Стальнов А.Ф., Фомин А.И. Операционные системы. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

191

11 612

P (Page) I (Index)

Номер физической

страницы или

адрес на диске

1 23

Страница № 23

23000

23612

Права

доступа

R-X

32000 17

Регистр таблицы сегментов

(таблицы дескрипторов

сегментов)

Виртуальный адрес

S (Segment)

Таблица сегментов текущей задачи

Адрес начала

сегмента

Число

страниц

Права

доступа

1 11000 20 R-X

Рис. 4.7. Сегментно-страничный способ организации виртуальной памяти

Принцип действия ассоциативного запоминающего устройства предпо-

лагает, что каждой ячейке памяти такого устройства ставится в соответст-

вие ячейка, в которой записывается некий ключ (признак, адрес), позво-

ляющий однозначно идентифицировать содержимое ячейки памяти. Со-

путствующую ячейку с информацией, позволяющей идентифицировать

основные данные, обычно

называют полем тега. Просмотр полей тега

всех ячеек ассоциативного устройства памяти осуществляется одновре-

менно, то есть в каждой ячейке тега есть необходимая логика, позволяю-

щая посредством побитовой конъюнкции найти данные по их признаку за

одно обращение к памяти (если они там, конечно, присутствуют). Часто

поле тегов называют аргументом, а поле

с данными – функцией. В качест-

ве аргумента при доступе к ассоциативной памяти выступают номер сег-

мента и номер виртуальной страницы, а в качестве функции от этих аргу-

ментов получаем номер физической страницы. Остается приписать номер

ячейки в странице к полученному номеру, и мы получаем искомую коман-

ду или операнд.

Достоинства сегментно

-страничного способа следующие. Разбиение

программы на сегменты позволяет размещать сегменты в памяти целиком.

Сегменты разбиты на страницы, все страницы сегмента загружаются в па-

192

мять. Это позволяет уменьшить обращения к отсутствующим страницам,

поскольку вероятность выхода за пределы сегмента меньше вероятности

выхода за пределы страницы. Страницы исполняемого сегмента находятся

в памяти, но при этом они могут находиться не рядом друг с другом, а

“россыпью”, поскольку диспетчер памяти манипулирует страницами. На-

личие сегментов облегчает реализацию разделения

программных модулей

между параллельными процессами. Возможна и динамическая компонов-

ка задачи. А выделение памяти страницами позволяет минимизировать

фрагментацию.

Однако, поскольку этот способ распределения памяти требует очень

значительных затрат вычислительных ресурсов и его не так просто реали-

зовать, используется он редко, причем в дорогих, мощных вычислитель-

ных системах. Возможность реализовать сегментно-страничное

распреде-

ление памяти заложена и в семейство микропроцессоров i80x86, однако

вследствие слабой аппаратной поддержки, трудностей при создании сис-

тем программирования и операционной системы, практически он не ис-

пользуется в ПК.

3. Управление вводом-выводом

Необходимость обеспечить программам возможность осуществлять

обмен данными с внешними устройствами и при этом не включать в каж

дую двоичную программу соответствующий двоичный код, осуществ-

ляющий собственно управление устройствами ввода/вывода, привела раз-

работчиков к созданию системного программного обеспечения и, в част-

ности, самих операционных систем. Программирование задач управления

вводом/выводом является наиболее сложным и трудоемким, требующим

очень высокой квалификации. Поэтому код, позволяющий осуществлять

операции ввода/вывода, стали

оформлять в виде системных библиотечных

процедур; потом его стали включать не в системы программирования, а в

операционную систему с тем, чтобы в каждую отдельно взятую програм-

му его не вставлять, а только позволить обращаться к такому коду. Сис-

темы программирования стали генерировать обращения к этому систем-

ному коду ввода/вывода и

осуществлять только подготовку к собственно

операциям ввода/вывода, то есть автоматизировать преобразование дан-

ных к соответствующему формату, понятному устройствам, избавляя при-

кладных программистов от этой сложной и трудоемкой работы. Другими

словами, системы программирования вставляют в машинный код необхо-

димые библиотечные подпрограммы ввода/вывода и обращения к тем сис-

темным программным

модулям, которые, собственно, и управляют опера-

циями обмена между оперативной памятью и внешними устройствами.

Таким образом, управление вводом/выводом – это одна из основных

функций любой ОС.

