Не вдаваясь в детали этих различий, мы выделим некоторые общие черты контроллеров, необходимые им для взаимодействия с вычислительной системой. Обычно каждый контроллер имеет по крайней мере четыре внутренних регистра, называемых регистрами состояния, управления, входных данных и выходных данных. Для доступа к содержимому этих регистров вычислительная система может использовать один или несколько портов, что для нас не существенно. Для простоты изложения будем считать, что каждому регистру соответствует свой порт.
Регистр состояния содержит биты, значение которых определяется состоянием устройства ввода-вывода и которые доступны только для чтения вычислительной системой. Эти биты индицируют завершение выполнения текущей команды на устройстве (бит занятости), наличие очередного данного в регистре выходных данных (бит готовности данных), возникновение ошибки при выполнении команды (бит ошибки) и т.д.
Регистр управления получает данные, которые записываются вычислительной системой для инициализации устройства ввода-вывода или выполнения очередной команды, а также изменения режима работы устройства. Часть битов в этом регистре может быть отведена под код выполняемой команды, часть битов будет кодировать режим работы устройства, бит готовности команды свидетельствует о том, что можно приступить к ее выполнению.
Регистр выходных данных служит для помещения в него данных для чтения вычислительной системой, а регистр входных данных предназначен для помещения в него информации, которая должна быть выведена на устройство. Обычно емкость этих регистров не превышает ширину линии данных (а чаще всего меньше ее), хотя некоторые контроллеры могут использовать в качестве регистров очередь FIFO для буферизации поступающей информации.
Разумеется, набор регистров и составляющих их битов приблизителен, он призван послужить нам моделью для описания процесса передачи информации от вычислительной системы к внешнему устройству и обратно, но в том или ином виде он обычно присутствует во всех контроллерах устройств.
13.4. Опрос устройств и прерывания. Исключительные ситуации и системные вызовы
Построив модель контроллера и представляя себе, что скрывается за словами "прочитать информацию из порта" и "записать информацию в порт", мы готовы к рассмотрению процесса взаимодействия устройства и процессора. Как и в предыдущих случаях, примером нам послужит команда записи, теперь уже записи или вывода данных на внешнее устройство. В нашей модели для вывода информации, помещающейся в регистр входных данных, без проверки успешности вывода процессор и контроллер должны связываться следующим образом.
1. Процессор в цикле читает информацию из порта регистра состояний и проверяет значение бита занятости. Если бит занятости установлен, то это означает, что устройство еще не завершило предыдущую операцию, и процессор уходит на новую итерацию цикла. Если бит занятости сброшен, то устройство готово к выполнению новой операции, и процессор переходит на следующий шаг.
2. Процессор записывает код команды вывода в порт регистра управления.
3. Процессор записывает данные в порт регистра входных данных.
4. Процессор устанавливает бит готовности команды. В следующих шагах процессор не задействован.
5. Когда контроллер замечает, что бит готовности команды установлен, он устанавливает бит занятости.
6. Контроллер анализирует код команды в регистре управления и обнаруживает, что это команда вывода. Он берет данные из регистра входных данных и инициирует выполнение команды.
7. После завершения операции контроллер обнуляет бит готовности команды.
8. При успешном завершении операции контроллер обнуляет бит ошибки в регистре состояния, при неудачном завершении команды – устанавливает его.
9. Контроллер сбрасывает бит занятости.
При необходимости вывода новой порции информации все эти шаги повторяются. Если процессор интересует, корректно или некорректно была выведена информация, то после шага 4 он должен в цикле считывать информацию из порта регистра состояний до тех пор, пока не будет сброшен бит занятости устройства, после чего проанализировать состояние бита ошибки.
Как видим, на первом шаге (и, возможно, после шага 4) процессор ожидает освобождения устройства, непрерывно опрашивая значение бита занятости. Такой способ взаимодействия процессора и контроллера получил название polling или, в русском переводе, способа опроса устройств. Если скорости работы процессора и устройства ввода-вывода примерно равны, то это не приводит к существенному уменьшению полезной работы, совершаемой процессором. Если же скорость работы устройства существенно меньше скорости процессора, то указанная техника резко снижает производительность системы и необходимо применять другой архитектурный подход.
