Управление данными в операционных системах
ТЕМА 2.4: ОБСЛУЖИВАНИЕ ВВОДА-ВЫВОДА
Управление данными включает следующие компоненты:
- долговременное планирование – организацию размещения данных на внешних постелях, их выборку и предоставление пользовательским программам;
- оперативное управление – распределение оперативной памяти под программы и данные, реализацию обмена данными между оперативной и внешней памятью;
- управление внешними устройствами ввода-вывода и размещения данных.
Траектория данных, обрабатываемых в компьютере, выглядит следующим образом:
- считывание (ввод) порции (блок) данных с накопителя (ВУ) и помещает его в область ОП (буфер);
- извлечение данных из буфера, их обработка и помещение обратно или в другой (выходной) буфер;
- после окончания обработки – вывод (запись) результатов на выходной накопитель также в форме одного или нескольких блоков.
Устройства, на которых осуществляется вывод данных из программы или с которых осуществляется ввод (это может быть одно и то же физическое устройство) могут быть подразделены на следующие типы:
- передачи информации битовым потоком;
- посимвольного обмена информации;
- передачи информации порциями (записями).
Базовый уровень ввода-вывода обеспечивает обмен с файлом, интерпретируемый как одномерный массив байтов с прямым последовательным доступом.
Для каждого файла система ведет указатель чтения/записи. При чтении (записи) n байтов указатель продвигается вперед по файлу на n байтов и устанавливается в позицию очередного читаемого (записываемого) символа.
В начале работы с файлом его создают или открывают. Открытые файлы имеют внутреннюю (в пределах данного процесса) нумерацию начиная с 0. Системный вызов, открывающий файл, возвращает номер открытого файла, который используется при чтении и записи. После того как файл открыт, к нему могут применяться функции чтения или записи. При чтении из файла последовательно читаются очередные байты, и возвращается число прочитанных байтов. Оно может оказаться меньше требуемого числа, если до конца файла осталось меньше байтов, чем требуется, или если устройство не передает такого числа байтов.
При записи в файл записываются очередные байты, расположенные в памяти процесса. Если возвращаемое после записи значение не равно числу записываемых байтов, это свидетельствует об ошибке. Если очередной записываемый байт оказывается за концом файла, то обеспечивается соответствующее увеличение размера файла.
Прямой доступ к файлу реализуется вызовом соответствующей функции, устанавливающей указатель чтения/записи в требуемую позицию. Позиционирование возможно в тех файлах, где оно допускается типом файла или природой внешнего устройства.
Процесс может управлять открытым файлом, получая и задавая значения его атрибутов, а также блокируя участки файла (или файла целиком) от доступа других процессов.
По окончании работы с файлом его следует закрыть. При завершении программы все открытые файлы закрываются автоматически.
Особенность каталога состоит в том, что запись в него может делать только система – программа может только читать элементы каталога.
Стандартный буферизованный ввод/вывод является надстройкой над базовым уровнем. Подобно базовому уровню, он интерпретирует файл (поток), как одномерный массив байтов с прямым доступом.
Потоки дают возможность обмениваться с файлом, буферизируя данные в памяти процесса. При чтении из потока происходит считывание блока данных из файла в буфер, а из буфера процессу передается столько байтов, сколько он запросил. Когда при очередном чтении из потока в буфере уже нет требуемых данных, происходит очередное считывание блока данных из файла в буфер. Аналогично при записи в поток передаваемые процессом данные накапливаются в буфере и передаются системе для записи в файл только после того, как буфер заполнится, при вызове специальной функции или при закрытии потока (кстати, при выключении компьютера содержимое буферов операционной системы теряется).
