Операционные системы
Краткий очерк истории операционных систем. Классификация периферийных устройств и их архитектура. Характеристики файлов и архитектура файловых систем. Распределение памяти без использования виртуальных адресов. Драйверы устройств в Windows, UNIX.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.02.2011 |
| Размер файла | 418,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
2.2 Классификация периферийных устройств и их архитектура
Под программной архитектурой (или просто - архитектурой) устройства мы будем понимать совокупность тех структурных особенностей, которые влияют на работу программ с устройством. Например, форма разъема для подключения устройства не входит в его архитектуру, но количество и назначение линий в этом разъеме может в нее входить (если эти линии могут программно управляться).
Как правило, вместе с устройством поставляется его контроллер (адаптер), содержащий электронные схемы управления устройством. Конструктивно контроллер может представлять собой плату, вставляемую в разъем шины компьютера, либо может быть расположен в корпусе устройства. В любом случае программы работают с устройством через посредство его контроллера, а поэтому с точки зрения архитектуры нет различия между понятиями «устройство» и «контроллер устройства».
Классификация периферийных устройств может быть выполнена по различным признакам.
Устройства последовательного доступа (sequential access) и устройства произвольного доступа (random access). Для последовательных устройств характерно наличие определенного естественного порядка данных, при этом обработка данных в ином порядке либо невозможна, либо крайне затруднена. Классическим примером являются магнитные ленты, для которых чтение и запись данных ведутся от начала ленты к концу, а попытка доступа в ином порядке потребует постоянной перемотки ленты, резко снижающей скорость работы. К устройствам последовательного доступа можно отнести также клавиатуру, мышь, принтер, модем.
Для устройств произвольного доступа возможно обращение к различным порциям данных в любом порядке, причем эффективность работы не зависит (или слабо зависит) от порядка обращения. Для таких устройств характерно наличие адресации данных и операции поиска нужного адреса. Наиболее известный пример - магнитные диски и другие дисковые устройства. Кроме того, к устройствам произвольного доступа можно отнести монитор ПК (там есть адресация точек-пикселов, хотя операция поиска не нужна).
Символьные (байтовые) и блочные устройства. Для символьных устройств наименьшей порцией вводимых и выводимых данных является один байт. Для некоторых символьных устройств можно за одну операцию выполнить ввод или вывод любого (в разумных пределах) требуемого количества байт.
Для блочных устройств наименьшей порцией ввода/вывода, выполняемого за одно обращение к устройству, является один блок, равный, как правило, 2k байт. Типичным размером блока может быть 512 байт, 1K байт, 4K байт и т.п., в зависимости от конкретного устройства. Наиболее известные примеры блочных устройств - магнитные диски и магнитные ленты. Для диска понятие блока обычно совпадает с понятием сектора. В частности, для IBM-совместимых ПК сектор (блок) диска равен 512 байт.
Блочная архитектура обусловлена особенностями используемой среды и, кроме того, блочный ввод/вывод более эффективен для высокоскоростных устройств, поскольку при этом уменьшается относительная доля времени, расходуемая на подготовительные и заключительные операции при каждом обращении к устройству.
Физические, логические и виртуальные устройства. Под физическим устройством обычно понимается некоторый реально существующий прибор, «железка». На самом деле, с точки зрения программной архитектуры для наличия физического устройства достаточно знать набор адресов, команд, прерываний и других сигналов, позволяющих выполнять операции с данными. Куда идут или откуда приходят эти сигналы это вопрос, не касающийся программиста.
Логическое устройство - это понятие, характеризующее специальное назначение устройства в данной ОС. Например, «загрузочный диск» (т.е. тот, с которого была выполнена загрузка ОС). Наиболее важными логическими устройствами во многих ОС являются устройство стандартного ввода и устройство стандартного вывода. Их можно упрощенно определить как устройства, используемые для ввода и, соответственно, вывода «по умолчанию», т.е. когда в программе явно не указано другое устройство или файл для ввода/вывода. Как правило, для современных компьютеров устройству стандартного ввода соответствует физическое устройство - клавиатура, а устройству стандартного вывода - монитор. Важно, однако, понимать, что это соответствие может быть изменено: стандартный вывод может быть переназначен, например, на принтер или в файл, стандартный ввод - на удаленный терминал, на файл и т.п.
Понятие «виртуальный» в программировании, вообще говоря, означает примерно следующее: «нечто, на самом деле не существующее, но ведущее себя так, как если бы оно существовало». С этой точки зрения, виртуальное устройство - это программно реализованный объект, который ведет себя подобно некоторому физическому устройству, хотя на самом деле использует ресурсы совсем других устройств (или даже никаких устройств). Примеры виртуальных устройств весьма разнообразны:
виртуальные диски, расположенные на самом деле в оперативной памяти (такие устройства были популярны в конце 80-х годов);
виртуальная память, расположенная на самом деле на диске;
виртуальные CD и DVD - программы, имитирующие поведение соответствующих устройств;
виртуальный экран, предоставляемый DOS-программе, работающей в режиме окна Windows (программа работает так, как если бы ей был предоставлен весь экран, но на самом деле система направляет вывод программы в отведенное ей окно);
самый забавный (но очень полезный) пример - пустое устройство, которому не соответствует никакая аппаратура. Почему его вообще можно назвать устройством? Потому что соответствующая системная программа (драйвер пустого устройства) корректно выполняет все действия, которые обязан выполнять драйвер устройства. Такое устройство безотказно принимает выходной поток символов (и тут же выбрасывает принятые данные), а также может использоваться для ввода, но при этом тут же сообщает - дескать, достигнут конец файла. Пустое устройство полезно в тех случаях, когда некоторая программа требует непременно указать файл или устройство для вывода объемных и не очень нужных данных. Кроме того, копирование файла на пустое устройство - это простой способ убедиться, что файл читается без ошибок.
2.3 Прерывания
Прерывания (аппаратные) - это сигналы, при поступлении которых нормальная последовательность выполнения программы может быть прервана, при этом система запоминает информацию, необходимую для возобновления работы прерванной программы, и передает управление подпрограмме обработки прерывания (ISR, Interrupt Service Routine). По завершению обработки, как правило, управление возвращается прерванной программе.