Для того чтобы процессор не дожидался состояния готовности устройства ввода-вывода в цикле, а мог выполнять в это время другую работу, необходимо, чтобы устройство само умело сигнализировать процессору о своей готовности. Технический механизм, который позволяет внешним устройствам оповещать процессор о завершении команды вывода или команды ввода, получил название механизма прерываний.
В простейшем случае для реализации механизма прерываний необходимо к имеющимся у нас шинам локальной магистрали добавить еще одну линию, соединяющую процессор и устройства ввода-вывода – линию прерываний. По завершении выполнения операции внешнее устройство выставляет на эту линию специальный сигнал, по которому процессор после выполнения очередной команды (или после завершения очередной итерации при выполнении цепочечных команд, т.е. команд, повторяющихся циклически со сдвигом по памяти) изменяет свое поведение. Вместо выполнения очередной команды из потока команд он частично сохраняет содержимое своих регистров и переходит на выполнение программы обработки прерывания, расположенной по заранее оговоренному адресу. При наличии только одной линии прерываний процессор при выполнении этой программы должен опросить состояние всех устройств ввода-вывода, чтобы определить, от какого именно устройства пришло прерывание (polling прерываний), выполнить необходимые действия (например, вывести в это устройство очередную порцию информации или перевести соответствующий процесс из состояния ожидание в состояние готовность) и сообщить устройству, что прерывание обработано (снять прерывание).
В большинстве современных компьютеров процессор стараются полностью освободить от необходимости опроса внешних устройств, в том числе и от определения с помощью опроса устройства, сгенерировавшего сигнал прерывания. Устройства сообщают о своей готовности процессору не напрямую, а через специальный контроллер прерываний, при этом для общения с процессором он может использовать не одну линию, а целую шину прерываний. Каждому устройству присваивается свой номер прерывания, который при возникновении прерывания контроллер прерывания заносит в свой регистр состояния и, возможно, после распознавания процессором сигнала прерывания и получения от него специального запроса выставляет на шину прерываний или шину данных для чтения процессором. Номер прерывания обычно служит индексом в специальной таблице прерываний, хранящейся по адресу, задаваемому при инициализации вычислительной системы, и содержащей адреса программ обработки прерываний – векторы прерываний. Для распределения устройств по номерам прерываний необходимо, чтобы от каждого устройства к контроллеру прерываний шла специальная линия, соответствующая одному номеру прерывания. При наличии множества устройств такое подключение становится невозможным, и на один проводник (один номер прерывания) подключается несколько устройств. В этом случае процессор при обработке прерывания все равно вынужден заниматься опросом устройств для определения устройства, выдавшего прерывание, но в существенно меньшем объеме. Обычно при установке в систему нового устройства ввода-вывода требуется аппаратно или программно определить, каким будет номер прерывания, вырабатываемый этим устройством.
Рассматривая кооперацию процессов и взаимоисключения, мы говорили о существовании критических секций внутри ядра операционной системы, при выполнении которых необходимо исключить всякие прерывания от внешних устройств. Для запрещения прерываний, а точнее, для невосприимчивости процессора к внешним прерываниям обычно существуют специальные команды, которые могут маскировать (запрещать) все или некоторые из прерываний устройств ввода-вывода. В то же время определенные кризисные ситуации в вычислительной системе (например, неустранимый сбой в работе оперативной памяти) должны требовать ее немедленной реакции. Такие ситуации вызывают прерывания, которые невозможно замаскировать или запретить и которые поступают в процессор по специальной линии шины прерываний, называемой линией немаскируемых прерываний (NMI – Non-Maskable Interrupt).
Не все внешние устройства являются одинаково важными с точки зрения вычислительной системы ("все животные равны, но некоторые равнее других"). Соответственно, некоторые прерывания являются более существенными, чем другие. Контроллер прерываний обычно позволяет устанавливать приоритеты для прерываний от внешних устройств. При почти одновременном возникновении прерываний от нескольких устройств (во время выполнения одной и той же команды процессора) процессору сообщается номер наиболее приоритетного прерывания для его обслуживания в первую очередь. Менее приоритетное прерывание при этом не пропадает, о нем процессору будет доложено после обработки более приоритетного прерывания. Более того, при обработке возникшего прерывания процессор может получить сообщение о возникновении прерывания с более высоким приоритетом и переключиться на его обработку.
