13

Операционные системы Лекция 10(Ввод-вывод)

Устройства ввода-вывода

Одна из важнейших функций операционной системы состоит в управлении всеми устройствами ввода-вывода компьютера. Операционная система должна давать этим устройствам команды, перехватывать прерывания и обрабатывать ошибки. Она должна также обеспечить простой и удобный интерфейс между устройствами и остальной частью системы. Интерфейс, насколько это возможно, должен быть одинаковым для всех устройств (для достижения независимости от применяемых устройств).

Операционная система управляет устройствами ввода-вывода. Программное обеспечение ввода-вывода составляет существенную часть операционной системы.

ОС имеет дело с интерфейсом, предоставляемым аппаратурой программному обеспечению, - команды, принимаемые аппаратурой, выполняемые ею функции и ошибки, о которых аппаратура может сообщить. В то же время программирование многих устройств ввода-вывода часто оказывается тесно связанным с их внутренним функционированием.

Устройства ввода-вывода можно разделить на две категории: блочные устройства и символьные устройства.

Блочными называются устройства, хранящие информацию в виде блоков фиксированного размера, причем у каждого блока имеется адрес. Обычно размеры блоков варьируются от 521 до 32 768 байт. Важное свойство блочного устройства состоит в том, что каждый его блок может быть прочитан независимо от остальных блоков. Наиболее распространенными блочными устройствами являются диски.

Другой тип устройств ввода-вывода - символьные устройства. Символьное устройство принимает или предоставляет поток символов без какой-либо блочной структуры. Оно не является адресуемым и не выполняет операцию поиска. Принтеры, сетевые интерфейсные карты, мыши и большинство других устройств, не похожих на диски, можно рассматривать как символьные устройства.

Некоторые устройства не попадают ни в одну из категорий. Например, часы не являются блок-адресуемыми. Они также не формируют и не принимают символьных потоков. Вся их работа состоит в инициировании прерываний в строго определенные моменты времени. Экраны отображения памяти также не попадает в рамки этой модели. И все же модель блочных и символьных устройств является настолько общей, что может использоваться в качестве основы для достижения независимости от устройств некоторого программного обеспечения операционных систем, имеющего дело с вводом-выводом. Например, файловая система имеет дело с абстрактными блочными устройствами, а зависимую от устройств часть составляет программному обеспечению низкого уровня.

Устройства ввода-вывода покрывают огромный диапазон скоростей, что создает определенные трудности для программного обеспечения, которому приходится обеспечивать хорошую производительность на скоростях передачи данных, различающихся несколькими порядками. Со временем у многих устройств появляются все более быстрые новые модели.

Контроллеры устройств

Устройства ввода-вывода обычно состоят из механической части и электронной части.

Электронный компонент устройства называется контроллером устройства или адаптером. В персональных компьютерах он часто принимает форму печатной платы, вставляемой в слот расширения. Плата контроллера обычно снабжается разъемом, к которому может быть подключен кабель, ведущий к самому устройству. Многие контроллеры способны управлять двумя, четырьмя или даже восемью идентичными устройствами. Если интерфейс между контроллером и устройством является стандартным, то есть официальным стандартом ANSI, IEEE или ISO, либо фактическим стандартом, тогда различные компании могут выпускать отдельно контроллеры и устройства, удовлетворяющие данному интерфейсу. Так, многие компании производят жесткие диски, соответствующие интерфейсу IDE или SCSI.

Интерфейс между устройством и контроллером является интерфейсом очень низкого уровня. Например, какой-нибудь жесткий диск может быть отформатирован по 256 секторов на дорожку, с размером секторов по 512 байт. В действительности с диска в контроллер поступает последовательный поток битов, начинающийся с заголовка сектора (преамбулы), за которым следует 4096 бит в секторе, и, наконец, контрольная сумма, также называемая кодом исправления ошибок (ЕСС, Error-Correcting Code). Заголовок сектора записывается на диск во время форматирования. Он содержит номера цилиндра и сектора, размер сектора, информацию синхронизации и т. п.

Работа контроллера заключается в конвертировании последовательного потока битов в блок байтов и выполнение коррекции ошибок, если это необходимо. Обычно байтовый блок собирается бит за битом в буфере контроллера. Затем проверяется контрольная сумма блока, и если она совпадает с указанной в заголовке сектора, блок объявляется считанным без ошибок, после чего он копируется в оперативную память.

Контроллер монитора (видеоадаптер) также работает как бит-последовательное устройство, на таком же низком уровне. Он считывает в памяти байты, содержащие символы, которые следует отобразить, и формирует сигналы, используемые для модуляции луча электронной трубки, заставляющие ее выводить изображение на экран. Видеоадаптер также формирует сигналы, управляющие горизонтальным и вертикальным возвратом электронного луча. Если бы не контроллер, программисту пришлось бы управлять перемещениями аналогового электронного луча. В действительности же операционная система всего лишь инициализирует контроллер, задавая небольшое число параметров, таких как количество символов или пикселей в строке и число строк на экране, а всю тяжелую работу по управлению передвижениями электронного луча по экрану выполняет контроллер.