Программная инженерия. 1 курс 1 семестр / Лекции / L-06.OrganizaciyaVVvSi

Ввод-вывод (input-output, IO/ВВ) в информатике — взаимодействие между обработчиком информации (например, компьютер) и внешним миром, который может представлять как человек (субъект), так и любая другая система обработки информации.

Ввод — сигнал или данные, полученные системой. Вывод — сигнал или данные, посланные ею (или из неё).

Термин также может использоваться как обозначение (или дополнение к обозначению) определенного действия: «выполнять ввод-вывод» означает выполнение операций ввода или вывода.

Устройства ВВ используются человеком (или другой системой) для взаимодействия с компьютером.

Например, клавиатуры и мыши — специально разработанные компьютерные устройства ввода, а мониторы и принтеры — компьютерные устройства вывода.

Устройства для взаимодействия между компьютерами, как модемы и сетевые карты, обычно служат устройствами ввода и вывода одновременно.

ВВ вычислительных систем — на него никто не обращает внимания. Всеобщий любимчик — процессор (ЦП), а подсистема ввода-вывода (ПВВ) рядом с ним — падчерица.

Вот пример: когда надо охарактеризовать производительность компьютера чаще всего начинают считать мегагерцы.

Между тем, пусть мегагерцы даже и показывают, как быстро "вертится" процессор, они все же мало что говорят о производительности вычислительной системы в целом.

Подсистема памяти (ПП), и то, как важна ее роль в общей производительности вычислительной системы.

Роль ВВ не менее значима.

Подсистема ВВ определяет время отклика и производительность большинства компьютеров.

Именно эти параметры больше всего волнуют заказчиков, даже если разработчикам процессоров нет до них дела.

Быстро приближается время, когда вычислительные системы, начиная от простейших ПК до самых быстрых суперкомпьютеров, будут использовать одну и ту же технологию микропроцессоров.

Тогда единственным их отличием станут системы вводавывода.

Примеры:

Система AS/400 обладала не очень уж быстрыми процессорами. Тем не менее, она прекрасно выглядела при сопоставлении с другими системами и, зачастую, могла посрамить систему с более быстрым процессором. Совершать такие подвиги ей позволяло и позволяет "секретное оружие" — одна из самых искусных и мощных подсистем ВВ.

Типы систем ВВ

Параллельная обработка ВВ 2

Основные функции подсистемы ввода-вывода (ВВ):

Организация параллельной работы устройств ВВ и ЦП.

Согласование скоростей обмена и кэширование данных.

Разделение устройств и данных между процессами.

Обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы.

Поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера.

Динамическая загрузка и выгрузка драйверов.

Поддержка нескольких файловых систем.

Поддержка синхронных и асинхронных операций ВВ.

Операционная

система

Интерфейс драйвер – ядро (Driver Kernel Interface, DKI)

Функции драйвера:

Обработка запросов записи-чтения от программного обеспечения управления устройствами. Постановка запросов в очередь

Проверка входных параметров запросов и обработка ошибок

Инициализация устройства и проверка статуса устройства

Управление энергопотреблением устройства.

Регистрация событий в устройстве

Выдача команд устройству и ожидание их выполнения возможно в блокированном состоянии до поступления прерывания от устройства

Проверка правильности завершения операции

Передача запрошенных данных и статуса завершенной операции

Обработка нового запроса при незавершенном предыдущем запросе (для реентерабельных драйверов)

Классификация устройств ввода-вывода

Драйвер

Контроллер

Внешнее устройство

Интерфейс драйвер – устройство (Driver Device Interface, DDI)

Аппаратный

низкоуровневый интерфейс контроллер – устройство

Типы устройств по функциональному назначению

Работающие с пользователем. Используются для связи с пользователем компьютера (принтеры, дисплеи, клавиатура, манипуляторы (мышь, джойстик и т. п.).

Работающие с компьютером. Используются для связи с электронным оборудованием (диски, магнитные ленты, датчики, контроллеры, преобразователи и т. п.).

Коммуникации. Используются для связи с удаленными устройствами (модемы, адаптеры цифровых линий и др.).

