Операционные системы 2011, страница 5

С позиций уровней, расположенныхвыше, аппаратный уровень предоставляют т.н. физические ресурсы, или физическиеустройства вычислительной системы. Каждому физическому ресурсу соответствуютопределенные аппаратные компоненты компьютера и их характеристики. Физическимиресурсами являются процессор компьютера, оперативная память, внешние устройства,входящие в состав компьютера. Каждому физическому ресурсу вычислительной системыобычно соответствуют следующие характеристики:правила программного использования, определяющие возможностькорректного использования данного ресурса в программе (для процессоракомпьютера эти правила описывают машинный язык — систему команд11данного компьютера, на основании которой возможно построениеработающей программы, для внешнего устройства компьютера подобныеправила описывают способы программного управления даннымустройством, к примеру, это могут быть специальные команды вводавывода процессора);параметры физического ресурса, характеризующие его объемныехарактеристики и/или производительность (для процессора компьютератаким параметром может служить его тактовая частота, а для внешнегозапоминающего устройства — объем информации, которая может хранитьсяна данном устройстве и скорость доступа);степень использования данного физического ресурса в вычислительнойсистеме — это параметры, которые характеризуют степень занятости илииспользуемости данного физического ресурса (для процессора компьютератакой характеристикой является время его работы, затраченное навыполнение программ пользователей, для оперативного запоминающегоустройства это будет объем используемой памяти, для линий связи — это еезагруженность).В принципе нет единого правила формирования этих характеристик для любогофизического ресурса: они зависят от конкретного устройства компьютера, от архитектурыкомпьютера, от стратегии использования данного ресурса.

Так, например, для одного итого же внешнего устройства правила его программного использования могутсущественно отличаться от того, каким образом данное устройство подключено ккомпьютеру. Об этом более подробно будет рассказано несколько позднее, в пункте,посвященном внешним устройствам компьютера (см.

раздел 2). Тем не менее, данныехарактеристики служат для обеспечения взаимосвязи аппаратного уровня вычислительносистемы с последующими уровнями иерархии.Если мы будем рассматривать уровни организации вычислительной системы сточки зрения возможностей и средств программирования, то на аппаратном уровнепользователю вычислительной системы предоставлены в качестве средствпрограммирования система команд компьютера и аппаратные интерфейсы программноговзаимодействия с физическими ресурсами, что на самом деле практически полностьюсовпадает со средствами программирования, которые были доступны программистам наранних этапах освоения компьютеров первого поколения.1.1.3 Управление физическими ресурсами ВСУровень управления физическими ресурсами — это первый уровень системногопрограммного обеспечения вычислительной системы.

Его назначение — систематизацияи стандартизация правил программного использования физических ресурсов. Дляиллюстрации проблемы вернемся во времени к компьютерам первого поколения.Начальный этап зарождения вычислительной техники был этапом структурного «хаоса»:вычислительная система представлялась двухуровневой моделью, состоящей из уровняаппаратуры компьютера и уровня всего программного обеспечения. Программапользователя включала в себя как кодовую часть, реализующую решение конкретнойприкладной задачи, так и часть, которая обеспечивала взаимодействие с физическимиустройствами компьютера (в большинстве случаев речь шла об управлении внешнимиустройствами компьютера).

Программирование управления физическими устройствами —достаточно кропотливая работа, при которой необходимо учитывать сложную логикуорганизации взаимодействия с конкретным устройством компьютера. Для адаптациивозможности программы для работы с другими типами устройств требоваласьсущественная модификация кода программы в части, обеспечивающей это12взаимодействие, что приводило к существенным трудозатратам, а также снижалонадежность программы из-за роста риска внесения ошибок в логику ее работы.Частичным решением этих проблем стало появление специальных стандартныхпрограмм — драйверов физических ресурсов (или драйверов физических устройств).Драйвер физического устройства — программа, основанная на использовании командуправления конкретного физического устройства и предназначенная для организацииработы с данным устройством. Драйвер физического устройства скрывает от пользователядетальные элементы управления конкретным физическим устройством и предоставляетпользователю упрощенный программный интерфейс работы с устройством.

Интерфейсдрайвера физического устройства ориентирован на конкретные свойства устройства.Таким образом, в вычислительной системе, способной одновременно работать созначительным количеством устройств (устройства печати, устройства внешней памяти ит.п.), пользователю становится доступным спектр драйверов физических устройств,каждый из которых имеет свои особенности использования.