193

С одной стороны, в организации ввода/вывода в различных ОС много

общего. С другой стороны, реализация ввода/вывода в ОС так сильно от-

личается от системы к системе, что очень нелегко выделить и описать

именно основные принципы реализации этих функций. Проблема усугуб-

ляется еще тем, что в большинстве ныне используемых систем

эти момен-

ты вообще, как правило, подробно не описаны, и исключение по этому во-

просу касается только системы Linux, для которой имеются комментиро-

ванные исходные тексты. Детально описываются функции API, реали-

зующие ввод/вывод. Поэтому мы рассмотрим только основные идеи и

концепции.

3.1. Основные понятия и концепция организации ввода-вывода в ОС

Ввод/вывод считается одной из самых сложных областей проекти-

рования операционных систем, в которой сложно применить общий под-

ход из-за изобилия частных методов. Сложность возникает из-за огромно-

го числа устройств ввода/вывода разнообразной природы, которые должна

поддерживать ОС. При этом перед создателями ОС встает очень непро-

стая задача

– не только обеспечить эффективное управление устройствами

ввода/вывода, но и создать удобный и эффективный виртуальный интер-

фейс устройств ввода/вывода, позволяющий прикладным программистам

просто считывать или сохранять данные, не обращая внимание на специ-

фику устройств и проблемы распределения устройств между выполняю-

щимися задачами. Система ввода/вывода, способная объединить в одной

модели широкий набор устройств, должна быть универсальной. Она

должна учитывать потребности существующих устройств, от простой

мыши до клавиатур, принтеров, графических дисплеев, дисковых накопи-

телей, компакт-дисков и даже сетей. С другой стороны, необходимо обес-

печить доступ к устройствам ввода/вывода для множества параллельно

выполняющихся задач, причем так, чтобы они как можно

меньше мешали

друг другу.

Поэтому самым главным является следующий принцип: любые опера-

ции по управлению вводом/выводом объявляются привилегированными и

могут выполняться только кодом самой ОС. Для обеспечения этого прин-

ципа в большинстве процессоров даже вводятся режимы пользователя и

супервизора. Как правило, в режиме супервизора выполнение команд вво-

да/вывода

разрешено, а в пользовательском режиме – запрещено. Исполь-

зование команд ввода/вывода в пользовательском режиме вызывает ис-

ключение и управление через механизм прерываний передается коду ОС.

Хотя возможны и более сложные системы, в которых в ряде случаев поль-

зовательским программам разрешено непосредственное выполнение ко-

манд ввода/вывода.

194

Одним из основных видов ресурсов являются устройства ввода/вывода

и соответствующее программное обеспечение, с помощью которого осу-

ществляется управление обменом данными между внешними устройства-

ми и оперативной памятью. Помимо разделяемых устройств ввода/вывода

(эти устройства допускают разделение посредством механизма доступа)

существуют неразделяемые устройства. Примерами разделяемого устрой-

ства могут служить накопитель

на магнитных дисках, устройство для чте-

ния компакт-дисков. Это устройства с прямым доступом. Примеры не-

разделяемых устройств – принтер, накопитель на магнитных лентах. Это

устройства с последовательным доступом. Операционные системы долж-

ны управлять и теми и другими устройствами, предоставляя возможность

параллельно выполняющимся задачам использовать различные устройства

ввода/вывода.

Можно назвать три

основные причины, по которым нельзя разрешать

каждой отдельной пользовательской программе обращаться к внешним

устройствам непосредственно:

1. Необходимость разрешать возможные конфликты доступа к устрой-

ствам ввода/вывода. Например, две параллельно выполняющиеся про-

граммы пытаются вывести на печать результаты своей работы. Если не

предусмотреть внешнее управление устройством печати, то в результате

мы можем получить абсолютно

нечитаемый текст, так как каждая про-

грамма будет время от времени выводить свои данные, которые будут пе-

ремежаться данными другой программы. Другой пример: ситуация, когда

одной программе необходимо прочитать данные с некоторого сектора

магнитного диска, а другой – записать результаты в другой сектор того же

накопителя. Если операции ввода/вывода не

будут отслеживаться каким-

то третьим (внешним) процессом-арбитром, то после позиционирования

магнитной головки для первого запроса может тут же появиться команда

позиционирования головки для второй задачи, и обе операции вво-

да/вывода не смогут быть выполнены корректно.

2. Желание увеличить эффективность использования этих ресурсов.

Например, у накопителя на магнитных дисках время

подвода головки чте-

ния/записи к необходимой дорожке и обращение к определенному сектору

может значительно (до тысячи раз) превышать время пересылки данных.

В результате, если задачи по очереди обращаются к цилиндрам, далеко от-

стоящим друг от друга, то полезная работа, выполняемая накопителем,

может быть существенно снижена.