Все прерывания можно разделить на три основных типа:
аппаратные прерывания от периферийных устройств;
внутренние аппаратные прерывания (называемые также исключениями, exceptions);
программные прерывания.
В подавляющем большинстве ОС обработку всех прерываний берет на себя сама система, поскольку это слишком «интимная» часть работы, способная повлиять на функционирование всех системных и прикладных программ.
Поскольку типы и разновидности прерываний весьма многообразны и каждый из них требует особой обработки, большинство процессоров поддерживает векторные прерывания. Это означает, что каждая разновидность прерывания имеет свой номер, и этот номер используется как индекс в массиве, хранящем адреса ISR для всех прерываний. При возникновении прерывания аппаратура компьютера по номеру прерывания определяет адрес подпрограммы обработки и вызывает ее.
Для того чтобы некоторые наиболее ответственные участки системных программ выполнялись без прерываний, система имеет возможность временно запретить прием большинства прерываний. Такой запрет должен устанавливаться лишь на короткие интервалы времени, не более нескольких миллисекунд.
Программные прерывания вызываются выполнением специальной команды, но обрабатываются точно так же, как остальные типы прерываний. По сути, команда программного прерывания представляет собой особый случай вызова подпрограммы, но при этом вместо адреса подпрограммы указывается номер прерывания, обработчик которого должен быть вызван. В большинстве современных ОС программные прерывания используются для перехода из режима пользователя в режим ядра при вызове системных функций из прикладной программы.
Одним из важнейших источников прерываний являются периферийные устройства. Как правило, устройство генерирует сигнал прерывания в одном из двух случаев:
при переходе в состояние готовности;
при возникновении ошибки выполнения операции.
Состояние готовности - это такое состояние устройства, в котором оно готово принять и выполнить команды от процессора. Для устройства ввода готовность означает наличие в устройстве данных, которые могут быть переданы в процессор (например, клавиатура переходит в состояние «Готово» при нажатии клавиши и возвращается в состояние «Не готово», когда код нажатой клавиши считан в процессор). Для устройства вывода готовность - это возможность принять от процессора данные, которые следует вывести. Например, матричный принтер принимает символы, которые нужно напечатать, в свой внутренний буфер. Если буфер полон, принтер переходит в состояние «Не готово» до тех пор, пока часть символов будет напечатана и в буфере освободится место. Дисковый накопитель при начале выполнения новой операции чтения или записи на диск переходит в состояние «Не готово», а после завершения операции возвращается в состояние «Готово». В любом из этих случаев переход в состояние «Готово» это повод для устройства напомнить о себе процессору: обратите на меня внимание, я к вашим услугам! Для этого и служит сигнал прерывания.
Ошибка операции также требует вмешательства системы или пользователя. Например, при ошибке отсутствия бумаги в лотке принтера система должна оповестить об этом пользователя; при ошибке чтения с диска либо система, либо пользователь должен решить, что делать: повторить операцию, завершить программу или продолжить выполнение.
Не каждое устройство генерирует прерывания. Например, монитор ПК не выдает прерываний: он «всегда готов», т.е. всегда может принять данные для отображения, и он «никогда не ошибается», точнее сказать, его неисправность обнаруживается «на глаз».
2.4 Архитектура подсистемы ввода вывода
С программной точки зрения, устройство (или его контроллер) обычно представлено одним или несколькими регистрами. Регистр устройства - это адресуемое машинное слово, используемое для обмена данными или сигналами между устройством и процессором. Можно выделить два основных типа регистров.
Регистр данных служит для обмена данными. Запись данных в такой регистр (если она возможна) означает вывод данных на устройство, чтение данных из регистра - ввод с устройства.
Регистр управления и состояния содержит два типа двоичных разрядов (битов). Биты состояния служат для передачи процессору информации о текущем состоянии устройства (например, флагов готовности и ошибки, сигналов прерывания). Биты управления служат для передачи на устройство команд, позволяющих задать выполняемую операцию, запустить выполнение операции, установить режимы работы устройства и т.п.
В различных компьютерах используется один из двух способов адресации регистров устройств.
Отображение регистров устройств на память. При этом способе для устройств отводится определенная часть адресного пространства памяти, а для работы с устройствами можно использовать те же команды, что и для работы с основной памятью (например, команду MOV).
Адресация регистров через порты ввода/вывода. Для портов отводится отдельное адресное пространство, и для работы с ними имеются специальные команды (например, IN и OUT).
Первый способ удобнее для программирования, поскольку позволяет использовать более широкий набор команд. Однако этот способ труднее реализовать на аппаратном уровне, поскольку аппаратура должна определять, относится ли конкретный адрес к памяти или к устройству, и по-разному обрабатывать эти два случая.
Среди различных возможных конфигураций однопроцессорной вычислительной системы принято выделять два основных типа: системы с магистральной и с радиальной архитектурой (рис. 2 _ 1).
Рис. 2 _ 1
Магистральная архитектура основана на подключении всех имеющихся устройств, включая процессор и память, к единой системной магистрали (шине), которая объединяет в себе линии передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Совместное использование магистрали различными устройствами подчиняется специальным правилам (протоколу), обеспечивающему корректность работы магистрали.
Радиальная архитектура предполагает, что каждое из устройств, включая память, подключается к процессору отдельно, независимо от других устройств, и взаимодействует с процессором по собственным правилам.
Для программиста понятия магистральной и радиальной архитектуры имеют несколько иное содержание, чем для инженера-системотехника. С точки зрения программной архитектуры, неважно, подсоединено ли устройство к процессору напрямую или через посредство системной магистрали. Важно то, какие сигналы должна посылать и принимать программа, работающая с устройством, и какие команды могут для этого использоваться.
Основная особенность магистральной архитектуры - единообразный способ подключения всех устройств. Структура регистров устройства стандартизуется, при этом определяется, какими сигналами любое устройство может обмениваться с процессором и каким разрядам регистра должны соответствовать эти сигналы. Конечно, не всякое устройство нуждается в использовании всего набора стандартных сигналов. Некоторые типы устройств могут, например, не генерировать прерываний, не сообщать об ошибках. Но те сигналы, которые устройство использует, должны соответствовать стандарту данной магистрали.