Механизм обработки прерываний, по которому процессор прекращает выполнение команд в обычном режиме и, частично сохранив свое состояние, отвлекается на выполнение других действий, оказался настолько удобен, что зачастую разработчики процессоров используют его и для других целей. Хотя эти случаи и не относятся к операциям ввода-вывода, мы вынуждены упомянуть их здесь, для того чтобы их не путали с прерываниями. Похожим образом процессор обрабатывает исключительные ситуации и программные прерывания.
Для внешних прерываний характерны следующие особенности.
- Внешнее прерывание обнаруживается процессором между выполнением команд (или между итерациями в случае выполнения цепочечных команд).
- Процессор при переходе на обработку прерывания сохраняет часть своего состояния перед выполнением следующей команды.
- Прерывания происходят асинхронно с работой процессора и непредсказуемо, программист никоим образом не может предугадать, в каком именно месте работы программы произойдет прерывание.
Исключительные ситуации возникают во время выполнения процессором команды. К их числу относятся ситуации переполнения, деления на ноль, обращения к отсутствующей странице памяти (см. лекцию 3) и т.д. Для исключительных ситуаций характерно следующее.
- Исключительные ситуации обнаруживаются процессором во время выполнения команд.
- Процессор при переходе на выполнение обработки исключительной ситуации сохраняет часть своего состояния перед выполнением текущей команды.
- Исключительные ситуации возникают синхронно с работой процессора, но непредсказуемо для программиста, если только тот специально не заставил процессор делить некоторое число на ноль.
Программные прерывания возникают после выполнения специальных команд, как правило, для выполнения привилегированных действий внутри системных вызовов. Программные прерывания имеют следующие свойства.
- Программное прерывание происходит в результате выполнения специальной команды.
- Процессор при выполнении программного прерывания сохраняет свое состояние перед выполнением следующей команды.
- Программные прерывания, естественно, возникают синхронно с работой процессора и абсолютно предсказуемы программистом.
Надо сказать, что реализация похожих механизмов обработки внешних прерываний, исключительных ситуаций и программных прерываний лежит целиком на совести разработчиков процессоров. Существуют вычислительные системы, где все три ситуации обрабатываются по-разному.
13.5. Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access – DMA)
Использование механизма прерываний позволяет разумно загружать процессор в то время, когда устройство ввода-вывода занимается своей работой. Однако запись или чтение большого количества информации из адресного пространства ввода-вывода (например, с диска) приводят к большому количеству операций ввода-вывода, которые должен выполнять процессор. Для освобождения процессора от операций последовательного вывода данных из оперативной памяти или последовательного ввода в нее был предложен механизм прямого доступа внешних устройств к памяти – ПДП или Direct Memory Access – DMA. Давайте кратко рассмотрим, как работает этот механизм.
Для того чтобы какое-либо устройство, кроме процессора, могло записать информацию в память или прочитать ее из памяти, необходимо чтобы это устройство могло забрать у процессора управление локальной магистралью для выставления соответствующих сигналов на шины адреса, данных и управления. Для централизации эти обязанности обычно возлагаются не на каждое устройство в отдельности, а на специальный контроллер – контроллер прямого доступа к памяти. Контроллер прямого доступа к памяти имеет несколько спаренных линий – каналов DMA, которые могут подключаться к различным устройствам. Перед началом использования прямого доступа к памяти этот контроллер необходимо запрограммировать, записав в его порты информацию о том, какой канал или каналы предполагается задействовать, какие операции они будут совершать, какой адрес памяти является начальным для передачи информации и какое количество информации должно быть передано. Получив по одной из линий – каналов DMA, сигнал запроса на передачу данных от внешнего устройства, контроллер по шине управления сообщает процессору о желании взять на себя управление локальной магистралью. Процессор, возможно, через некоторое время, необходимое для завершения его действий с магистралью, передает управление ею контроллеру DMA, известив его специальным сигналом. Контроллер DMA выставляет на адресную шину адрес памяти для передачи очередной порции информации и по второй линии канала прямого доступа к памяти сообщает устройству о готовности магистрали к передаче данных. После этого, используя шину данных и шину управления, контроллер DMA, устройство ввода-вывода и память осуществляют процесс обмена информацией. Затем контроллер прямого доступа к памяти извещает процессор о своем отказе от управления магистралью, и тот берет руководящие функции на себя. При передаче большого количества данных весь процесс повторяется циклически.