Когда процесс начинает работу, он получает открытые три стандартных потока: стандартный ввод (stdin - в Unix, CON - канал 0 в MS-DOS), стандартный вывод (stdout - в Unix, con - канал 1 в MS-DOS), стандартную диагностику (stderr - в Unix, канал 2 в MS-DOS). MS-DOS предоставляет дополнительно еще три стандартных потока - канал связи (aux - канал 3) и стандартное устройство печати (prn - канал 4). Стандартный ввод используется как устройство чтения по умолчанию, стандартный вывод - как устройство записи по умолчанию, стандартная диагностика - для вывода сообщений об ошибках.
В операционных системах средства ввода-вывода буферизированного обмена позволяют передавать символы, символьные строки, форматировать выводимую информацию. Как и на базовом уровне, возможна установка позиции в потоке.
Операционные системы предоставляют следующие системные вызовы: запрос на смену и получение имени текущего каталога; создание, открытие, закрытие, удаление, переименование и получение информации о файле или каталоге, позиционирование и них.
Управление вводом-выводом в полной мере воплощает в себе определение "ОС снаружи": ОС конструирует ресурсы высокого уровня - виртуальные устройства - и предоставляет пользователю интерфейс для работы с ними.
При всем многообразии внешних устройств ЭВМ и способов управления ими их программные интерфейсы могут быть сведены к трем основным моделям, определяющимся способом подключения устройств к ЭВМ:
1) регистры устройств;
2) контроллеры ввода-вывода;
3) прямой доступ к памяти;
4) каналы ввода-вывода;
5) процессоры ввода-вывода.
Устройство может быть подключено к процессору через регистры устройства, как показано на рисунке 17. Такое подключение применяется для устройств, которые имеют простое управление, и обмен с ними ведется небольшими порциями данных (байт, слово, двойное слово). Устройство может иметь большое число регистров, которые, однако, сводятся к трем основным типам: регистры состояния - для передачи в процессор информации о состоянии, регистры управления - для передачи на устройство команд, регистры данных - для обмена данными между процессором и устройством. Регистры управления и состояния, как правило, являются однонаправленными, регистры данных могут быть как одно-, так и двунаправленными. Регистры устройств являются расширением адресного пространства ЭВМ. Расширение это может быть как явным - с доступом при помощи команд работы с памятью типа MOV, так и неявным - с отдельной адресацией портов ввода-вывода и доступом при помощи специальных команд типа IN/OUT.
Рис 17. Прямое подключение устройства
Сколько-нибудь сложные по управлению устройства подсоединяются к ЭВМ через контроллеры ввода-вывода (устройства управления), причем один контроллер может обслуживать несколько однотипных устройств, как показано на рисунке 18. С точки зрения программного интерфейса это подключение ничем не отличается от предыдущего варианта, регистры контроллера выглядят для программы так же, как и регистры устройств.
Рис. 18. Подключение через контроллер
Быстродействие устройств много ниже быстродействия центрального процессора, поэтому обычно после выдачи команды на устройство программа должна дожидаться ее завершения. Программа может убедиться в завершении операции одним из двух способов: опросом или прерыванием. Опрос предполагает периодическое чтение регистра состояния устройства и проверку в нем признака завершения операции. Крайним случаем опроса является занятое ожидание - когда программа опрашивает устройство практически непрерывно, ничем другим не занимаясь. Помимо того, что при этом непроизводительно расходуется процессорное время, занятое ожидание еще и небезопасно: при отсутствии сигнала окончания от устройства (например, при сбое последнего) программа может "зависнуть" в состоянии занятого ожидания, а если она при этом была в непрерываемом состоянии - заблокировать работу всей системы.
Более действенным способом сигнализации об окончании операции является прерывание от устройства. При большом разнообразии механизмов прерываний в разных архитектурах вычислительных систем все они обеспечивают сохранение вектора состояния прерванного процесса и идентификацию устройства, приславшего прерывание. При использовании прерываний ОС после выдачи команды ввода-вывода на устройство переводит процесс в состояние ожидания. Прерывание, присланное устройством, обрабатывается ядром ОС, которое при этом разблокирует процесс, ожидающий завершения операции.