Преимуществом магистральной архитектуры является простота подключения новых типов устройств, поэтому такая архитектура особенно удобна для открытых вычислительных систем, т.е. таких, которые рассчитаны на расширяемый набор периферийных устройств.
Напротив, для радиальной архитектуры характерен индивидуальный выбор способа подключения, наиболее удобного для каждого типа устройств. При этом в принципе можно достичь экономии аппаратных ресурсов и более высокой эффективности. Случается даже, что в одном порту объединяются управляющие сигналы от нескольких разных устройств. Очевидно, подобная архитектура удобна только в том случае, когда она рассчитана на постоянный набор устройств. Расширение радиальной системы всегда вызывает затруднения.
Исходя их этих определений, не так уж легко точно охарактеризовать современные IBM-совместимые ПК. Исходная модель IBM PC имела довольно четко выраженную радиальную архитектуру и небольшой набор стандартных устройств. В последующих моделях были сделаны значительные шаги по стандартизации подключения новых устройств. Однако и сегодня эти компьютеры не тянут на магистральную архитектуру в полном смысле слова: у них для этого слишком много разных шин.
Важной деталью архитектуры современных компьютеров является такое устройство, как контроллер прямого доступа к памяти (ПДП, англ. DMA - Direct Memory Access).
Если обычно весь обмен данными идет через регистры процессора, то ПДП подразумевает прямой перенос данных с устройства в память или обратно.
Роль процессора в данном случае только в том, чтобы инициировать операцию ввода/вывода блока данных, послав соответствующие команды контроллеру ПДП. Далее процессор не участвует в выполнении обмена данными.
Завершив операцию, контроллер ПДП посылает сигнал прерывания, извещая об этом процессор. Это позволяет повысить производительность системы за счет частичной разгрузки процессора и магистрали.
2.5 Способы организации ввода вывода
2.5.1 Ввод вывод по опросу и по прерываниям
Рассмотрим более подробно работу программы, непосредственно выполняющей ввод или вывод данных на конкретное устройство. (На самом деле, этой работой обычно занимается драйвер устройства, так что мы фактически рассматриваем логику работы драйвера.)
Для определенности положим, что программа должна выдать N байт данных из массива A на символьное устройство X.
Для операции ввода могут использоваться те же подходы, которые будут рассмотрены здесь для операции вывода.
Пусть архитектура устройства представлена регистром данных X.DATA и флагом готовности X.READY. Когда X.READY = TRUE, в регистр X.DATA можно выдавать очередной байт данных.
Запишем на псевдокоде, близком к языку Паскаль, варианты организации соответствующей программы.
а) Ввод/вывод без проверки готовности
i := 1;
while i <= N do begin
X.DATA := A[i];
i := i + 1;
end;
Этот «наглый» способ вывода вполне работоспособен, если используется «всегда готовое» устройство (например, монитор), т.е. флаг X.READY всегда истинен и потому вообще не нужен. При попытке использовать тот же подход для вывода на принтер мы убедились бы, что напечатаны будут лишь некоторые символы, которым посчастливилось быть выданными в редкие моменты готовности принтера.
б) Ввод/вывод по опросу готовности
i := 1;
while i <= N do begin
while not X.READY do
;
X.DATA := A[i];
i := i + 1;
end;
Здесь добавлен цикл ожидания, в котором не делается ничего, кроме постоянной циклической проверки готовности устройства. Передача данных происходит только тогда, когда устройство готово. Поскольку после выдачи одного байта устройство вполне может опять перейти в состояние неготовности, следует опять выполнять цикл ожидания, пока выданный символ не будет обработан устройством.
Такая организация ввода/вывода позволяет корректно работать с любыми устройствами. Этот способ действительно применяется в некоторых однозадачных системах. Недостатком данного способа является непроизводительная трата времени на постоянное «долбление» флага готовности. При современном соотношении скоростей работы процессора и периферии, цикл ожидания может повторяться миллионы раз перед выдачей каждого байта. Более того, если по каким-то причинам устройство вообще не перейдет в состояние готовности, то работа всей системы может быть парализована бесконечным циклом ожидания.
в) Ввод/вывод по прерываниям
i := 1;
while i <= N do begin
X_INT: if not X.READY
return;
X.DATA := A[i];
i := i + 1;
end;
Здесь исчез цикл ожидания, вместо него - однократная проверка готовности и оператор возврата, если не готово.
Куда, собственно, происходит возврат? Чтобы это понять, надо вспомнить, что данный фрагмент - явно не единственная программа, работающая в данный момент на ЭВМ. Очевидно, операция вывода была начата операционной системой по запросу какой-то программы. Данный фрагмент был вызван как подпрограмма ОС, и возврат означает передачу управления ОС. Как система распорядится полученным временем? Это уже совсем другой вопрос, не связанный с вводом/выводом. Например, ОС может переключиться на другой процесс. Или, от нечего делать, запустить экранную заставку либо программу самотестирования.
Но как же быть с брошенной на полпути операцией вывода? Для ее возобновления будет использовано аппаратное прерывание, которое должно выдать устройство X при переходе в состояние готовности. Системный обработчик прерывания должен будет передать управление по адресу, обозначенному меткой X_INT. После нелишней дополнительной проверки готовности программа вывода передаст очередной байт на устройство, затем снова проверит готовность и, возможно, вновь вернет управление системе. Таким образом, выполнение ввода/вывода разбивается на отдельные интервалы работы при готовности устройства, перемежающиеся работой системы, пока устройство не готово.
Для устройств, использующих контроллер ПДП, возможные варианты организации работы остаются, по сути, теми же, но только используются гораздо более крупные операции: вместо ввода или вывода одного элемента данных выполняется ввод/вывод целого блока данных, и только после этого контроллер переходит в состояние готовности и генерирует прерывание.
2.5.2 Активное и пассивное ожидание
Поговорим подробнее об одном важном различии между способами ввода/вывода по опросу готовности и по прерываниям.
