Основные системные таблицы ввода/вывода
Каждая операционная система имеет свои таблицы ввода/вывода для того чтобы управлять вводом/выводом через операционную систему (ядро) и выполнять при этом механизм прерывания операционной системы должна иметь по крайней мере 3 системные таблицы.
Первая таблица оборудования содержит информацию обо всех устройствах ввода/вывода подключенных к системе.(Unit Control Block). UCB cодержит следующую информацию об устройстве:
1. тип устройства, его модель
2. подключение устройства ( через какой интерфейс, к какому разъёму, какие порты и линии прерывания используются)
3. указание на драйвер (адрес секции запуска)
4. информацию о буфере памяти
5. состояние устройств
6. указатель на дескриптор задачи использующий устройство в данный момент
2 таблица описания виртуальных (логических ) устройств.
Её назначение – устранение связи между виртуальными устройствами, описанными в таблице 1. 2 таблица позволяет ядру операционной системы перенаправлять запрос на ввод/вывод из приложения на те программные модули и страницы данных, которые (или адреса которых) хранятся в соответствующем элементе 1 таблицы.
В многопользовательских системах таких таблиц нет : одна общая и по одной на каждого пользователя.
3 таблица прерывания, которая для всех сигналов прерывания указывает тот или иной элемент 1 таблицы, который описывает устройство выполняющее эту линию прерывания. Эта таблица может в явном виде не присутствовать поскольку может из основной таблицы прерываний попасть на драйвер, именующий связи с элементом UCB.
Наличие связи между таблицами 1 и 3 .
Взаимосвязь изображают так:
| |||||||
|
| ||||||
 |
Управление вводом/выводом состоит в выполнении следующих действий :
Запрос на операции ввода/вывода от выполняющейся программы поступает в ядро операционной системы . Оно проверяет вызов на правильность и при отсутствии ошибок пересылает его в подсистему ввода/вывода.
Процесс ввода/вывода по логическому имени с помощью таблицы логических имен находит соответствующий элемент UCBтаблицы оборудования. Если устройство занято ,то дескриптор задачи от которой поступил запрос на ввод/вывод помещается в очередь ожидающих устройств. Если устройство свободно, то подсистема определяет по UCB тип устройства и передает управление соответствующему драйверу на секцию запуска. Драйвер инициализирует оптимизацию управления и возвращает управление диспетчеру задач , чтобы он поставил на процессор готовую к исполнению задачу , Когда устройство ввода/вывода обрабатывает команду оно поставляет запрос на прерывание , по которому через таблицу прерывания управление передается на секцию продолжения , получив новую команду устройство начинает её обрабатывать, а управление процессом передается диспетчеру задач и процессор продолжает полезную работу.
Таким образом осуществляется параллельное выполнение задач на фоне которого происходит управление операциями ввода/вывода.
Прямой доступ к памяти.
Третьей формой осуществления доступа к памяти является прямой доступ к памяти. В большинстве вычислительных систем он является основным способом передачи данных.
Он позволяет перемещать блоки данных из памяти или в неё без использования процессора. Модуль прямого доступа к памяти DMA способен дублировать функции процессора в частности отдавать управление системой для передачи данных по системной шине. Если процессор тоже нуждается в системной шине, то модуль DMA вынуждает процессор приостановить свою работу. Эта операция именуется захватом цикла, так как модуль DMA выполняет захват цикла шины. Работа модуля DMA представляется так:
 |
| |
|
|
|
|
Линия передачи данных
 | |||
 | |||
| |
Адресные линии
Запрос DMA
Подтверждение DMA
 | |||||
 | |||||
 | |||||
прерывание
чтение
 | |||
 |
запись
ЛЕКЦИЯ 12. ОС семейства Unix, Linux. История развития. Общие сведения. Установка и предварительное конфигурирование. ОС семейства Unix. Работа с пользователями: учетные записи, группы, ограничение пользователей
В момент, когда процессору необходимо произвести чтение или запись модуля данных он выполняет запрос модуля DMA передавая ему следующую информацию:
1) Какая операция чтения или записи запрашивается.
2) Адрес используемого УВВ (устройство ввода/вывода)
3) Начальный адрес считываемый или записываемый в области памяти хранящийся в адресном регистре DMA.
4) Число слов, которое необходимо прочесть или записать. Эта величина хранится в регистре счетчика данных в модуле DMA.
После этого процессор продолжает работу с другой программой, а модуль DMA минуя процессор передает весь блок данных непосредственно в память или считывает данные из нее. После передачи данных модуль DMA посылает процессору сигнал прерываний.
Таким образом, процессор включен в этот процесс лишь в начале и в конце передачи данных.
Конфигурирование прямого доступа к памяти может быть выполнено несколькими способами. Наиболее эффективны следующие:
СИСТЕМНАЯ ШИНА
|
|
|
|
|
|
|
Шина ввода/вывода
Обмен данными между DMA и УВВ происходит вне системной шины.
ФАЙЛОВЫЕ СИСТЕМЫ
Под файлом понимается набор данных, организованных в виде совокупности записей одинаковой структуры. Для управления этими данными создаются системы управления файлами. Возможность иметь дело с логическим уровнем структурных данных и операциями по их обработке предоставляет файловая система (ФС).