Для устройств, с которыми обмен ведется большими порциями информации, применяется прямой доступ к памяти (ПДП), показанный на рисунке 19. Контроллер ПДП работает параллельно с центральным процессором и обменивается данными прямо с оперативной памятью, минуя центральный процессор. Сам контроллер ПДП выглядит для программы как устройство с доступом через регистры. Программа должна его запрограммировать, записав в его регистры адрес области оперативной памяти, с которой происходит обмен, и размер блока данных, а затем запустить операцию, которая инициирует прямой обмен. Регистр данных контроллера ПДП при этом используется только для передачи управляющей информации. Об окончании обмена программа может узнать либо по прерыванию, либо опрашивая регистр состояния контроллера. Контроллер ПДП обычно содержит собственную буферную память для сглаживания разницы в быстродействии устройства и оперативной памяти. Напомним, что аппаратура ПДП обычно не обеспечивает динамическую трансляцию адресов. Поэтому ОС, получив от процесса запрос на выполнение операции ввода-вывода через ПДП, фиксирует в реальной памяти ту часть виртуального адресного пространства программы, с которой происходит обмен - до окончания обмена. Отметим также, что непрерывное виртуальное адресное пространство процесса может отображаться в несмежные страничные кадры реальной памяти, поэтому ОС может водить-выводить непрерывный с точки зрения процесса блок данных за несколько операций обмена.
Рис. 19. Подключение через контроллер ПДП
В сущности, и контроллер обычного устройства, и контроллер ПДП представляют собой специализированные процессорные устройства, но более полно это качество присуще каналу ввода-вывода. Каналы представляют собой специализированные процессоры, имеющие свою систему команд и работающие параллельно с центральным процессором, но использующие ту же оперативную память. В отличие от контроллеров, которые являются специализированными по типам устройств, каналы являются универсальными процессорами ввода-вывода, к одному каналу могут быть одновременно подсоединены контроллеры разных устройств. Работа канала во многом похожа на работу контроллера ПДП: канал программируется, а затем запускается операция, в ходе которой канал обеспечивает прямой обмен с оперативной памятью, минуя центральный процессор. Подключение через канал показано на рисунке 20.
Рис. 20. Подключение через канал ввода-вывода
Идея канала ввода-вывода, впервые реализованная в System/360 фирмы IBM, была впоследствии воплощена в ряде других архитектур. Ввиду своей продуктивности эта идея без концептуальных изменений была перенесена и в System/370, и в System/390,
Существует несколько типов каналов (селекторный, мультиплексный, байт-мультиплексный), предназначенных для подключения устройств с разными скоростями обмена, но для программиста все они выглядят одинаково. Средства программирования канала, во-первых, гораздо более мощные и гибкие, чем контроллера ПДП, во-вторых, позволяют унифицировать программирование ввода-вывода для различных устройств.
Выполнение операции ввода-вывода подразумевает совместное (параллельное или квазипараллельное) функционирование нескольких "субъектов": основной программы, выполняющейся на центральном процессоре (далее - программа ЦП), канала и устройства (далее - канал), аппаратного механизма прерываний и программы обработки прерываний. Программа ЦП формирует в оперативной памяти программу канала, сообщает системе ввода-вывода ее адрес, назначает Блок управления событием, в котором будет сделана отметка о завершении операции, и выдает команду "Начать ввод-вывод", адресующую канал и устройство. Канал проверяет готовность канала/устройства и начинает выполнение канальной программы. При этом команда "Начать ввод-вывод" завершается, и программа ЦП продолжает свое выполнение. Когда у программы ЦП возникает необходимость дождаться завершения операции, она опрашивает Блок управления событием. Если в нем есть отметка о выполнении, программа продолжает выполняться, в противном случае - переводится в состояние ожидания до появления отметки в Блоке управления событием. Канал при завершении операции сообщает системе ввода-вывода информацию о своем состоянии и инициирует прерывание по вводу-выводу. Аппаратный механизм прерывания сохраняет текущее состояние программы и обеспечивает передачу управления на программу обработки прерываний по вводу-выводу. Программа обработки прерываний распознает канал и устройство, пославшие прерывания, и передает управление на соответствующую ветвь обработки. Из информации о состоянии канала определяется причина прерывания. Выполняются действия по обработке соответствующей ситуации. Диагностическая информация может быть также записана в область памяти, доступную для программы ЦП. Если прерывание, сообщает об окончании операции, обработчик прерывания делает отметку в Блоке управления событием. Обработчик прерывания возвращает управление в прерванную программу. Программа ЦП, если это необходимо, анализирует диагностическую информацию о результатах выполнения операции.
