Многослойная (иерархическая) модель подсистемы ввода-вывода

Многослойность структуры, безусловно, облегчает решение большинства перечисленных в предыдущем разделе задач подсистемы ввода-вывода. Обобщенная структура подсистемы ввода-вывода показана на рис. 7.5 [13]. Как видно из рисунка, программное обеспечение подсистемы ввода-вывода делится не только на горизонтальные слои, но и на вертикальные.

В каждой вертикальной подсистеме – несколько слоев модулей. Нижний слой образует аппаратные драйверы, управляющие аппаратурой внешних устройств, осуществляя обмен байтами и блоками байтов. Как правило, этот слой программного обеспечения не имеет дела с вопросами логической организации данных, например, с файлами или сложными графическими объектами. Функции вышележащих слоев в значительной степени зависят от типа вертикальной подсистемы.

Наряду с модулями, отражающими специфику внешних устройств, в подсистеме ввода-вывода имеются модули универсального назначения. Эти модули организуют согласованную работу всех остальных компонентов подсистемы ввода-вывода, взаимодействие с пользовательскими процессами и другими подсистемами ОС. Эти организующие функции распределяются по всем уровням, образуя оболочку, называемую менеджером ввода-вывода.

Драйверы

Первоначально термин "драйвер" применялся в достаточно узком смысле – под драйвером понимается программный модуль, который:

• входит в состав ядра ОС, 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 другими модулями ядра ОС 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.

В описанной схеме драйверы не делились на слои. Постепенно, по мере развития операционных систем и усложнения структуры подсистемы ввода-вывода, наряду с традиционными драйверами в ОС появились так называемые высокоуровневые драйверы, которые располагаются в общей модели подсистемы ввода-вывода над традиционными драйверами. Появление таких драйверов можно считать развитием идеи многоуровневой организации подсистемы ввода-вывода, когда ее функции декомпозируются между несколькими модулями в соседних слоях иерархии (таких примеров много, например семиуровневая модель сетевых протоколов).

Традиционные драйверы, которые стали называть аппаратными, низкоуровневыми или драйверами устройств, освобождаются от высокоуровневых функций и занимаются только низкоуровневыми операциями. Эти низкоуровневые операции составляют фундамент, на котором можно построить тот или иной набор операций в драйверах более высоких уровней.

При таком подходе повышается гибкость и расширяемость функции по управлению устройством. Например, если различным приложениям необходимо работать с различными логическими модулями одного и того же физического устройства, то для этого в системе достаточно установить несколько драйверов на одном уровне, работающих над одним аппаратным драйвером. Несколько драйверов, управляющих одним устройством, но на разных уровнях, можно рассматривать как один многоуровневый драйвер.

На практике используют от двух до пяти уровней драйверов, поскольку с увеличением числа уровней снижается скорость выполнения операций ввода-вывода.

Файловые системы. Основные понятия

необходимо хранить данные на устройствах компьютеров (диски, ленты и др.) с соблюдением следующих требований [13].

1. Устройства должны позволять хранить очень большие объемы данных. К таким устройствам относятся жесткие магнитные диски, магнитные ленты, оптические и магнитооптические диски.
2. Информация должна длительно и надежно сохраняться после прекращения работы процесса, использующего эту информацию. Долговременность хранения обеспечивается применением запоминающих устройств, не зависящих от электропитания, а высокая надежность определяется соответствующей организацией операционной системы.
3. Несколько процессов должны иметь возможность получения одновременного доступа к информации, т.е. должно быть обеспечено совместное использование данных.

Решение этих проблем состоит в хранении информации, организованной в файлы. Файл – это именованная совокупность данных, хранящаяся на каком-либо носителе информации.

При рассмотрении отдельных файлов и их совокупностей используются следующие понятия.

1. Поле (Field) – основной элемент данных. Поле содержит единственное значение, такое как имя служащего, дату, значение некоторого показателя и т.п. Поле характеризуется длиной и типом данных и может быть фиксированной или переменной длины, т.е. состоять из нескольких подполей: имя поля, значение, длина поля.
2. Запись (Record) – набор связанных между собой полей, которые могут быть обработаны как единое целое некоторой прикладной программой (например, запись о сотруднике, содержащая такие поля, как имя, должность, оклад и т.д.). В зависимости от структуры записи могут быть фиксированной или переменной длины.
3. Файл (File) – совокупность однородных записей. Файл рассматривается как единое целое приложениями и пользователем. Обращение к файлу осуществляется по его имени. Пользователь (программист) должен иметь удобные средства работы с файлами, включая каталоги-справочники, объединяющие файлы в группы, средства поиска файла по различным признакам, набор команд для создания, модификации и удаления файлов. Файл может быть создан одним пользователем, а затем использоваться другим, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. В некоторых системах управления доступом осуществляется на уровне записи, а иногда и на уровне поля.
4. База данных (database) – набор связанных между собой данных, представленных совокупностью файлов одного или несколько типов. Обычно существует отдельная система управления базой данных (СУБД), независимая от операционной системы, но, тем не менее, она почти всегда использует некоторые программы управления файлами.

Обычно единственным способом работы с файлами является применение системы управления файлами или иначе – файловой системы (ФС).

Файловая система – это часть операционной системы, включающая:

• совокупность всех файлов на носителе информации (магнитном или оптическом диске, магнитной ленте и др.);
• наборы структур данных, используемых для управления файлами, каталоги и дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске и др.);
• комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами (создание, уничтожение, чтение, запись и др.).

Задачи, решаемые файловой системой, во многом определяются способом организации вычислительного процесса (наиболее простые – в однопрограммных и однопользовательских ОС, наиболее сложные – в сетевых ОС.).

В мультипрограммных, многопользовательских ОС задачами файловой системы являются [10]:

• соответствие требованиям управления данными и требованиям со стороны пользователей, включающим возможность хранения данных и выполнения операций с ними;
• гарантирование корректности данных, содержащихся в файле;
• оптимизация производительности, как с точки зрения системы (пропускная способность), так и с точки зрения пользователя (время отклика);
• поддержка ввода-вывода для различных типов устройств хранения информации;
• минимизация или полное исключение возможных потерь или повреждений данных;
• защита файлов от несанкционированного доступа;
• обеспечение поддержки совместного использования файлов несколькими пользователями (в том числе средства блокировки файла и его частей, исключение тупиков, согласование копий и т.п.);
• обеспечение стандартизированного набора подпрограмм интерфейса ввода-вывода.

Минимальным набором требований к файлам системы со стороны пользователя диалоговой системы общего назначения можно считать следующую совокупность возможностей, предоставляемую пользователю:

1. создание, удаление, чтение и изменение файлов;
2. контролируемый доступ к файлам других пользователей;
3. управление доступом к своим файлам;
4. реструктурирование файлов в соответствии с решаемой задачей;
5. перемещение данных между файлами;
6. резервирование и восстановление файлов в случае повреждения;
7. доступ к файлам по символьным именам.