Способы ввода-вывода

Технология ввода вывода

Лекция 11. Ввод-вывод

Драйверы устройств

Программа, которая общается с контроллером устройства ввода-вывода, отдает ему команды и получает ответы, называется драйвером устройства.

Каждый производитель контроллеров должен поставлять драйверы для поддерживаемых им операционных систем. Для того, чтобы получить возможность использовать драйвер, его нужно установить в операционную систему так, чтобы он мог работать в режиме ядра.

Теоретически драйверы могут работать вне ядра, но такую возможность поддерживают всего несколько существующих систем, так как для этого требуется, чтобы драйвер в пространстве пользователя имел доступ к устройству неким контролируемым способом - очень редко поддерживаемое свойство.

Три способа установки драйвера в ядро.

Первый способ заключается в том, чтобы заново скомпоновать ядро вместе с новым драйвером и затем перезагрузить систему. Так работает множество систем UNIX.
Второй способ: создать запись во входящем в операционную систему файле, говорящую о том, что требуется драйвер, и затем перезагрузить систему. Во время начальной загрузки операционная система сама находит нужные драйверы и загружает их. Так работает система Windows.
Третий способ: операционная система может принимать новые драйверы, не прерывая работы, и оперативно устанавливать их, не нуждаясь при этом в перезагрузке. Этот способ редко используется, но сейчас он становится все более и более распространенным. Такие съемные устройства, как шины USB и IEEE 1394, всегда нуждаются в динамически загружаемых драйверах.

Ввод и вывод данных можно осуществлять тремя различными способами (рис 11.1)

Способ ввода-вывода	Без использования прерываний	С использованием прерываний
Передача данных из устройства в/в в память с использованием процессора	Программируемый ввод/вывод (режим опроса готовности)	Ввод/вывод, управляемый прерыванием (режим обмена с прерыванием)
Прямая передача данных из устройства ввода/вывода в память		Прямой доступ к памяти(DMA)

Рис. 11.1. Способы ввода-вывода

Управление в/в осуществляет ЦП – программный канал обмена данными между ОП и ВУ
Управление в/в осуществляет специальное дополнительное оборудование – канал прямого доступа.

Программируемый ввод-вывод (режим опроса готовности). Синхронное управление. Простейший метод состоит в том, что пользовательская программа выдает системный запрос, который ядро транслирует в вызов процедуры соответствующего драйвеpa. Затем драйвер начинает процесс ввода-вывода. В это время драйвер выполняет очень короткий программный цикл, постоянно опрашивая готовность устройства, с которым он работает (обычно есть некий бит, который указывает на то, что устройство все еще занято). По завершении операции ввода-вывода драйвер помещает данные туда, куда требуется, и возвращается в исходное состояние. Затем операционная система возвращает управление программе, осуществлявшей вызов. Этот метод называется ожиданием готовности или активным ожиданием и имеет один недостаток: процессор должен опрашивать устройство до тех пор, пока оно не завершит свою работу.

В набор используемых команд входят команды ввода-вывода, принадлежащие следующим категориям.

Управление. Команды этой категории используются для того, чтобы привести внешнее устройство в действие и сообщить ему, что нужно делать. Например, блоку с магнитной лентой можно отдать команду перемотки или перемещения вперед на одну запись.
Состояние. Используется для проверки состояния контроллера ввода-вывода и соответствующих периферийных устройств.
Передача. Используется для чтения и/или записи данных в регистры процессора и внешние устройства и из регистров процессора и внешних устройств.

2. Режим обмена с прерываниями (асинхронное управление). При втором способе драйвер запускает устройство и просит его выдать прерывание по окончании ввода-вывода. После этого драйвер возвращает данные, операционная система блокирует программу вызова, если это нужно, и начинает выполнять другие задания. Когда контроллер обнаруживает окончание передачи данных, он генерирует прерывание, чтобы сигнализировать о завершении операции.

Процесс ввода-вывода в этом случае состоит из следующих шагов (рис. 11.2):

Рис. 11.2. Ввод-вывод, управляемый прерыванием

шаг 1. Драйвер передает команду контроллеру, записывая информацию в регистры устройства. Затем контроллер запускает устройство

шаг 2. Когда контроллер заканчивает чтение или запись того количества байтов, которое ему было указано передать, он посылает сигнал микросхеме контроллера прерываний, используя определенные провода шины.

шаг 3. Если контроллер прерываний готов к приему прерывания (а этого может и не быть, если он занят прерыванием более высокого приоритета), то он подает сигнал на определенный контакт процессора информируя центральный процессор.