При прямом доступе к памяти процессор и контроллер DMA по очереди управляют локальной магистралью. Это, конечно, несколько снижает производительность процессора, так как при выполнении некоторых команд или при чтении очередной порции команд во внутренний кэш он должен поджидать освобождения магистрали, но в целом производительность вычислительной системы существенно возрастает.
При подключении к системе нового устройства, которое умеет использовать прямой доступ к памяти, обычно необходимо программно или аппаратно задать номер канала DMA, к которому будет приписано устройство. В отличие от прерываний, где один номер прерывания мог соответствовать нескольким устройствам, каналы DMA всегда находятся в монопольном владении устройств.
13.6. Логические принципы организации ввода-вывода
Рассмотренные в предыдущем разделе физические механизмы взаимодействия устройств ввода-вывода с вычислительной системой позволяют понять, почему разнообразные внешние устройства легко могут быть добавлены в существующие компьютеры. Все, что необходимо сделать пользователю при подключении нового устройства, - это отобразить порты устройства в соответствующее адресное пространство, определить, какой номер будет соответствовать прерыванию, генерируемому устройством, и, если нужно, закрепить за устройством некоторый канал DMA. Для нормального функционирования hardware этого будет достаточно. Однако мы до сих пор ничего не сказали о том, как должна быть построена подсистема управления вводом-выводом в операционной системе для легкого и безболезненного добавления новых устройств и какие функции вообще обычно на нее возлагаются.
13.7. Структура системы ввода-вывода
Если поручить неподготовленному пользователю сконструировать систему ввода-вывода, способную работать со всем множеством внешних устройств, то, скорее всего, он окажется в ситуации, в которой находились биологи и зоологи до появления трудов Карла Линнея. Все устройства разные, отличаются по выполняемым функциям и своим характеристикам, и кажется, что принципиально невозможно создать систему, которая без больших постоянных переделок позволяла бы охватывать все многообразие видов. Вот перечень лишь нескольких направлений (далеко не полный), по которым различаются устройства.
- Скорость обмена информацией может варьироваться в диапазоне от нескольких байтов в секунду (клавиатура) до нескольких гигабайтов в секунду (сетевые карты).
- Одни устройства могут использоваться несколькими процессами параллельно (являются разделяемыми), в то время как другие требуют монопольного захвата процессом.
- Устройства могут запоминать выведенную информацию для ее последующего ввода или не обладать этой функцией. Устройства, запоминающие информацию, в свою очередь, могут дифференцироваться по формам доступа к сохраненной информации: обеспечивать к ней последовательный доступ в жестко заданном порядке или уметь находить и передавать только необходимую порцию данных.
- Часть устройств умеет передавать данные только по одному байту последовательно (символьные устройства), а часть устройств умеет передавать блок байтов как единое целое (блочные устройства).
- Существуют устройства, предназначенные только для ввода информации, устройства, предназначенные только для вывода информации, и устройства, которые могут выполнять и ввод, и вывод.
В области технического обеспечения удалось выделить несколько основных принципов взаимодействия внешних устройств с вычислительной системой, т.е. создать единый интерфейс для их подключения, возложив все специфические действия на контроллеры самих устройств. Тем самым конструкторы вычислительных систем переложили все хлопоты, связанные с подключением внешней аппаратуры, на разработчиков самой аппаратуры, заставляя их придерживаться определенного стандарта.
Похожий подход оказался продуктивным и в области программного подключения устройств ввода-вывода. Подобно тому, как Линнею удалось заложить основы систематизации знаний о растительном и животном мире, разделив все живое в природе на относительно небольшое число классов и отрядов, мы можем разделить устройства на относительно небольшое число типов, отличающихся по набору операций, которые могут быть ими выполнены, считая все остальные различия несущественными. Мы можем затем специфицировать интерфейсы между ядром операционной системы, осуществляющим некоторую общую политику ввода-вывода, и программными частями, непосредственно управляющими устройствами, для каждого из таких типов. Более того, разработчики операционных систем получают возможность освободиться от написания и тестирования этих специфических программных частей, получивших название драйверов, передав эту деятельность производителям самих внешних устройств. Фактически мы приходим к использованию принципа уровневого или слоеного построения системы управления вводом-выводом для операционной системы (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Структура системы ввода-вывода
Два нижних уровня этой слоеной системы составляет hardware: сами устройства, непосредственно выполняющие операции, и их контроллеры, служащие для организации совместной работы устройств и остальной вычислительной системы. Следующий уровень составляют драйверы устройств ввода-вывода, скрывающие от разработчиков операционных систем особенности функционирования конкретных приборов и обеспечивающие четко определенный интерфейс между hardware и вышележащим уровнем - уровнем базовой подсистемы ввода-вывода, которая, в свою очередь, предоставляет механизм взаимодействия между драйверами и программной частью вычислительной системы в целом.