Программа канала размещается в оперативной памяти и представляет собой массив канальных команд. Каждая команда канальной программы - структура данных фиксированной длины, содержащая код операции, адрес области памяти, с которой происходит обмен, код контроля доступа к памяти, признаки режима выполнения, объем передаваемых или принимаемых данных.
Различаются несколько типов операций: "чтение" (передача данных из устройства в память), "запись" (передача данных из памяти в устройство), "управление" (выполнение специфических операций на устройстве, например, перемотка магнитной ленты) - эти команды специфичны для устройств, устройство может иметь несколько модификаций одной команды. Общей для всех устройств является команда "уточнить состояние" - передача в память информации о состоянии устройства. Команда "переход в канале" на устройство не передается, она изменяет последовательность выполнения канальных команд. Код контроля доступа к памяти позволяет предотвратить вторжение процесса в операциях ввода-вывода в области памяти, принадлежащие другим процессам или ОС. Среди признаков режима выполнения наибольший интерес представляют три. Признак "цепочка команд" определяет продолжение программы канала в следующей команде. Признак "цепочка данных" задает выполнение следующей канальной команды как продолжения текущей: поле кода операции в ней игнорируется, но все остальные поля обновляются. Если отсутствуют признаки "цепочка команд" или "цепочка данных", канальная команда считается последней в программе. Признак "программно управляемое прерывание" задает генерацию прерывания при выборке каналом команды, содержащей этот признак, это дает возможность синхронизировать работу программы на центральном процессоре с выполнением канальной программы.
Взаимодействие между субъектами выполнения операции ввода-вывода происходит также через фиксированные адреса памяти, в которые записывается управляющая и диагностическая информация: Адресное слово канала, Слово состояния канала, Слово состояния программы.
Как и контроллер ПДП, канал не выполняет динамическую трансляцию адресов, кроме того, в системах, где процесс работает только в своей виртуальной памяти, не имея дела с реальными адресами, ОС транслирует программу канала, размещая результат трансляции в недоступной для процесса области. В этом случае процесс не может модифицировать программу канала в ходе ее выполнения.
Контроллер ПДП и канал ввода-вывода являются специализированными процессорами. Следующим шагом в интеллектуализации контроллеров ввода-вывода являются процессоры ввода-вывода - универсальные процессоры, выполняющие функции контроллера ввода-вывода. Впервые процессоры ввода-вывода были применены в вычислительной системе CDC-6600, считающейся первым суперкомпьютером. С тех пор процессоры ввода-вывода перестали быть прерогативой суперсистем и постепенно внедряются в системы ординарные (например, AS/400). Интерфейс процессора ввода-вывода не похож на интерфейс устройства в обычном понимании. Взаимодействие ОС с процессором ввода-вывода происходит через механизм обмена сообщениями, поддерживаемый микроядром. Данные могут передаваться как в составе сообщения, так и выбираться процессором ввода-вывода непосредственно из оперативной памяти. Взаимодействие через сообщения, естественно, занимает больше времени, чем управление вводом-выводом через контроллер или канал, но выигрыш в эффективности получается за счет переноса некоторых (иногда весьма значительных по объему) операций обработки данных в процессор ввода-вывода. Являясь универсальным процессором, процессор ввода-вывода работает под управлением своей собственной мини-ОС и программа управления устройством имеет статус приложения в этой ОС.