Основной особенностью ввода/вывода по опросу готовности является цикл ожидания. Если выполняется ввод или вывод на медленное устройство (например, матричный принтер), то этот скромно выглядящий цикл будет занимать, мягко говоря, 99% всего времени работы процессора. Если происходит ожидание ввода с клавиатуры, то процессор вообще не будет делать ничего полезного, пока пользователь не удосужится нажать клавишу.
Такое абсурдное использование процессора может быть оправдано разве что в том случае, если для него нет никакой более полезной работы. Это возможно в случае однозадачной ОС, когда работающая прикладная программа не может продвигаться дальше, пока не завершена операция ввода/вывода. В этом случае ввод/вывод по опросу не лишен определенных достоинств: он не связан с обработкой прерываний, которая требует некоторого времени, а потому замедляет реакцию на переход устройства в состояние готовности.
Способ ожидания программой некоторого события, основанный на постоянной циклической проверке ожидаемого условия, называется активным ожиданием (busy waiting). Это понятие применяется не только по отношению к вводу/выводу, но и во многих других ситуациях, возникающих при работе системных и прикладных программ.
Если рассматривается многозадачная ОС, в которой может быть несколько активных задач одновременно, то активное ожидание становится совершенно неприемлемым. В этом случае расход процессорного времени на выполнение циклического опроса наносит прямой ущерб другим программам, которые могли бы использовать это время более осмысленно. Поэтому при разработке многозадачных систем, как при вводе/выводе, так и в некоторых других ситуациях, обязательно реализуется пассивное ожидание, т.е. такая реализация ожидания, при которой ожидающая программа не затрачивает процессорного времени. Для реализации пассивного ожидания всегда в той или иной форме используются аппаратные прерывания. Частным примером пассивного ожидания является рассмотренный выше ввод/вывод по прерываниям.
2.5.3 Синхронный и асинхронный ввод вывод
Программист, разрабатывающий прикладные программы, не должен думать о таких вещах, как способ работы системных программ с регистрами устройств. Система скрывает от приложений детали низкоуровневой работы с устройствами. Однако различие между организацией ввода/вывода по опросу и по прерываниям находит определенное отражение и на уровне системных функций, в виде функций для синхронного и асинхронного ввода/вывода.
Выполнение функции синхронного ввода/вывода включает в себя запуск операции ввода/вывода и ожидание завершения этой операции. Только после завершения ввода/вывода функция возвращает управление вызвавшей программе.
Синхронный ввод/вывод - это наиболее привычный для программистов способ работы с устройствами. Стандартные процедуры ввода/вывода языков программирования работают именно таким способом.
Вызов функции асинхронного ввода/вывода означает только запуск соответствующей операции. После этого функция сразу возвращает управление вызвавшей программе, не дожидаясь завершения операции.
Рассмотрим, например, асинхронный ввод данных. Понятно, что программа не может обращаться к данным, пока нет уверенности, что их ввод завершен. Но вполне возможно, что программа может пока что заняться другой работой, а не простаивать в ожидании.
Рано или поздно программа все-таки должна приступить к работе с введенными данными, но предварительно убедиться, что асинхронная операция уже завершилась. Для этого различные ОС предоставляют средства, которые можно разбить на три группы.
Ожидание завершения операции. Это как бы «вторая половина синхронной операции». Программа сначала запустила операцию, потом выполнила какие-то посторонние действия, а теперь ждет окончания операции, как при синхронном вводе/выводе.
Проверка завершения операции. При этом программа не ожидает, а только проверяет состояние асинхронной операции. Если ввод/вывод еще не завершен, то программа имеет возможность еще какое-то время погулять.
Назначение процедуры завершения. В этом случае, запуская асинхронную операцию, программа пользователя указывает системе адрес пользовательской процедуры или функции, которая должна быть вызвана системой после завершения операции. Сама программа может больше не интересоваться ходом ввода/вывода, система напомнит ей об этом в нужный момент, вызвав указанную функцию. Этот способ наиболее гибкий, поскольку в процедуре завершения пользователь может предусмотреть любые действия.
В Windows прикладной программе доступны все три способа завершения асинхронных операций. В UNIX асинхронных функций ввода/вывода нет, однако тот же эффект асинхронности может быть достигнут иначе, путем запуска дополнительного процесса.
Асинхронное выполнение ввода/вывода позволяет в некоторых случаях повысить производительность работы и обеспечить дополнительные функциональные возможности. Без такой простейшей формы асинхронного ввода, как «ввод с клавиатуры без ожидания», были бы невозможны многочисленные компьютерные игры и тренажеры. В то же время логика программы, использующей асинхронные операции, сложнее, чем при синхронных операциях.
А в чем заключается упомянутая выше связь между синхронными/асинхронными операциями и способами организации ввода/вывода, рассмотренными в предыдущем пункте? Ответьте сами на этот вопрос.
2.6 Буферизация и кэширование
2.6.1 Понятие буферизации
Буферизацию в самом широком смысле можно определить как такую организацию ввода/вывода, при которой данные не передаются непосредственно с устройства в заданную область памяти (или из области памяти на устройство), а предварительно направляются во вспомогательную область памяти, называемую буфером. Как правило, организуемые системой буферы невидимы для прикладного программиста, он получает данные как готовый результат. Нередко данные «по дороге» проходят через несколько буферов разного назначения.
Существует несколько причин для использования буферизации, важнейшие из которых рассмотрены ниже.
2.6.2 Сглаживание неравномерности скоростей процессов
Достаточно часто в работе ОС встречается ситуация, когда один процесс порождает данные, которые должны оперативно обрабатываться другим процессом. В качестве примера можно привести прием по сети данных, которые должны обрабатываться браузером или другой прикладной программой.
Скорость приема данных очень неравномерна: интервалы времени интенсивного поступления данных перемежаются с интервалами простоя. Обработка данных прикладной программой тоже не обязательно идет с постоянной скоростью. В результате, хотя средняя скорость обработки может быть вполне достаточной, не исключено, что в некоторые моменты обрабатывающая программа будет «захлебываться» данными. Это может привести к потере части данных, не успевших пройти обработку.