ФС - это набор спецификаций и соответствующее им программное обеспечение, которое отвечает за создание, уничтожение, организацию, чтение, запись, модификацию и перемещение файловой информации, а также за управление к доступам файлов. ФС определяет способ организации данных на диске или другом носителе информации. Пример: ФС FAT: реализации которой присутствуют в абсолютном большинстве операционных систем (ОП) для ПК. Все современные ОС имеют соответствующие системы управления файлами (СУФ). СУФ является основной подсистемой в ОС. Через СУФ осуществляется централизованное распределение дискового пространства и управления данными. Через СУФ пользователю предоставляются следующие возможности:
1) Создание, удаление, переименование и др. операции с именованными наборами данных из своих программ или посредством специальных управляющих программ реализующих функции интерфейса пользователя с его данными.
2) Работа с недисковыми периферийными устройствами как с файлами.
3) Обмен данными между файлами, между устройствами, между файлом и устройством и наоборот.
4) Работа с файлами с помощью обращений программных модулей СУФ (Application Program Interface). Часть функций API ориентирована на работу с файлами.
5) Защита файлов от несанкционированного доступа.
В ОС может быть несколько СУФ, чтобы иметь возможность работать с несколькими ФС. Основное назначение ФС и соответствующей ей СУФ - организация удобного доступа к данным организована как файл, т.е. вместо низкоуровневого доступа к данным с указанием конкретных физических адресов нужной записи используется логический доступ с указанием имени файла и записи в нем.
Термин ФС определяет принципы доступа к данным организованных в файле. А термин СУФ относится к конкретной реализации ФС, т.е. это комплекс программных модулей обеспечивающих работу с файлами конкретной ОС. В качестве примера можно привести ФС FAT (Fill Allocation Table), которая имеет множество реализаций как СУФ. Название FAT используется и по отношению к СУФ MS-DOS. В реализацию СУФ для OS/2, использующей основные принципы системы FAT наз. Super-FAT. Ее основные отличия - поддержка расширенных атрибутов для каждого файла.
Windows95/98 - VFAT.
СТРУКТУРА МАГНИТНОГО ДИСКА
Для того, чтобы с магнитного диска (МД) загрузить ОС и затем с ее помощью организовать работу СУФ были приняты специальные системные соглашения о структуре диска.
В самом первом секторе находятся данные о логической организации диска и программа с помощью которой находятся и загружаются программы загрузки ОС. Информация на МД размещается и передается блоками. Каждый блок называется сектором. Сектора расположены на концентрической дорожке поверхности диска. Каждая дорожка называется треком и образуется превращением МД под зафиксированным некоторым предопределяющем положением головки чтения/записи. Группы дорожек одного радиуса расположенные на поверхностях МД образуют цилиндр. Жесткие диски имеют по несколько десятков тысяч цилиндров, а на поверхности дискеты их 80. Каждый сектор состоит из поля данных и поля служебной информации, ограничивающей и идентифицирующей его. Размер сектора устанавливается контроллером или драйвером. В большинстве ОС размер сектора 512 байт. Физический адрес сектора на диске определяется с помощью трех координат [c-h-s], где с - номер цилиндра, h - номер рабочей поверхности диска, а s -номер сектора на дорожке. Номера цилиндра и поверхности диска номеруются с 0, а номер сектора с 1. Обмен информацией с дисками физически осуществляется только с секторами. Жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (partition), которые могут использоваться либо одной ОС, либо различными. Главное, что в каждом разделе может быть организована своя ФС. Разделы дисков могут быть двух типов (primary, extended - первичный и расширенный). Максимальное число первичных разделов 4, минимальное - 1. Если их несколько, то только один из них может быть активным. Именно загрузчику расположенному в активном разделе передается управление при включенном компьютере и загрузке ОС. Остальные первичные разделы в этом случае считаются скрытыми (hidden). Согласно спецификациям на диске может быть только один расширенный раздел, который в свою очередь может быть поделен на большое количество подразделов - логических дисков. С активного первичного раздела загружается программа загрузки ОС, называемая менеджером загрузки. Ее назначение - загрузить программу загрузки ОС из какого-нибудь другого раздела и с ее помощью загрузить саму ОС. Поскольку до загрузки ОС СУФ работать не может, то для указания загрузчика используются абсолютные адреса в формате [c-h-s]. По физическому адресу [0-0-1] на винчестере располагается главная загрузочная запись (Master Boot Record), содержащая внесистемный загрузчик (Non System Bootstrap), а также таблицу разделов. Эта запись равна ровно первому сектору, она размещается в памяти с адресом 0:7C00H, после чего управление передается коду программы, содержащемуся в первом секторе МД.
МД является основным средством загрузки диска, которое поддерживается BIOS. В MBR находится три важных элемента:
1) программа начальной загрузки
2) таблица описания разделов диска, располагается по смещению 0:1BE и занимает 64 байта
3) сигнатура MBR. Последние 2 байта MBR должны содержать число AA55h. По наличию этой сигнатуры BIOS проверяет, что первый блок был загружен успешно. Этот код выбран неслучайно. Его успешная проверка говорит о том, что все линии передачи данных могут передавать и нули и единицы.
Таблица разделов описывает размещение и характеристики разделов на жестком диске. Если она повреждена, то не только не будет загружена ОС, но и перестанут быть доступными все данные на диске.
| СМЕЩЕНИЕ | РАЗМЕР | СОДЕРЖАНИЕ |
| IBEh | Partition 1 Entry | |
| 1 CEh | Partition 2 Entry | |
| 1 DEh | Partition 3 Entry |