Типы устройств по принципам функционирования

Блочные, хранящие информацию в виде

адресуемых блоков фиксированного

размера и позволяющие работать с каждым блоком независимо от других блоков ( дисковые устройства).

Символьные, принимающие или предоставляющие поток символов без какой-либо структуры (принтеры, модемы, сетевые карты).

3

Gigabit Ethernet

Графический

монитор

Жесткий диск

Ethernet

Оптический диск

Сканер

Лазерный принтер

Гибкий диск

Модем

Мышь

Клавиатура

 Скорость передачи данных (на несколько порядков).

 Применение. Один и тот же тип устройства может требовать различного ПО и стратегии операционной системы (диск для хранения файлов приложений и файла подкачки, терминал пользователя и администратора).

 Сложность управления (для принтера относительно простой интерфейс управления, для диска – намного сложнее).

 Единицы передачи данных.

Данные могут передаваться блоками или потоком байтов или символов.

 Представление данных. Различные устройства используют разные схемы кодирования данных, включая различную кодировку символов и контроль четности.

 Условия ошибок. Природа ошибок,

способ сообщения о них, возможные ответы резко отличаются от одного устройства к другому.

Поток данных (stream) в программировании — абстракция, используемая для чтения или записи файлов, сокетов и т. п. в единой манере.

При запуске процесса ему предоставляются предопределённые стандартные потоки.

Потоки являются удобным унифицированным программным интерфейсом для чтения или записи файлов (в том числе специальных и, в частности, связанных с устройствами), сокетов и передачи данных между процессами.

Поддержка потоков включена в большинство языков программирования и во все современные операционные системы.

Возможность перенаправления потоков позволяет связывать различные программы, и придаёт системе гибкость, являющуюся частью философии Unix.

Считываемая и записываемая информация представляет собой

последовательность байтов – "поток" (stream).

Поток (в терминах Си) – это байтовая последовательность, передаваемая в процессе ввода-вывода.

Поток должен быть связан с каким-либо внешним устройством или файлом на диске. В терминологии Си это звучит так: поток должен быть направлен на какое-то устройство или файл (от источника информации к приёмнику информации).

В зависимости от того, откуда поступает считываемая информация или куда направляется записываемая информация, поток связывается с соответствующим устройством ввода вывода (клавиатура, дисплей, принтер и т.п.) или с именованной областью внешней памяти – файлом, если требуется долговременно хранить информацию либо получить доступ к хранимой информации.

При организации ввода-вывода в Си используется буферизация, то есть обмен информацией между программой и внешним устройством происходит не непосредственно, а через буфер –

специально выделяемую системой область оперативной памяти.

Буферизация ускоряет работу программы из-за уменьшения количества обращений к внешним устройствам.

Вбиблиотеке описана константа BUFSIZE, величина которой

512:

Поток – последовательность байт данных.

Поток байт, принимаемый программой, называется

«Классический» ввод/вывод

В языке Си определены три стандартных потока ввода-

вывода (для ОС Linux):

stdin – стандартное устройство ввода (клавиатура);

stdout – стандартное устройство вывода (экран);

stderr – стандартное устройство вывода сообщения об ошибках (также экран).

Простейший ввод-вывод:

getch() – ввод одного символа без отображения его на экране; getche() – ввод одного символа с отображением его на экране; putchar(int c) – вывод одного символа на экран.

Все эти функции требуют включения заголовочного файла

<conio.h>:

#include <conio.h>

Все остальные функции ввода/вывода определены в заголовочном файле <stdio.h>.

Ввод-вывод с экрана

Для ввода и вывода на экран используются функции scanf и printf соответственно, прототипы которых имеют следующий вид: int scanf (char *format, ...);

int printf(char *format, ...);

Вывод осуществляется функцией printf, которая имеет следующий синтаксис:

printf(<строка описания форматов> [, <список вывода>]);

Строка описания форматов состоит из обычных символов, специальных управляющих последовательностей символов и спецификаций формата.

Обычные символы и управляющие последовательности

просто копируются в стандартный выходной поток в порядке их появления.

Спецификации формата начинаются с символа % и

заканчиваются символом, определяющим тип выводимого значения. Кроме того, спецификации формата могут содержать символы и цифры для управления видом выводимого значения.