Стандартным решением в этой ситуации является использование буфера, размер которого достаточно велик, чтобы вместить все данные, ожидающие обработки. Чем больше буфер, тем меньше вероятность потери данных из-за его переполнения.
2.6.3 Распараллеливание ввода и обработки
Во многих вычислительных системах имеются аппаратные возможности совместить во времени выполнение операций ввода/вывода и обработку данных процессором. Чтобы использовать эти возможности, данные при вводе направляются в буфер. После заполнения буфера его данные пересылаются в обрабатывающую программу, а их обработка выполняется параллельно с накоплением следующей порции данных в буфере.
Еще более эффективна схема работы с двумя переключаемыми буферами. Пока в первом буфере накапливаются вводимые данные, предыдущая порция данных обрабатывается во втором буфере, без потери времени на пересылку. Затем буфера меняются ролями: в первом буфере обрабатывается следующая введенная порция данных, а второй буфер используется для ввода, и т.д.
Аналогичным образом буферизация может использоваться и при выводе данных.
В некоторых случаях оказывается выгодно выполнять ввод «с опережением», т.е. вводить те данные, которые пока не запрошены обрабатывающим процессом, но по всей вероятности скоро понадобятся.
2.6.4 Согласование размеров логической и физической записи
Логической записью называют порцию данных, указанную в операторе ввода/вывода. Размер логической записи определяется логикой работы программы или, например, логической структурой базы данных.
При фактическом выполнении чтения или записи на блочное устройство обрабатывается порция данных, называемая физической записью или блоком. Размер физической записи определяется особенностями устройства (для диска это один сектор) и никак не связан с логикой программы.
На рис. 2_2 показана ситуация, когда логическая запись содержит 100 байт, а физическая - 512 байт.
Рис. 2 _ 2
Предположим, что логические записи в последовательном порядке записываются в файл на диске. Если каждый оператор вывода логической записи будет вызывать немедленную запись на диск, то выдача первых пяти логических записей потребует пять раз выполнить последовательность операций: «чтение физической записи с диска - изменение 100 байт - запись измененной записи на диск». На шестой раз получится еще хуже, поскольку придется читать - изменять - записывать не одну, а две физических записи.
Использование буфера для накопления данных до размера физической записи позволяет резко сократить количество операций записи на диск и почти полностью исключить чтение с диска.
2.6.5 Редактирование при интерактивном вводе
Несколько особняком от других форм буферизации стоит использование буфера строки при вводе с клавиатуры.
Для пользователя привычно, что в процессе ввода числовых или строковых значений он может легко откорректировать ошибки ввода: «забить» неверный символ, вернуться в любое место вводимой строки и внести там изменения и т.п. При этом прикладная программа «не видит» процесса редактирования строки, она получает всю строку целиком после нажатия, например, клавиши Enter. Чтобы обеспечить возможность редактирования вводимой строки, используется буфер строки, выделяемый либо ОС, либо библиотекой времени выполнения конкретной системы программирования. Все редактирование выполняется над символами, которые помещаются в этот буфер подпрограммами ввода с клавиатуры. После нажатия Enter происходит либо копирование символов из буфера в массив, выделенный прикладной программой, либо передача этой программе указателя на буфер.
2.6.6 Кэширование дисков
Очень важной, специфической формой буферизации является кэширование Источник термина не совсем понятен. Среди значений английского слова «cash» наиболее подходящим кажется «наличные деньги» - та мелочь в кошельке, которая позволяет не обращаться каждый раз в банк ради мелких покупок.. Этот термин означает использование сравнительно небольшой по объему, но быстродействующей памяти для того, чтобы уменьшить количество обращений к более медленной памяти большого объема.
Идея кэширования основывается на так называемой гипотезе о локальности ссылок. Эта гипотеза заключается в следующем. Если в какой-то момент времени произошло обращение к определенному участку данных, то в ближайшее время можно с высокой вероятностью ожидать повторения обращений к тем же самым данным или же к соседним участкам данных. Конечно, локальность ссылок нельзя считать законом, однако практика показывает, что эта гипотеза оправдывается для подавляющего большинства программ.
В современных вычислительных системах может использоваться несколько уровней кэширования. В данном курсе не рассматривается аппаратный кэш процессора, позволяющий сократить число обращений к основной памяти за счет использования быстродействующих регистров. К работе ОС более прямое отношение имеет программное кэширование устройств произвольного доступа (дисковых накопителей). В этом случае гипотезу о локальности ссылок можно переформулировать более конкретно: если программа выполнила чтение или запись данных из некоторого блока диска, то весьма вероятно, что в скором будущем последуют еще операции чтения или записи данных из того же блока.
В роли быстродействующей памяти (кэша) здесь выступает массив буферов, размещенный в системной памяти. Каждый буфер состоит из заголовка и блока данных, соответствующего по размеру блоку (сектору) диска. Заголовок буфера содержит адрес блока диска, копия которого в данный момент содержится в буфере, и несколько флагов, характеризующих состояние буфера.
Когда система получает запрос на чтение или запись определенного блока данных диска, она прежде всего проверяет, не содержится ли в данный момент копия этого блока в одном из буферов кэша. Для этого требуется выполнить поиск по заголовкам буферов. Если блок найден в кэше, то обращение к диску выполняться не будет. Вместо этого данные читаются из буфера или, соответственно, записываются в буфер. В случае записи данных следует также в заголовке буфера отметить с помощью специального флага, что буфер стал «грязным», т.е. его содержимое не соответствует данным на диске.
Если требуемый блок диска не найден в кэше, то для него должен быть выделен буфер. Проблема в том, что общее количество буферов кэша ограничено. Чтобы отдать один из них под требуемый блок, надо «вытеснить» из кэша один из блоков, которые там хранились. При этом, если вытесняемый блок «грязный», то он должен быть «очищен», т.е. записан на диск. При вытеснении «чистого» блока никаких операций с диском выполнять не надо.
