12. Ввод-вывод в программном режиме: шинная архитектура, машинный цикл, командный цикл: варианты реализации механизма запрос-ответ.

Программно-управляемый ввод-вывод означает обмен данными с внешними

устройствами с использованием команд процессора. Передача данных

происходит через регистры процессора и при этом в конечном счете может

реализовываться обмен собственно с процессором, обмен внешнего устройства

с памятью, обмен между внешними устройствами. Прерывания обычно

генерируются устройствами ввода-вывода, которые таким образом хотят

обратить на себя внимание процессора

Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода.

Содержание понятий "обработка информации" и "операции ввода-вывода" зависит от того, с какой точки зрения мы смотрим на них. С точки зрения программиста, под "обработкой информации" понимается выполнение команд процессора над данными, лежащими в памяти независимо от уровня иерархии – в регистрах, кэше, оперативной или вторичной памяти. Под "операциями ввода-вывода" программист понимает обмен данными между памятью и устройствами, внешними по отношению к памяти и процессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиатура, таймер. С точки зрения операционной системы "обработкой информации" являются только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к "операциям ввода-вывода". Чтобы выполнять операции над данными, временно расположенными во вторичной памяти, операционная система, сначала производит их подкачку в оперативную память, и лишь затем процессор совершает необходимые действия.

Данная лекция будет посвящена второму виду работы вычислительной системы – операциям ввода-вывода. Мы разберем, что происходит в компьютере при выполнении операций ввода-вывода, и как операционная система управляет их выполнением. При этом для простоты будем считать, что объем оперативной памяти в вычислительной системе достаточно большой, т. е. все процессы полностью располагаются в оперативной памяти, и поэтому понятие "операция ввода-вывода" с точки зрения операционной системы и с точки зрения пользователя означает одно и то же. Такое предположение не снижает общности нашего рассмотрения, так как подкачка информации из вторичной памяти в оперативную память и обратно обычно строится по тому же принципу, что и все операции ввода-вывода.

Для учета особенностей реализации процессов ввода-вывода и специфики различного типа ПУ используются три режима ввода-вывода информации: программный ввод-вывод, ввод-вывод в режиме прерываний и с прямым доступом к памяти.

Интерфейсы должны учитывать возможность реализации всех 3-х режимов ввода-вывода.

Программный ввод-вывод. Здесь инициализация и управление процессом ввода-вывода

осуществляет процессор. Существует три способа его выполнения (см. рис.1).

Первый способ – прямой, используется для синхронных ПУ, т.е. устройств, которые всегда готовы к работе и циклов ожидания не требуется. Второй – условный с занятием цикла, когда при не готовности ПУ, процессор ждет до тех пор, пока наступит его готовность. Третий – условный с совмещением. В отличие от предыдущего, процессор не ждет готовности ПУ, а переходит к продолжению программы с периодической проверкой готовности ПУ.

Ввод-вывод в режиме прерываний. В этом случае инициатором начала процесса ввода-вывода является ПУ. Оно, когда готово, подает сигнал процессору "запрос на прерывание". Процессор, если ПУ разрешен такой режим, завершает текущую команду и переходит к выполнению процесса ввода-вывода (см. рис. 2). Сначала он осуществляет контекстное переключение, т.е. запоминает свое состояние, чтобы можно было после продолжить программу, идентифицирует ПУ и передает управление драйверу данного ПУ (ПП), который и осуществляет ввод или вывод информации. Идентификация ПУ производится с помощью адреса вектора прерывания, который содержит номер ячейки, где хранится первая команда этого драйвера. Адрес вектора прерывания ПУ передается процессору от контроллера прерываний.

Рис.2. Ввод-вывод в режиме прерывания

Следует отметить два момента. Во-первых, ПУ должно иметь, предварительно установленное, разрешение на работу в режиме прерываний. Во-вторых, возможны коллизии, когда несколько ПУ выставляют процессору запрос прерывания. Эта коллизия разрешается с помощью механизма задания уровня приоритетов для каждого ПУ. Возможна организация вложенных прерываний, когда ПУ с большим приоритетом прерывает работу ПУ с меньшим приоритетом. Все эти моменты должен учитывать стандарт на интерфейс.

Прямой доступ к памяти (см. рис. 3). Этот режим используется для высокоскоростных ПУ. В этом режиме активным устройством является контроллер прямого доступа к памяти (КПДП). Процессор, получив от КПДП заявку на прямой доступ, прерывает свою работу и отключается от интерфейса, передавая его задатчику, т.е. КПДП. Процессор при этом не выполняет контекстного переключения, а может продолжать свою работу, если она не требует интерфейса. Управление интерфейсом переходит к КПДП, который посредством выполнения операций чтения и записи передает информацию между ОЗУ и ПУ с соответствующим заданием адресов памяти. В этом режиме используется механизм задания уровня приоритетов для тех ПУ, которые работают с прямым доступом к памяти. Этот режим также должен быть предусмотрен в интерфейсах.

Как следует из вышеизложенного, канал ввода-вывода (главный контроллер) реализует функции управления общие для всех ПУ, а контроллер внешнего интерфейса учитывает специфику интерфейса, связывающего его с соответствующим ПУ.

В компьютерах, которые работают с малой интенсивностью ввода-вывода, главный контроллер (канал) ввода-вывода обычно отсутствует, а его функции берет на себя процессор. В этом случае процессор работает непосредственно с контроллером ввода-вывода ПУ, что упрощает структуру компьютера.

При работе с высокоскоростным ПУ обычно используется режим прямого доступа к памяти. Для этого режима аппаратно реализуется специальный канал ввода-вывода в виде КПДП.

Рис. 3. Режим прямого доступа к памяти

Назначение программного обеспечения ввода-вывода

Ключевая концепция разработки ПО ввода-вывода — независимость от устройств. Эта концепция означает возможность написания программ, способных получать доступ к любому устройству ввода-вывода без предварительного указания конкретного устройства. Соответственно, программа, читающая данные из входного файла, должна с одинаковым успехом работать с файлом на CD, HDD, Floppy, причем без каких-либо изменений в программе. Например, должна быть возможность выполнить команду вроде sort < input > output

Эта команда должна работать невзирая на то, что именно указано в качестве входного устройства.

Тесно связан с идеей независимости от устройств принцип единообразного именования. Имя файла или устройства должно быть просто текстовой строкой и никоим образом не зависеть от физического устройства.

Другим не менее важным аспектом программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. Ошибки должны обрабатываться как можно ближе к аппаратуре. Если контроллер обнаружил ошибку чтения, он должен по возможности исправить эту ошибку сам. Если он не в силах этого сделать, тогда ошибку обязан обработать драйвер устройства, например, попытавшись прочитать блок еще раз.

Программное обеспечение ааода-вывода разбивается на 4 уровня:

Обработчики прерываний.

Драйверы устройств.

Независимый от аппаратуры код ОС.

Пользовательские программы.