этих процессов к буферу; например, программный процесс, заказавший считывание данных с некоторого ПУ, не должен обращаться к буферу, куда записываются данные с этого ПУ, до тех пор, пока эта передача не будет завершена; это может быть обеспечено с помощью так называемых семафоров.

При решении задачи синхронизации важным фактором является определение числа буферов, закрепляемых за отдельным каналом или ПУ, а также размер буфера, т.е. число байтов или слов в нем. Для устранения длительных задержек при ожидании наплнения буфера при передаче данных часто используют несколько буферов, порядок доступа к которым определяется подсистемой ОС, управляющей вводом-выводом.

Рис.4. Использование двух буферов в процессе обмена с ПУ

При определении длины буфера находят компромисс между эффективностью функционирования ПУ, канала и ОП. Каналу и внешнему ЗУ (ВЗУ) более "выгодны" большие порции данных, которые можно хранить непрерывными участками на носителях ВЗУ и пересылать за одну операцию ввода-вывода, реализуемую каналом: чем длиннее блок, тем дольше канал работает автономно от ЦП. Однако в отношении эффективности использования ОП требования к длине буфера противоположны, т.е. длина буфера должна быть сравнительно невелика при мультипрограммной работе ЭВМ, но в настоящее время ввиду значительного удешевления стоимости компонентов ОП и соответственно значительного возрастания объема ОП в современных ЭВМ длина буферов может выбираться сравнительно большой. На рис.5 изображена временная диаграмма, поясняющая возрастание производительности ЭВМ при использовании для обмена с ПУ двух буферов вместо одного.

Рис.5. Временная диаграмма использования двух буферов

При управлении буферами важным фактором является оперативность обновления данных в них. Во многих случаях оказывается выгодным для повышения эффективности вычислительного процесса данные, записанные в буфер программным процессом, не передавать сразу в ВЗУ. Так, в ОС UNIX на основе управления буферами строится программный аналог кэш-памяти при работе с ВЗУ. Физическая запись заполненных блоков (буферов) в ВЗУ производится только тогда, когда требуется свободный буфер, но все они оказываются занятыми. Такая задержка предполагает, что программным процессам через относительно небольшой промежуток времени необходимо будет сосчитать данные, которые были подготовлены ранее для записи в ВЗУ, но вместо этого хранятся пока в буферах. Очевидно, что в этом случае ввиду отсутствия обращения к ВЗУ для чтения запрошенных данных ввод этих данных с буферов будет произведен существенно быстрее, чем в случае, когда данные сразу были бы отправлены на хранение в ВЗУ.

Принципы, заложенные в подсистему управления вводом-выводом в ОС UNIX

• Эта подсистема построена единообразно с подсистемой управления данными (файловой системой). Пользователю предоставляется унифицированный способ доступа как к ПУ, так и к файлам. Под файлом в ОС UNIX понимают набор данных на диске, видеотерминале и т.д.; любое ПУ рассматривается как специальный файл. При запросе программного процесса о выводе данных в специальный файл ОС перехватывает запрос и аправляет данные на соответствующее устройство. Аналогично организуется чтение данных из специального файла - это прием данных с ПУ. Таким образом, доступ, например, к файлу на диске и к специальному файлу дисплея обеспечивается одним и тем же набором системных вызовов.

• Другая особенность подсистемы ввода-вывода в ОС UNIX заключается в том, что она работает как синхронная система. Любой прогаммный процесс, требующий ввода данных, приостанавливается в точке, где он выдал запрос, до тех пор, пока не завершится операция ввода из указанного специального файла. При выводе процесс приостанавливается в точке запроса на вывод данных вплоть до того момента, пока выводимые данные будут приняты системой в буфер пользователя. Такая организация вода-вывода приводит в мультипрограммном режиме работы ЭВМ к повышению эффективности использования времени ЦП вследствие уменьшения простоев этого ЦП. Заметим, что в системах реального времени (СРВ) чаще используется асинхронный принцип работы подсистемы ввода-вывода, так как в этом случае уменьшается время реакции СРВ на события, требующие немедленной обработки.

• Для управления ПУ в ОС UNIX используются 2 вида интерфейса с этими ПУ: байториентированный и блокориентированный. Блокориентированный интерфейс обеспечивает связь с ПУ, к которым можно адресоваться как к последовательности блоков по 512 байт. Такими ПУ в основном являются ВЗУ. Основой организации такого интерфейса является система буферизации, поддерживаемая в ОП. Байториентированный интерфейс используется для доступа к печатающему устройству, клавиатуре дисплея и некоторым другим устройствам, при этом буферизация не используется.

• В состав системы управления вводом-выводом входят также драйверы и набор специальных таблиц для логического подключения ядра ОС к драйверам различных устройств. Каждый драйвер содержит 2 части и может обслуживать несколько устройств одного типа. Первая часть драйвера содержит набор программных модулей для выполнения операций по открытию, закрытию, чтению и записи специальных файлов, а также для управления специальными режимами работы ПУ. Чтобы начать работать с некоторым устройством, необходимо открыть или создать специальный файл, сопоставляемый с этим устройством. Открытие файла - это процесс установления связи между именем файла и некоторой переменной, хранимой в области памяти того процесса, который открывает файл. Эта переменная, называемая номером дескриптора файла, используется далее в операциях над открытым файлом. После открытия файла процессу, проводившему открытие, разрешен доступ к устройству. Операция закрытия обратна по назначению и приводит к разрыву связи между программным процессом и указываемым ПУ. Вторая часть драйвера - это модуль обработки прерываний. При управлении большинством ПУ в ОС UNIX используется метод прерываний. Для байториентированного ПУ прерывание возникает после передачи байта, для блокориентированного ПУ - после передачи блока. Модуль обработки прерывания, являющийся частью драйвера, или прекращает работу с ПУ, или продолжает работу с ним, выдавая ему новое задание.

• Некоторые из изложенных принципов построения системы ввода-вывода ОС UNIX были реализованы в ОС, созданных позднее, например, в MS DOS, функционирующей в ЭВМ IBM РС с МП типа 80х86.

Рассмотрим еще одну особенность построения системы ввода-вывода. В мультипрограммном режиме работы ЭВМ, используемом в СРВ или в системах разделения времени, к одному и тому же ПУ может появиться очередь запросов от различных программ. Для организации последовательного выполнения этим ПУ поступивших к нему заявок на обслуживание в ОП должна быть организована специальная таблица, содержимое которой однозначно отображает в каждый момент времени очередность и содержание поступивших заявок; после выполнения ПУ очередной заявки данные о ней исключаются из рассматриваемой таблицы. Такие таблицы должны быть организованы для большинства ПУ, взаимодействующих с ЭВМ.

Лекция N 6

Система управления данными (файловая система)

Наличие в составе современных ЭВМ таких внешних запоминающих устройств (ВЗУ), которые способны хранить большие массивы данных в течение сколь угодно длительного времени, поставило перед разработчиками ОС задачу создания специальных систем по управлению данными. Такая система фактически является интерфейсом между процессами (системными и пользовательскими), с одной стороны, и данными, хранимыми в ВЗУ, с другой стороны, т.е. эта система должна обеспечить эти процессы комплексом услуг по управлению данными. Таким образом, система управления данными (СУД) - это фактически виртуальная система управления вводом-выводом данных, построенная на следующей базе:

1. существующей подсистемы управления вводом-выводом;

2. использования специальных аппаратных средств;

3. специальных информационных структур.