В последующих разделах мы подробнее рассмотрим организацию и функции набора драйверов и базовой подсистемы ввода-вывода.
13.8. Систематизация внешних устройств и интерфейс между базовой подсистемой ввода-вывода и драйверами
Как и система видов Линнея, система типов устройств является далеко не полной и не строго выдержанной. Устройства обычно принято разделять по преобладающему типу интерфейса на следующие виды:
- символьные (клавиатура, модем, терминал и т.п.);
- блочные (магнитные и оптические диски и ленты, и т.д.);
- сетевые (сетевые карты);
- все остальные (таймеры, графические дисплеи, телевизионные устройства, видеокамеры и т.п.).
Такое деление является весьма условным. В одних операционных системах сетевые устройства могут не выделяться в отдельную группу, в некоторых других – отдельные группы составляют звуковые устройства и видеоустройства и т.д. Некоторые группы в свою очередь могут разбиваться на подгруппы: подгруппа жестких дисков, подгруппа мышек, подгруппа принтеров. Нас такие детали не интересуют. Мы не ставим перед собой цель осуществить систематизацию всех возможных устройств, которые могут быть подключены к вычислительной системе. Единственное, для чего нам понадобится эта классификация, так это для иллюстрации того положения, что устройства могут быть разделены на группы по выполняемым ими функциям, и для понимания функций драйверов, и интерфейса между ними и базовой подсистемой ввода-вывода.
Для этого мы рассмотрим только две группы устройств: символьные и блочные. Как уже упоминалось в предыдущем разделе, символьные устройства – это устройства, которые умеют передавать данные только последовательно, байт за байтом, а блочные устройства – это устройства, которые могут передавать блок байтов как единое целое.
К символьным устройствам обычно относятся устройства ввода информации, которые спонтанно генерируют входные данные: клавиатура, мышь, модем, джойстик. К ним же относятся и устройства вывода информации, для которых характерно представление данных в виде линейного потока: принтеры, звуковые карты и т.д. По своей природе символьные устройства обычно умеют совершать две общие операции: ввести символ (байт) и вывести символ (байт) – get и put.
Для блочных устройств, таких как магнитные и оптические диски, ленты и т.п. естественными являются операции чтения и записи блока информации –read и write, а также, для устройств прямого доступа, операция поиска требуемого блока информации – seek.
Драйверы символьных и блочных устройств должны предоставлять базовой подсистеме ввода-вывода функции для осуществления описанных общих операций. Помимо общих операций, некоторые устройства могут выполнять операции специфические, свойственные только им – например, звуковые карты умеют увеличивать или уменьшать среднюю громкость звучания, дисплеи умеют изменять свою разрешающую способность. Для выполнения таких специфических действий в интерфейс между драйвером и базовой подсистемой ввода-вывода обычно входит еще одна функция, позволяющая непосредственно передавать драйверу устройства произвольную команду с произвольными параметрами, что позволяет задействовать любую возможность драйвера без изменения интерфейса. В операционной системе Unix такая функция получила название ioctl (от input-output control).
Помимо функций read, write, seek (для блочных устройств), get, put (для символьных устройств) и ioctl, в состав интерфейса обычно включают еще следующие функции.
- Функцию инициализации или повторной инициализации работы драйвера и устройства – open. Функцию временного завершения работы с устройством (может, например, вызывать отключение устройства) – close.
- Функцию опроса состояния устройства (если по каким-либо причинам работа с устройством производится методом опроса его состояния, например, в операционных системах Windows NT и Windows 9x так построена работа с принтерами через параллельный порт) – poll.