3. Ошибки в программах ввода/

вывода могут привести к краху всех

вычислительных процессов, ибо часть операций ввода/вывода осуществ-

ляется для самой операционной системы. В ряде ОС системный

ввод/вывод имеет существенно более высокие привилегии, чем

ввод/вывод задач пользователя. Поэтому системный код, управляющий

операциями ввода/вывода, очень тщательно отлаживается и оптимизиру-

195

ется для повышения надежности вычислений и эффективности использо-

вания оборудования.

Итак, управление вводом/выводом осуществляется операционной сис-

темой, компонентом, который чаще всего называют супервизором вво-

да/вывода. В перечень основных задач, возлагаемых на супервизор

, входят

следующие:

1. Супервизор ввода/вывода получает запросы на ввод/вывод от при-

кладных задач и от программных модулей самой операционной системы.

Эти запросы проверяются на корректность, и если запрос выполнен по

спецификациям и не содержит ошибок, он обрабатывается дальше, в про-

тивном случае пользователю (задаче) выдается соответствующее диагно-

стическое сообщение

о недействительности (некорректности) запроса.

2. Супервизор ввода/вывода вызывает соответствующие распределите-

ли каналов и контроллеров, планирует ввод/вывод (определяет очеред-

ность предоставления устройств ввода/вывода задачам, затребовавшим

их). Запрос на ввод/ вывод либо тут же выполняется, либо ставится в оче-

редь на выполнение.

3. Супервизор ввода/вывода инициирует операции ввода/вывода (

пере-

дает управление соответствующим драйверам) и в случае управления вво-

дом/выводом с использованием прерываний предоставляет процессор

диспетчеру задач с тем, чтобы передать его первой задаче, стоящей в оче-

реди на выполнение.

4. При получении сигналов прерываний от устройств ввода/вывода су-

первизор идентифицирует их и передает управление соответствующей

программе обработки

прерывания (как правило, на секцию продолжения

драйвера).

5. Супервизор ввода/вывода осуществляет передачу сообщений об

ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями

ввода/вывода.

6. Супервизор ввода/вывода посылает сообщения о завершении опера-

ции ввода/вывода запросившему эту операцию процессу и снимает его с

состояния ожидания ввода/вывода, если процесс ожидал

завершения опе-

рации.

В случае если устройство ввода/вывода является инициативным,

управление со стороны супервизора ввода/вывода будет заключаться в ак-

тивизации соответствующего вычислительного процесса (перевод его в

состояние готовности к выполнению).

Таким образом, прикладные программы (а в общем случае – все обра-

батывающие программы) не могут непосредственно связываться с устрой-

ствами ввода/ вывода независимо от использования устройств (монополь-

но или совместно). Установив соответствующие значения параметров в

запросе на ввод/вывод, определяющих требуемую операцию и количество

потребляемых ресурсов, они могут передать управление супервизору вво-

196

да/вывода, который и запускает необходимые логические и физические

операции.

Упомянутый выше запрос на ввод/вывод должен удовлетворять требо-

ваниям API той операционной системы, в среде которой выполняется при-

ложение. Параметры, указываемые в запросах на ввод/вывод, передаются

не только в вызывающих последовательностях, создаваемых по специфи-

кациям API, но и как данные, хранящиеся

в соответствующих системных

таблицах. Все параметры, которые будут стоять в вызывающей последова-

тельности, поставляются компилятором и отражают требования програм-

миста и постоянные сведения об операционной системе и архитектуре

компьютера в целом. Переменные сведения о вычислительной системе (ее

конфигурация, состав оборудования, состав и особенности системного

программного обеспечения) содержатся в специальных системных

табли-

цах. Процессору, каналам прямого доступа в память, контроллерам необ-

ходимо передавать конкретную двоичную информацию, с помощью кото-

рой и осуществляется управление оборудованием. Эта конкретная двоич-

ная информация в виде кодов и данных часто готовится с помощью пре-

процессоров, но часть ее хранится в системных таблицах.

3.2. Режимы управления вводом-

выводом

3.2.1. Сущность основных режимов ввода-вывода

Имеются два основных режима ввода/вывода: режим обмена с опросом

готовности устройства ввода/вывода и режим обмена с прерываниями.

Рассмотрим рис. 4.8.