Список вывода состоит из переменных и/или констант,

значения которых должны быть выведены.

Количество спецификаций формата должно быть равно количеству выводимых значений, которые указываются в списке вывода. Если это условие не будет соблюдаться, выполнение функции может привести к непредсказуемым результатам.

Ввод осуществляется функцией scanf, которая имеет следующий синтаксис:

scanf(<строка описания форматов> [, <список ввода>]);

Строка описания форматов состоит из набора спецификаций формата, таких же, как для функции printf.

Список ввода состоит из адресов переменных, куда будут заноситься вводимые значения.

Адрес переменной вычисляется с помощью унарной операции &. Количество спецификаций формата должно быть равно количеству вводимых значений, которые указываются в списке ввода.

Функция scanf возвращает количество успешно введенных и преобразованных значений.

Функция printf возвращает количество символов, записанных в выходной поток.

В модификаторах формата функции printf() после символа % можно указывать строку цифр, задающую минимальную ширину поля вывода, например: %5d (для целых), %4.2f (две цифры после запятой для поля, шириной 4 символа).

double u=56.45674;

printf("\n%lf", u); printf("\n%4.2lf", u); printf("\n%4.3lf", u); printf("\n%5.1lf", u); printf("\n%6lf", u);

Аргументами функции printf() могут быть переменные, константы, выражения, вызовы функции.

Главное, чтобы их значения соответствовали заданной спецификации.

Управляют выводом специальные последовательности.

Например,

\n – новая строка

\t – горизонтальная табуляция

Если нужно напечатать сам символ %, то его нужно указать 2 раза.

printf("Только %d%% предприятий не работало. \n",5);

Получим: Только 5% предприятий не работало.

Можно использовать функцию printf() для нахождения кода ASCII некоторого символа.

printf("%c = %d\n", 'a', 'a');

Получим изображение и десятичный ASCII код символа 'a': a = 97

#include<stdio.h>

#include<conio.h> void main()

{

float f=125.0;

//Надежда на интеллект компилятора printf("\n??? %f %d %x %f", f, f, f, f);

//На компилятор не надейся. //Приводи тип в соответствие

printf("\n*** %f %d %x %f", f, (int)f, (int)f, f); getch();

}

Для вывода данных могут использоваться также функцию puts, которая выводит на экран дисплея строку символов, автоматически добавляя к ней символ перехода на начало новой строки.

puts("Печатаемая строка");

Функция putchar – выводит на экран дисплея один символ без добавления символа '\n '.

putchar('A');

putchar(65);

Функции ввода

Функция форматированного ввода scanf описывается: scanf ("управляющая строка", а1, а2, …, an);

Управляющая строка содержит только модификаторы форматов.

Аргументы (а1, а2, …, an) – адреса переменных, разделенные запятыми (перед именем переменной записывается символ &).

Исключение – строки символов. int course;

float grant;

char name[20]; //строка символов printf("Укажите курс, стипендию, имя \n"); scanf("%d%f%s", &course, &grant, name);

Функция scanf() ввод строки по формату %s производит только до первого пробела.

char name[20];

…………………….

scanf("%s", name); puts(name);

Для ввода фраз, состоящих из слов используется функция: gets(<ID строковой переменной>);

char name[20];

……………………

gets(name); puts(name);

Работа с файлами

Файл − блок информации на внешнем запоминающем устройстве компьютера, имеющий определённое логическое представление (начиная от простой последовательности битов или байтов и заканчивая объектом сложной СУБД), соответствующие ему операции чтения-записи и, как правило, фиксированное имя (символьное или числовое), позволяющее получить доступ к этому файлу и отличить его от других файлов

Работа с файлами реализуется средствами операционных систем (ОС, файловая подсистема ОС).

Многие ОС приравнивают к файлам и обрабатывают сходным образом и другие ресурсы:

области данных (необязательно на диске);

устройства — как физические, например, порты или принтеры, так и виртуальные (генератор случайных чисел);

потоки данных (именованный канал);

сетевые ресурсы, сокеты;

объекты ОС.