- Функцию останова драйвера, которая вызывается при останове операционной системы или выгрузке драйвера из памяти, halt.
Существует еще ряд действий, выполнение которых может быть возложено на драйвер, но поскольку, как правило, это действия базовой подсистемы ввода-вывода, мы поговорим о них в следующем разделе. Приведенные выше названия функций, конечно, являются условными и могут меняться от одной операционной системы к другой, но действия, выполняемые драйверами, характерны для большинства операционных систем, и соответствующие функции присутствуют в интерфейсах к ним.
13.9. Функции базовой подсистемы ввода-вывода
Базовая подсистема ввода-вывода служит посредником между процессами вычислительной системы и набором драйверов. Системные вызовы для выполнения операций ввода-вывода трансформируются ею в вызовы функций необходимого драйвера устройства. Однако обязанности базовой подсистемы не сводятся к выполнению только действий трансляции общего системного вызова в обращение к частной функции драйвера. Базовая подсистема предоставляет вычислительной системе такие услуги, как поддержка блокирующихся, неблокирующихся и асинхронных системных вызовов, буферизация и кэширование входных и выходных данных, осуществление spooling'a и монопольного захвата внешних устройств, обработка ошибок и прерываний, возникающих при операциях ввода-вывода, планирование последовательности запросов на выполнение этих операций. Давайте остановимся на этих услугах подробнее.
13.10. Блокирующиеся, неблокирующиеся и асинхронные системные вызовы
Все системные вызовы, связанные с осуществлением операций ввода-вывода, можно разбить на три группы по способам реализации взаимодействия процесса и устройства ввода-вывода.
- К первой, наиболее привычной для большинства программистов группе относятся блокирующиеся системные вызовы. Как следует из самого названия, применение такого вызова приводит к блокировке инициировавшего его процесса, т.е. процесс переводится операционной системой из состояния исполнение в состояние ожидание. Завершив выполнение всех операций ввода-вывода, предписанных системным вызовом, операционная система переводит процесс из состояния ожидание в состояние готовность. После того как процесс будет снова выбран для исполнения, в нем произойдет окончательный возврат из системного вызова. Типичным для применения такого системного вызова является случай, когда процессу необходимо получить от устройства строго определенное количество данных, без которых он не может выполнять работу далее.
- Ко второй группе относятся неблокирующиеся системные вызовы. Их название не совсем точно отражает суть дела. В простейшем случае процесс, применивший неблокирующийся вызов, не переводится в состояние ожидание вообще. Системный вызов возвращается немедленно, выполнив предписанные ему операции ввода-вывода полностью, частично или не выполнив совсем, в зависимости от текущей ситуации (состояния устройства, наличия данных и т.д.). В более сложных ситуациях процесс может блокироваться, но условием его разблокирования является завершение всех необходимых операций или окончание некоторого промежутка времени. Типичным случаем применения неблокирующегося системного вызова может являться периодическая проверка на поступление информации с клавиатуры при выполнении трудоемких расчетов.
- К третьей группе относятся асинхронные системные вызовы. Процесс, использовавший асинхронный системный вызов, никогда в нем не блокируется. Системный вызов инициирует выполнение необходимых операций ввода-вывода и немедленно возвращается, после чего процесс продолжает свою регулярную деятельность. Об окончании завершения операции ввода-вывода операционная система впоследствии информирует процесс изменением значений некоторых переменных, передачей ему сигнала или сообщения или каким-либо иным способом. Необходимо четко понимать разницу между неблокирующимися и асинхронными вызовами. Неблокирующийся системный вызов для выполнения операции read вернется немедленно, но может прочитать запрошенное количество байтов, меньшее количество или вообще ничего. Асинхронный системный вызов для этой операции также вернется немедленно, но требуемое количество байтов рано или поздно будет прочитано в полном объеме.
13.11. Буферизация и кэширование
Под буфером обычно понимается некоторая область памяти для запоминания информации при обмене данных между двумя устройствами, двумя процессами или процессом и устройством. Обмен информацией между двумя процессами относится к области кооперации процессов, и мы подробно рассмотрели его организацию в соответствующей лекции. Здесь нас будет интересовать использование буферов в том случае, когда одним из участников обмена является внешнее устройство. Существует три причины, приводящие к использованию буферов в базовой подсистеме ввода-вывода.