Оперативная

память

Центральный

процессор

или процессор

ввода/вывода

Устройство

управления

устройством

ввода/вывода

Устройство

ввода/вывода

Данные

Команда

ввода/вывода

Сигнал

готовности

Рис. 4.8. Управление вводом/выводом

197

Пусть для простоты управление вводом/выводом осуществляет цен-

тральный процессор (в этом случае часто говорят о наличии программного

канала обмена данными между внешними устройством и оперативной па-

мятью, в отличие от канала прямого доступа к памяти, при котором

управление вводом/выводом осуществляет специальное дополнительное

оборудование). Центральный процессор посылает устройству управления

команду

выполнить некоторое действие устройству ввода/вывода. По-

следнее исполняет команду, транслируя сигналы, понятные центральному

устройству и устройству управления в сигналы, понятные устройству вво-

да/вывода. Но быстродействие устройства ввода/вывода намного меньше

быстродействия центрального процессора (порой на несколько порядков).

Поэтому сигнал готовности (транслируемый или генерируемый устройст-

вом управления и сигнализирующий

процессору о том, что команда вво-

да/вывода выполнена и можно выдать новую команду для продолжения

обмена данными) приходится очень долго ожидать, постоянно опрашивая

соответствующую линию интерфейса на наличие или отсутствие нужного

сигнала. Посылать новую команду, не дождавшись сигнала готовности,

сообщающего об исполнении предыдущей команды, бессмысленно. В ре-

жиме опроса готовности

драйвер, управляющий процессом обмена дан-

ными с внешним устройством, как раз и выполняет в цикле команду “про-

верить наличие сигнала готовности”. До тех пор пока сигнал готовности

не появится, драйвер ничего другого не делает. При этом, естественно, не-

рационально используется время центрального процессора. Гораздо вы-

годнее, выдав команду ввода/вывода,

на время забыть об устройстве вво-

да/вывода и перейти на выполнение другой программы. А появление сиг-

нала готовности трактовать как запрос на прерывание от устройства вво-

да/вывода. Именно эти сигналы готовности и являются сигналами запроса

на прерывание.

Режим обмена с прерываниями по своей сути является режимом асин-

хронного управления

. Для того чтобы не потерять связь с устройством

(после того как процессор выдал очередную команду по управлению об-

меном данными и переключился на выполнение других программ), 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 вво-

да/вывода или его контроллер должны выдать сигнал запроса на прерыва-

ние, часто называют уставкой 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 задача получают соответст-

вующее диагностическое сообщение.

Драйверы, работающие в режиме прерываний, представляют собой

сложный комплекс программных модулей и могут иметь несколько сек-

198

ций: секцию запуска, одну или несколько секций продолжения и секцию

завершения.

Секция запуска инициирует операцию ввода/вывода. Эта секция запус-

кается для включения устройства ввода/вывода либо просто для инициа-

ции очередной операции ввода/вывода.

Секция продолжения (их может быть несколько, если алгоритм управ-

ления 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 последовательно-

стей управляющих команд, а сигнал прерывания у устройства, как прави-

ло, только один. Поэтому после выполнения очередной секции прерыва-

ния супервизор прерываний при следующем сигнале готовности должен

передать управление другой секции. Это делается за счет изменения адре-

са 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 програм-

мы создавать сложнее, чем те, что работают в режиме опроса готовности.

3.2.2. Закрепление устройств, общие устройства ввода/вывода

Как известно, многие устройства не допускают совместного использо-

вания. Прежде всего, это устройства

с последовательным доступом. Такие

устройства могут стать закрепленными, то есть быть предоставленными

некоторому вычислительному процессу на все время жизни этого процес-

са. Однако это приводит к тому, что вычислительные процессы часто не

могут выполняться параллельно – они ожидают освобождения устройств

ввода/вывода. Для организации использования многими параллельно вы-

полняющимися задачами устройств ввода

/вывода которые не могут быть

разделяемыми, вводится понятие виртуальных устройств Использование

принципа виртуализации позволяет повысить эффективность вы-

числительной системы.

Вообще говоря, понятие виртуального устройства шире, нежели ис-

пользование этого термина для обозначения спулинга (SPOOLing – simul-

taneous peripheral operation on-line, то есть имитация работы с устройством

в режиме “он-лайн”). Главная задача спулинга – создать видимость парал-

лельного разделения устройства ввода/вывода с последовательным досту-

пом, которое фактически должно использоваться только монопольно и

199

быть закрепленным. Например, в случае, когда несколько приложений

должны выводить на печать результаты своей работы, если разрешить ка-

ждому такому приложению печатать строку по первому же требованию,

то это приведет к потоку строк, не представляющих никакой ценности.

Однако можно каждому вычислительному процессу предоставлять не ре-

альный, а виртуальный принтер, и поток

выводимых символов (или

управляющих кодов для их печати) сначала направлять в специальный

файл на магнитном диске. Затем, по окончании виртуальной печати, в со-

ответствии с принятой дисциплиной обслуживания и приоритетами при-

ложений выводить содержимое спул-файла на принтер. Системный про-

цесс, который управляет спул-файлом, называется спулером (spool-reader

или spool-writer).