Какой из блоков, хранящихся в кэше, следует выбрать для вытеснения, чтобы сократить общее количество обращений к диску? Это крайне важный вопрос, и если он будет решаться неправильно, то вся работа системы может затормозиться из-за постоянных обращений к диску.
Имеется теоретически оптимальное решение данной задачи, которое заключается в следующем. Число обращений к диску будет минимально, если каждый раз выбирать для вытеснения тот блок данных, к которому в будущем дольше всего не будет обращений. К сожалению, воспользоваться этим правилом на практике невозможно, так как последовательность обращений к блокам диска непредсказуема. Данный теоретический результат полезен только как недостижимый идеал, с которым можно сравнивать результаты применения более реалистичных алгоритмов выбора.
Среди алгоритмов, используемых на практике, лучшим считается алгоритм LRU (Least Recently Used, в вольном переводе «давно не использовавшийся»). Он заключается в следующем: выбирать для вытеснения следует тот блок, к которому дольше всего не было обращений. Здесь как раз используется принцип локальности ссылок: раз обращений давно не было, то, вероятно, их и не будет в ближайшее время.
Как на практике реализуется выбор блока по правилу LRU? Очевидное решение - при каждом обращении к буферу записывать в его заголовке текущее время, а при выборе для вытеснения искать самую раннюю запись - слишком громоздко и медленно. Есть гораздо лучшая возможность.
Все буферы кэша связываются в линейный список. В заголовке каждого буфера хранится ссылка на следующий по порядку списка буфер (фактически хранится индекс этого буфера в массиве буферов). При каждом обращении к блоку данных для чтения или записи выполняется также перемещение соответствующего буфера в конец списка. Это не означает перемещения данных, хранящихся в буфере, изменяются только несколько ссылок в заголовках.
В результате постоянного перемещения использованных блоков в конец списка буферов этот список оказывается отсортированным по возрастанию времени последнего обращения. В начале списка оказывается тот буфер, к данным которого дольше всего не было обращений. Он-то нам и нужен как кандидат на вытеснение.
На рис. 2_3 показан массив буферов, связанный в список.
Рис. 2_3
Теперь о «грязных» буферах. В каких случаях должна выполняться их «очистка», т.е. запись блока данных из кэш-буфера на диск? Можно назвать три таких случая.
Выбор блока для вытеснения из кэша.
Закрытие файла, к которому относятся «грязные» блоки. Общепринято, что при закрытии файла должно выполняться его сохранение на диске.
Операция принудительной очистки всех буферов либо только буферов, относящихся к определенному файлу. Подобная операция может выполняться для повышения надежности хранения данных, как страховка от возможных сбоев. В ОС UNIX, например, очистка всех буферов традиционно выполняется каждые 30 с.
Следует признать, что кэширование операций записи на диск, в отличие от кэширования чтения, всегда создает определенную опасность потери данных. В случае случайного сбоя системы, отключения питания и т.п. может оказаться, что важная информация, которую следовало записать на диск, застряла в грязных буферах кэша и была поэтому потеряна. Вспомните, как поступает Windows при очередной загрузке после некорректного выключения компьютера. Это неизбежная плата за значительное повышение производительности системы. Программы, требующие высокой надежности работы с данными (например, банковские программы), обычно записывают данные прямо на диск. При этом кэш либо не используется вообще, либо в кэш-буфер заносится копия данных, которая может пригодиться при последующих операциях чтения.
«Узким местом» кэширования дисков является поиск требуемого блока данных в кэше. Как было описано выше, для этого система просматривает заголовки буферов. Если кэш состоит из нескольких сотен буферов, время поиска будет ощутимо. Один из возможных приемов ускорения поиска, используемый в UNIX, показан на рис. 2 _ 4.
Рис. 2 _ 4
В UNIX каждый кэш-буфер может входить одновременно в два линейных списка. Один из них, называемый «списком свободных блоков», это знакомый нам LRU-список, используемый для определения блока, подлежащего вытеснению. Слово «свободный» не значит «пустой»; в данном случае это слово означает блок, не занятый в текущий момент в операции чтения/записи, выполняемой каким-нибудь процессом. Другой список называется «хеш-цепочкой» и используется для ускорения поиска нужного блока.
При записи в буфер данных, соответствующих некоторому блоку диска, номер хеш-цепочки, в которую будет помещен этот буфер, определяется как остаток от деления номера блока на N - количество хеш цепочек. Для наглядности на рисунке принято значение N = 10. Таким образом, блоки с номерами 120, 40, 90 попадают в цепочку 0, блоки 91, 1, 71 в цепочку 1 и т.д. Когда система ищет в кэше блок с определенным номером, она прежде всего по номеру блока определяет, в какой из хеш-цепочек этот блок должен находиться. Если блока нет в этой цепочке, то его вообще нет в кэше. Таким способом удается сократить поиск в лучшем случае в N раз (это если все цепочки окажутся одинаковой длины).
Перемещение буфера из одной хеш-цепочки в другую, как и его перемещение в конец списка свободных блоков, не требует перезаписи всего блока данных в памяти и выполняется путем изменения ссылок в заголовках блоков.
Еще одна особенность кэширования дисков в UNIX состоит в том, что при обнаружении в начале списка свободных блоков «грязных» буферов система запускает процессы их очистки, но не дожидается завершения этих процессов, а выбирает для вытеснения первый по списку чистый блок. После завершения очистки блоки возвращаются в начало списка свободных блоков, оставаясь первыми кандидатами на вытеснение.
2.6.7 Опережающее чтение
В том случае, если обработка данных ведется последовательным образом (от начала файла к концу), кэширование не дает значительного эффекта. После того, как обработаны данные из одного блока, дальнейшее пребывание этого блока в кэш-буфере бесполезно. Значительно более полезной в этом случае может оказаться другая специальная форма буферизации, известная как опережающее чтение. Она заключается в том, что при обращении к некоторому блоку диска система, выполнив чтение требуемого блока, считывает затем еще несколько следующих за ним блоков. Если аппаратура позволяет выполнять операцию чтения одновременно с обработкой ранее прочитанных данных, то велика вероятность, что к моменту, когда следующий блок данных будет запрошен для обработки, этот блок уже окажется прочитанным.
