Контроллеры и драйверы

Каждое устройство ввода-вывода вычислительной системы – диск, принтер, монитор и т. п. – снабжено специализированным блоком управления, называемым контроллером. Контроллер взаимодействует с драйвером– системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Взаимодействие устройства ввода-вывода с операционной системой

Устройство, находящееся под управлением контроллера, может некоторое время выполнять свои операции автономно, не требуя внимания со стороны центрального процессора и операционной системы.

Даже самый примитивный контроллер, выполняющий простые функции, обычно тратит довольно много времени на самостоятельную работу после получения очередной команды от процессора.

Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра операционной системы (модулями подсистемы ввода-вывода, модулями системных вызовов, модулями подсистемы управления процессами и памятью и т.д.), а с другой стороны – с контроллером внешних устройств. Поэтому существует два типа интерфейсов: интерфейс «драйвер – ядро» и интерфейс «драйвер – устройство».

Интерфейс «драйвер – ядро» должен быть стандартным в любом случае, а интерфейс «драйвер – устройство» имеет смысл стандартизовать когда подсистема ввода-вывода не разрешает драйверу непосредственно взаимодействовать с аппаратурой контроллера, а выполняет эти операции самостоятельно. Драйвер в этом случае становится независимым от аппаратной платформы.

Для того, чтобы операционная система не испытывала недостатка в драйверах, необходимо наличие четкого, удобного и открытого интерфейса между драйверами и другими компонентами операционной системы. Это важно для того, чтобы драйверы писали не только разработчики ОС, но и производители внешних устройств.

Многослойное построение программного обеспечения, характерное для ОС вообще, оказывается особенно естественным и полезным при построении подсистем ввода-вывода. При большом разнообразии устройств ввода-вывода иерархическая структура программного обеспечения позволяет соблюсти баланс между двумя противоречивыми требованиями: с одной стороны, необходимо учесть все особенности каждого устройства, а с другой стороны, обеспечить единое логическое представление и унифицированный интерфейс для устройств всех типов.

При этом нижние слои подсистемы ввода-вывода должны включать индивидуальные драйверы, написанные для конкретных физических устройств, а верхние слои должны обобщать процедуры управления этими устройствами, представляя общий интерфейс если не для всех устройств, то, по крайней мере, для групп устройств, обладающих некоторыми общими характеристиками, например, для принтеров определенного производителя или для всех матричных принтеров и т. п.

Первоначально под драйвером понимался программный модуль, который:

· входит в состав ядра операционной системы, работая в привилегированном режиме;

· непосредственно управляет внешним устройством, взаимодействуя с его контроллером с помощью команд ввода-вывода компьютера;

· обрабатывает прерывания от контроллера устройства;

· предоставляет прикладному программисту удобный логический интерфейс работы с устройством, экранируя от него низкоуровневые детали управления устройством и организации его данных;

· взаимодействует с ядром операционной системы с помощью строго оговоренного интерфейса, описывающего формат передаваемых данных, структуру буферов, способы включения драйвера в состав ОС, способы вызова драйвера, набор общих процедур подсистемы ввода-вывода, которыми драйвер может пользоваться, и т.п.

По мере развития операционных систем наряду с традиционными драйверами в операционной системе появились так называемые высокоуровневые драйверы, которые располагаются в общей модели подсистемы ввода-вывода над традиционными драйверами.

Традиционные драйверы, которые стали называться аппаратными драйверами, низкоуровневыми драйверами или драйверами устройств, освобождаются от высокоуровневых функций и занимаются только низкоуровневыми операциями.

Высокоуровневые драйверы оформляются по тем же правилам, что и аппаратные драйверы. Единственным отличием является то, что высокоуровневые драйверы, как правило, не вызываются по прерываниям, так как взаимодействуют с управляемым устройством через посредничество аппаратных драйверов.

Разделение на аппаратные и высокоуровневые драйверы можно продемонстрировать на примере подсистемы сетевых устройств. Аппаратными драйверами у них являются драйверы сетевых адаптеров, которые выполняют функции низкоуровневых канальных протоколов (Ethernet, Frame Relay, ATM и др.). Эти драйверы выполняют простые функции – организуют передачу кадров данных между компьютерами одной физической сети.

Над ними располагается слой модулей (драйверов), которые реализуют функции более интеллектуальных сетевых протоколов (IP, IPX), которые могут обеспечить межсетевое взаимодействие. Над слоем драйверов сетевых протоколов располагается слой драйверов транспортных протоколов (TCP, UDP, SPX и др.). Еще выше располагается слой драйверов прикладного уровня, которые предоставляют пользователям сети конечные услуги по доступу к ресурсам сети.

В подсистеме управления дисками аппаратные драйверы поддерживают для верхних уровней представление диска как последовательного набора блоков одинакового размера (наиболее часто размером 512 байт), преобразуя вместе с контроллером номер блока в более сложный адрес, состоящий из номеров цилиндра, головки и сектора.

Однако такие понятия как «файл» и «файловая система», аппаратные драйверы дисков не поддерживают – эти удобные для пользователя абстракции создаются на более высоком уровне программным обеспечением файловых систем, которые в современных ОС также оформляются как драйвер, только высокоуровневый.

Для унификации представления различных файловых систем в подсистеме ввода-вывода может использоваться общий драйвер верхнего уровня, играющий роль диспетчера нескольких драйверов файловых систем. На рис. 2.6 в качестве примера показана структура драйверов дисковой подсистемы, реализованная в диспетчере VFS (Virtual File System), применяемом в операционных системах UNIX.

Рис. 2.6. Пример многослойной структуры драйверов дисковой подсистемы

Разнообразие устройств ввода-вывода делает особенно актуальной функцию операционной системы по созданию экранирующего логического интерфейса между периферийными устройствами и приложениями. Практически все ОС поддерживают в качестве основного такого интерфейса файловую модель периферийных устройств, когда любое устройство выглядит для прикладного программиста последовательным набором байт, с которым можно работать с помощью унифицированных системных вызовов (например, read и write), задавая имя файла-устройства и смещение от начала последовательности байт.

В подсистемах ввода-вывода для согласования скоростей обмена широко используется буферизация данных в оперативной памяти. Однако буферизация только на основе оперативной памяти оказывается недостаточной – разница между скоростью обмена с оперативной памятью, куда процессы помещают данные для обработки, и скоростью работы внешнего устройства часто становится слишком значительной, чтобы в качестве временного буфера использовать оперативную память – ее может просто не хватить. Для таких случаев часто используют в качестве буфера дисковый файл, называемый спул-файлом.

Типичным примером спулинга является организация вывода данных на принтер. Другим решением этой проблемы является использование большой буферной памяти в контроллерах внешних устройств.