шаг 4. Контроллер прерываний выставляет номер устройства на шину так, чтобы центральный процессор мог прочесть его и узнать, какое устройство только что завершило свою работу (ведь в одно и то же время могут работать несколько устройств).

Как только центральный процессор решил принять прерывание, содержимое счетчика команд (PC) и слова состояния процессора (PSW) помещается в текущий стек, а процессор переключается в режим работы ядра. Номер устройства может использоваться как индекс части памяти, служащий для поиска адреса обработчика прерываний данного устройства. Эта часть памяти называется вектором прерываний. Когда обработчик прерываний (это часть драйвера устройства, пославшего прерывание) начинает свою работу, он удаляет расположенные в стеке счетчик команд и слово состояния процессора, сохраняет их и запрашивает устройство, чтобы получить информацию о его состоянии. После того как обработка прерывания целиком завершена, управление возвращается кработавшей до этого программе пользователя, к той команде, выполнение которой еще не было закончено.

Для того чтобы не потерять связь с устройством может быть запущен отсчет времени, в течение которого устройство обязательно должно выполнить команду и выдать таки сигнал запроса на прерывание.

Максимальный интервал времени, в течение которого устройство ввода/вывода или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерывание, часто называют установкой тайм-аута.

Если это время истекло после выдачи устройству очередной команды, а устройство так и не ответило, то делается вывод о том, что связь с устройством потеряна и управлять им больше нет возможности. Пользователь и/или процесс получают соответствующее диагностическое сообщение.

Драйверы, работающие в режиме прерываний, представляют собой сложный комплекс программных модулей и могут иметь несколько секций:

секцию запуска,
одну или несколько секций продолжения
и секцию завершения.

Секция запуска инициирует операцию ввода/вывода. Эта секция запускается для включения устройства ввода/вывода либо просто для инициации очередной операции ввода/вывода.

Секция продолжения (их может быть несколько, если алгоритм управления обменом данными сложный и требуется несколько прерываний для выполнения одной логической операции) осуществляет основную работу по передаче данных.

Секция продолжения, собственно говоря, и является основным обработчиком прерывания.

Используемый интерфейс может потребовать для управления вводом/выводом несколько последовательностей управляющих команд, а сигнал прерывания у устройства, как правило, только один.

Поэтому после выполнения очередной секции прерывания супервизор прерываний при следующем сигнале готовности должен передать управление другой секции.

Это делается за счет изменения адреса обработки прерывания после выполнения очередной секции, если же имеется только одна секция прерываний, то она сама передает управление тому или иному модулю обработки.

Секция завершения обычно выключает устройство ввода/вывода либо просто завершает операцию.

Управление операциями ввода/вывода в режиме прерываний требует больших усилий со стороны системных программистов — такие программы создавать сложнее, чем те, что работают в режиме опроса готовности.

Примером тому может служить ситуация с драйверами, обеспечивающими печать. Так, в ОС Windows (и Windows 9x, и Windows NT) драйвер печати через параллельный порт работает не в режиме с прерываниями, как это сделано в других ОС, а в режиме опроса готовности, что приводит к 100%-й загрузке центрального процессора на все время печати. При этом, естественно, выполняются и другие задачи, запущенные на исполнение, но исключительно за счет того, что ОС Windows реализует вытесняющую мультизадачность и время от времени прерывает процесс управления печатью и передает центральный процессор остальным задачам.

3. Прямой доступ к памяти. Третий метод ввода-вывода информации заключается в использовании специального контроллера прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access), который управляет потоком битов между оперативной памятью и некоторыми контроллерами без постоянного вмешательства центрального процессора. Процессор вызывает микросхему DMA, говорит ей, сколько байтов нужно передать, сообщает адреса устройства и памяти, а также направление передачи данных и позволяет дальше действовать ей самой. По завершении работы DMA инициирует прерывание, которое обрабатывается так же, как было описано выше.

Операционная система может воспользоваться прямым доступом к памяти только при наличии аппаратного DMA-контроллера, который есть у большинства систем. Как правило, DMA-контроллер, устанавливаемый на материнской плате, обслуживает запросы по передаче данных нескольких различных устройств ввода-вывода, часто на конкурентной основе.

Где бы он ни располагался физически, DMA-контроллер может получать доступ к системной шине независимо от центрального процессора (рис. 11.3). Он содержит несколько регистров, доступных центральному процессору для чтения и записи.