Как правило, системе неизвестно, будет ли обработка файла вестись в режиме последовательного или произвольного доступа, поэтому часто используется та или иная комбинация кэширования с опережающим чтением. В Windows программа, открывающая файл, может указать системе, для какого способа доступа желательно оптимизировать механизм буферизации.
Идея опережающего чтения получила интересное развитие в Windows XP. В этой системе введен механизм опережающей загрузки данных (prefetch), который основан на автоматическом сборе и хранении статистики о том, какие файлы и каталоги используются в ходе загрузки ОС и при запуске конкретных приложений, а также какие данные читаются из этих файлов в первые минуты работы. При последующих загрузках ОС и запусках приложений система выполняет ожидаемые операции чтения еще до того, как они будут в действительности запрошены загружаемыми компонентами ОС или приложением. При этом система планирует порядок операций таким образом, чтобы сократить перемещения читающих головок и тем самым ускорить загрузку данных.
2.7 Драйверы устройств
Драйвер устройства - это системная программа, которая под управлением ОС выполняет все операции с конкретным периферийным устройством. Драйвер является как бы посредником между ОС и устройством. Перед драйверами стоят две одинаково важные, но трудно совместимые задачи:
обеспечить возможность стандартного обращения к любому устройству, скрывая от остальных частей ОС специфические особенности отдельных устройств;
добиться максимально эффективного использования всех функциональных возможностей и особенностей конкретных устройств.
Возможность стандартными средствами работать с разными устройствами очень желательна с точки зрения архитектуры ОС и удобства программирования. Было бы крайне противно, если бы при написании прикладной программы нужно было заранее учитывать, какая модель принтера будет использоваться для выдачи результатов. Наоборот, в большинстве случаев прикладной программист даже не должен знать, будет ли это принтер или плоттер-графопостроитель, или же результаты будут отображаться на экране. Большие проблемы могли бы возникнуть и при замене одной модели принтера, диска, монитора на другую, если бы такая замена потребовала переписывать заново все программы, работающие с этим устройством. Другое дело, если все особенности устройства учитываются в одном-единственном месте, а именно - в драйвере этого устройства.
Разумеется, полностью скрыть все различия между устройствами невозможно. Никаким образом нельзя приравнять, скажем, диск к клавиатуре, и даже разные типы дисков похожи, но не совсем. Например, для дискет можно выполнить такую операцию, как проверка смены носителя (фактически при этом проверяется, открывался ли карман дисковода). Для жестких дисков эта операция не имеет смысла.
В большинстве ОС различаются, как минимум, два разных типа драйверов: для символьных и для блочных устройств.
Обращаясь к драйверу, ОС указывает функцию, которую требуется выполнить. Список этих функций общий для драйверов различных устройств, при этом каждый драйвер может реализовать только те функции, которые имеют смысл для данного устройства. Наиболее общими являются функции чтения данных, записи данных, инициализации устройства (эта функция вызывается системой один раз, сразу после загрузки), открытия и закрытия устройства (используются, когда символьное устройство открывается как файл). Для блочных устройств имеют смысл функции форматирования, поиска сектора. Для символьных устройств ввода - функция «неразрушающего ввода», т.е. проверки очередного символа без его изъятия из входного потока.
Для того, чтобы учесть все разнообразие возможных операций, в число функций драйвера вводят такую, как «выполнение специальных функций», и здесь уже для каждого устройства определен свой набор этих специальных функций.
Типичный драйвер устройства содержит, как минимум, три основных блока:
заголовок драйвера;
блок стратегии;
блок прерываний.
Заголовок содержит различную информацию о данном драйвере и об управляемом устройстве. Сюда может включаться имя устройства, тип устройства, число однотипных устройств, обслуживаемых одним драйвером, объем памяти на устройстве и т.п. Заголовок содержит также адреса блока стратегии и блока прерываний.
В обязанность блока стратегии входит прием заявок на выполнение операции, ведение очереди заявок (в многозадачных системах, а также при асинхронных операциях, выполнения могут дожидаться несколько заявок), а также запуск операции и ее завершение.
Заявка на выполнение операции представляет собой стандартную запись, формируемую системой перед обращением к драйверу. Заявка содержит код требуемой функции драйвера и сведения об адресе данных в памяти и на устройстве, о количестве передаваемых данных. Заявка также содержит поле, в которое драйвер должен будет записать код завершения операции (обычно 0 - нормально выполненная операция, другие значения - коды ошибок).
Блок прерываний выполняет примерно тот алгоритм, который в п. 2.5.1 назывался вводом/выводом по прерываниям. Система вызывает этот блок, когда получает сигнал прерывания от устройства, обслуживаемого драйвером. Закончив выполнение заявки, блок прерываний возвращает управление блоку стратегии для завершения операции.
Помимо трех основных блоков, в разных ОС драйверы могут содержать, например, блок инициализации (он используется один раз при загрузке ОС, а затем может быть выгружен из памяти), блок изменения параметров драйвера и др.
В последние годы возрастающее усложнение периферийных устройств и самих ОС сделало популярной многоуровневую схему использования драйверов. По этой схеме, помимо описанных выше низкоуровневых драйверов аппаратуры, допускается еще создание высокоуровневых драйверов, лежащих между драйверами аппаратуры и остальной частью ОС. Высокоуровневый драйвер не содержит блока прерываний, он принимает заявки от системы, преобразует данные тем или иным образом, а затем вызывает низкоуровневый драйвер для работы с устройством. Например, высокоуровневый графический драйвер может преобразовывать команды рисования фигур, заливок, текста в набор команд конкретной модели принтера, а связанный с ним драйвер параллельного порта отвечает за передачу этих команд принтеру
Для диска можно реализовать в виде отдельного драйвера алгоритм шифрации данных, которые потом передаются обычному драйверу диска.
2.8 Управление устройствами в MS-DOS
2.8.1 Уровни доступа к устройствам
Система MS-DOS предоставляет пользователю возможности доступа к устройствам на нескольких уровнях, отличающихся степенью близости к аппаратуре. Нижние уровни позволяют более полно использовать тонкие особенности устройств, но за это приходится платить сложностью программирования. Верхние уровни более удобны для решения стандартных задач ввода/вывода.