3.2.3. Основные

системные таблицы ввода/вывода

Каждая ОС имеет свои таблицы ввода/вывода, их состав (количество и

назначение каждой таблицы) может сильно отличаться. В некоторых ОС

вместо таблиц создаются списки, хотя использование статических струк-

тур данных для организации ввода/вывода, как правило, приводит к боль-

шему быстродействию.

Исходя из принципа управления вводом

/выводом через супервизор ОС

и учитывая, что драйверы устройств ввода/вывода используют механизм

прерываний для установления обратной связи центральной части с внеш-

ними устройствами, можно сделать вывод о необходимости создания по

крайней мере трех системных таблиц.

Первая таблица (или список) содержит информацию обо всех устрой-

ствах ввода/вывода, подключенных к

вычислительной системе. Эта табли-

ца обычно называется таблицей оборудования (equipment table), а каждый

ее элемент называется UCB (unit control block, блок управления устройст-

вом ввода/вывода). Каждый элемент UCB таблицы оборудования, как пра-

вило, содержит следующую информацию об устройстве:

тип устройства, его конкретная модель, символическое имя и характе-

ристики устройства;

как это устройство подключено (через какой интерфейс, к

какому разъ-

ему, какие порты и линия запроса прерывания используются и т. д.);

номер и адрес канала (и подканала), если такие используются для

управления устройством;

указание на драйвер, который должен управлять этим устройством, ад-

рес секции запуска и секции продолжения драйвера;

информация о том, используется или нет буферирование при обмене

данными с этим устройством, “имя” (или просто адрес) буфера, если такой

выделяется из системной области памяти;

уставка тайм-аута и ячейки для счетчика тайм-аута;

200

состояние устройства;

поле указателя для связи задач, ожидающих устройство, и, возможно,

много еще каких сведений.

Поскольку во многих ОС драйверы могут обладать свойством реенте-

рабельности (один и тот же экземпляр программного модуля может обес-

печить параллельное обслуживание сразу нескольких однотипных уст-

ройств), то в элементе UCB должна храниться либо непосредственно сама

информация

о текущем состоянии устройства и сами переменные для ре-

ентерабельной обработки, либо указание на место, где такая информация

может быть найдена. Наконец, важнейшим компонентом элемента табли-

цы оборудования является указатель на дескриптор той задачи, которая

сейчас использует данное устройство. Если устройство свободно, то поле

указателя будет иметь нулевое значение. Если

же устройство уже занято и

рассматриваемый указатель не нулевой, то новые запросы к устройству

фиксируются посредством образования списка из дескрипторов тех задач,

которые сейчас ожидают данное устройство.

Вторая таблица предназначена для реализации еще одного принципа

виртуализации устройств ввода/вывода – независимости от устройства.

Желательно, чтобы программист не был озабочен учетом конкретных па

раметров (и/или возможностей) того или иного устройства ввода/вывода,

которое установлено (или не установлено) в компьютер. Для него должны

быть важны только самые общие возможности, характерные для данного

класса устройств ввода/вывода, которыми он желает воспользоваться. На-

пример, принтер должен уметь выводить (печатать) символы или графи-

ческое изображение. А

накопитель на магнитных дисках – считывать или

записывать по указанному адресу (в координатах C-H-S – cylinder-head-

sector) порцию данных. Ни программист, ни разработчики файловой сис-

темы не должны зависеть от того, накопитель какого конкретного типа и

модели, а также какого производителя используется в данном конкретном

компьютере. Важным должен быть только сам факт существования нако-

пителя,

имеющего некоторое количество цилиндров, головок чте-

ния/записи и секторов на дорожке магнитного диска. Упомянутые значе-

ния количества цилиндров, головок и секторов должны быть взяты из

элемента таблицы оборудования. При этом для программиста также не

должно иметь значения, каким образом то или иное устройство подключе-

но к вычислительной системе, а не

только какая конкретная модель уст-

ройства используется. Поэтому в запросе на ввод/вывод программист ука-

зывает именно логическое имя устройства. Действительное устройство,

которое сопоставляется виртуальному (логическому), выбирается супер-

визором с помощью таблицы о которой сейчас идет речь. Способ подклю-

чения устройства, его конкретная модель и соответствующий ей драйвер

содержатся в

уже рассмотренной таблице оборудования. А для того, что-

бы связать некоторое виртуальное устройство, использованное програм-

мистом при создании приложения с системной таблицей, отображающей