Драйвер физическогоустройства стал неотъемлемой частью самого физического устройства и в большинствеслучаев разрабатывался производителем устройства вместе с сами устройством.Совокупность драйверов физических устройств составляет уровень управленияфизическими устройствами вычислительной системы.

Уровень управленияфизическими устройствами стандартизует правила, по которым возможно внесение всистему новых драйверов устройств. Следует отметить, что в системе для одного и тогоже физического устройства возможно наличие нескольких различных драйверов, которыеимеют различные пользовательские интерфейсы, а также предоставляют различныевозможности. Примером может служить устройство магнитной лены, которое взависимости от драйвера может сохранять информацию либо в виде последовательностиблоков одинакового размера, либо в виде логических записей произвольного размера(Рис. 5).0123Драйвер AПоследовательность блоков одинакового размера.Всего занято 4 блока.Драйвер Bмаркерначала записиРис.

5.Запись произвольного размера.маркерконца записиПример зависимости от драйвера.Таким образом, на уровне управления физическими ресурсами (устройствами)вычислительной системы пользователю доступна система команд компьютера, а такжеинтерфейсы драйверов физических устройств компьютера.Появление уровня управления физическими устройствами упростило процессадаптации программы для работы с различными типами и разновидностями устройств, атакже существенно повысило надежность программирования и снизило уровеньтребований к программисту о знании специфики управления конкретными устройствами.Однако использование исключительно уровня драйверов физических устройств оставилоряд специфических проблем:13программист должен быть «знаком» со всеми интерфейсами драйверовиспользуемых физических устройств;программы пользователей, использующие конкретные драйверы физическихустройств, должны модифицироваться каждый раз, когда возникает необходимостьиспользовать другие физические устройства данного типа (это работа несоизмеримопроще той, которая выполнялась, когда внешнее устройство непосредственнопрограммировалось в программе пользователя, но, тем не менее, в программунеобходимо внести изменения, позволяющие использовать другой драйвер сдругими интерфейсами).1.1.4 Управление логическими/виртуальными ресурсамиРазвитием системного программного обеспечения стало появление уровняуправления логическими, или виртуальными, ресурсами (или устройствами).

В основуэтого уровня легло обобщение особенностей физических устройств одного вида исоздание драйверов, имеющих единые интерфейсы, посредством которых осуществляетсядоступ к различным физическим устройствам одного типа. Для этих целей в современныхвычислительных системах предусмотрена возможность программного создания ииспользования т.н. логических, или виртуальных, ресурсов (виртуальное —нечто реальнонесуществующее,неимеющеереальной,физическойорганизации).Логическое/виртуальное устройство (ресурс) — это устройство/ресурс, некоторыеэксплутационные характеристики которого (возможно все) реализованы программнымобразом. Современные вычислительные системы позволяют создавать разнообразныелогические/виртуальные устройства и соответствующие им драйверы.

Драйверлогического/виртуального ресурса — это программа, обеспечивающая существование ииспользование соответствующего ресурса. Для этих целей при его реализации возможноиспользование существующих драйверов физических и виртуальных устройств.Возможно построение достаточно развитой иерархии логических устройств. Например, наРис. 6 изображена упрощенная схема организации ввода-вывода в системе. Она включаетв себя многоуровневую иерархию виртуальных и физических устройств исоответствующих им драйверов, по степени обобщения которых можно выделитьследующие группы.A.

Драйверы физических устройств — обеспечивают доступ к конкретным физическимустройствам. Например, драйвер жесткого диска фирмы IBM модели Deskstar илидрайвер жесткого диска фирмы Seagate модели Barracuda 3. Каждый из данныхдрайверов имеет особенности, характеризующие конкретное устройство,отраженные в соответствующем интерфейсе.B. Драйверы виртуальных устройств определенного типа (например, драйвервиртуального диска), предоставляют обобщенные интерфейсы доступа кразнообразным физическим устройствам данного типа. Данные драйверы имеютсвязи с драйверами конкретных физических устройств данного типа. Запрос кданному драйверу виртуального устройства обычно транслируется драйверуконкретного физического устройства и, в конечном итоге, управляющие командыполучит само устройство. Кроме того, возможна «реализация» виртуальногоустройства определенного типа на устройствах других типов, например, возможнаорганизация работы с виртуальным диском, реализованном на пространствеоперативной памяти, в этом случае драйвер виртуального устройства имеет связь сдрайверами физических устройств других типов.C.