Уровни доступа к устройствам показаны на рис. 2 _ 5.
Рис. 2 _ 5
Самый нижний уровень предполагает, что программа пользователя работает непосредственно с портами ввода/вывода, а также, если это необходимо, частично или полностью берет на себя обработку аппаратных прерываний, поступающих от устройства. В принципе, программа пользователя может вообще не использовать средства MS-DOS для работы с устройствами, но при этом ей придется взять на себя много скучной работы.
В работе MS-DOS широко используются возможности, предоставляемые BIOS (Basic Input/Output System, базовая система ввода/вывода) - набором программных модулей, записанных в постоянной памяти (ПЗУ) компьютера. BIOS по умолчанию выполняет обработку всех аппаратных прерываний, если эту работу не берет на себя DOS или прикладная программа. Кроме того, BIOS содержит процедуры обработки ряда программных прерываний ввода/вывода.
Программные прерывания BIOS представляют собой подпрограммы, выполняющие операции ввода/вывода и управления конкретными устройствами. Для каждого из стандартных устройств зарезервирован свой номер прерывания, а для указания требуемой операции используется номер функции, который заносится в один из регистров процессора перед вызовом прерывания.
Драйверы устройств не вызываются непосредственно из программы пользователя. Они вызываются из функций DOS и выполняют заданную операцию, обычно используя для этого программные прерывания BIOS, хотя возможна и прямая работа драйвера с портами и аппаратными прерываниями.
Функции DOS, в отличие от прерываний BIOS, работают не с конкретной аппаратурой, а с именованными устройствами. Имена устройств задаются в заголовках соответствующих драйверов. Например, для DOS клавиатура и экран объединяются драйвером консольного устройства CON.
Процедуры ввода/вывода, используемые в языках программирования (например, Read и Write в Паскале, scanf и printf в C), при компиляции реализуются как подходящие вызовы функций DOS или, в особых случаях, программных прерываний BIOS.
2.8.2 Драйверы устройств в MS-DOS
Драйвер устройства в MS-DOS состоит из трех блоков с известными нам названиями: заголовок драйвера, блок стратегии и блок прерываний. При близком рассмотрении оказывается, однако, что сходство ограничивается в основном названиями блоков.
Заголовок драйвера содержит основную информацию об устройстве: символьное или блочное устройство; для символьных устройств - имя устройства; для блочных - количество однотипных устройств, обслуживаемых данным драйвером; не является ли данное устройство системной консолью, системными часами или пустым устройством; какие специальные операции поддерживает устройство.
В заголовке содержатся адреса блока стратегии и блока прерываний, а также адрес заголовка следующего драйвера в списке. Когда система должна выполнить запрос на ввод/вывод, она просматривает список всех драйверов, пока не найдет устройство с нужным именем (если задано символьное устройство) или, для блочного устройства, не определит, какой по счету драйвер соответствует указанному номеру (букве) диска. Затем система вызывает блок стратегии найденного драйвера, передавая ему адрес заявки на выполнение операции. Затем вызывается блок прерываний.
Подобные документы
Проектирование ОС Windows 2000, ее архитектура. Процессы и потоки. Уровни запросов на прерывания. Менеджер объектов. Распределение виртуальной памяти. Трансляция виртуальных адресов в физические. Локальный вызов процедуры. Структура сообщения LPC.
презентация [1,5 M], добавлен 24.01.2014Сущность и принцип работы операционной системы, правила и преимущества ее использования. Возможности различных операционных систем, их сильные и слабые стороны. Сравнительная характеристика систем Unix и Windows NT, их потенциал и выполняемые задачи.
реферат [10,5 K], добавлен 09.10.2009Три группы компонентов в составе современной операционной системы: ядро (планировщик и драйверы устройств), системные библиотеки, оболочка с утилитами. Типы архитектур ядер операционных систем: монолитное, модульное, гибридное, микро-, экзо-, наноядро.
курсовая работа [22,1 K], добавлен 27.05.2014Важность операционной системы для мобильных устройств. Популярность операционных систем. Доля LINUX на рынке операционных систем. История OS Symbian, BlackBerry OS, Palm OS. Отличия смартфона от обычного мобильного телефона. Учет ограничений по памяти.
презентация [477,3 K], добавлен 01.12.2015Назначение и функции операционных систем компьютера. Аппаратные и программные ресурсы ЭВМ. Пакетные ОС. Системы с разделением времени: Multics, Unix. Многозадачные ОС для ПК с графическим интерфейсом: Windows, Linux, Macintosh. ОС для мобильных устройств.
курсовая работа [53,4 K], добавлен 05.12.2014Характеристика, функции, типы, виды и состав операционных систем. Первая коммерческая система unix system. Операционные системы, основанные на графическом интерфейсе, пи–система, семейство unix. История и основные предпосылки появления ОС Windows.
курсовая работа [66,9 K], добавлен 18.01.2011Основные классификации операционных систем. Операционные системы семейства OS/2, UNIX, Linux и Windows. Разграничение прав доступа и многопользовательский режим работы. Пользовательский интерфейс и сетевые операции. Управление оперативной памятью.
реферат [22,8 K], добавлен 11.05.2011Разграничение прав пользователя в операционной системе. Предварительная настройка операционной системы с последующей установкой драйверов для периферийных устройств и системных комплектующих. Классификация операционных систем и периферийных устройств.
реферат [2,1 M], добавлен 26.10.2022Основные понятия об операционных системах. Виды современных операционных систем. История развития операционных систем семейства Windows. Характеристики операционных систем семейства Windows. Новые функциональные возможности операционной системы Windows 7.
курсовая работа [60,1 K], добавлен 18.02.2012Эволюция и классификация ОС. Сетевые операционные системы. Управление памятью. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем. Семейство операционных систем UNIX. Сетевые продукты фирмы Novell. Сетевые ОС компании Microsoft.
творческая работа [286,2 K], добавлен 07.11.2007
