Устройства графического вывода

Если устройства графического ввода (сканеры, видеограбберы, цифровые фотоаппараты) пока еще относительно редки (хотя, по мере развития цифровой фотографии, положение быстро меняется), то устройствами графического вывода снабжается каждый современный настольный и переносной компьютер. Многие встраиваемые приложения также имеют хотя бы небольшие, но дисплеи, чаще всего жидкокристаллические. Два основных практически применяемых типа дисплейных устройств – это электронно-лучевые трубки, используемые в кинескопах телевизоров и мониторах настольных компьютеров, и жидкокристаллические дисплеи. Устройства других типов – матрицы светодиодов и газоразрядные (“плазменные”) панели пока что дороги в производстве, либо не всегда приемлемы по качеству, поэтому в настоящее время еще не находят массового применения. Принцип действия ЭЛТ широко известен. Изображение в этих устройствах формируется катодным лучом – пучком электронов, испускаемых отрицательно заряженным электродом. Вспомогательные электроды и электромагниты фокусируют луч, а два набора управляемых электромагнитов – катушки горизонтальной и вертикальной развертки – отклоняют этот луч по вертикали и горизонтали. Попадая на лицевую поверхность трубки – экран – электроны заставляют светиться нанесенный на нее краситель-люминофор, формируя, таким образом, изображение. Изменяя напряжение на катоде, можно управлять яркостью луча и, соответственно, яркостью участка изображения. Люминофор светится еще какое-то время после ухода луча с него. Видеоконтроллеры, применяемые в современных персональных компьютерах и рабочих станциях, содержат более или менее сложные видеопроцессоры, способные без участия центрального процессора рисовать в видеобуфере различные графические примитивы, начиная от прямых линий и окружностей, и заканчивая проекциями и/или фотореалистичными изображениями трехмерных объектов, описываемых языком OpenGL.

Запоминающие устройства прямого доступа

Основную массу устройств этого типа составляют диски – жесткие и гибкие, магнитные, магнитооптические и оптические. Ассоциация между понятиями “постоянное запоминающее устройство прямого доступа” и “диск” столь плотно укоренилась в общественном сознании, что запоминающие устройства, основанные на иных принципах, например, устройства на флэш-памяти, иногда называют “твердотельными дисками”. Для хранения данных служит диск, покрытый ферромагнитным слоем. В современных накопителях запись осуществляется на обе стороны диска. Многие приводы с неудаляемыми дисками имеют несколько дисков. Диск может быть как гибким, так и жестким. В зависимости от способа крепления, диски делятся на съемные (удаляемые) и несъемные (фиксированные). В действительности, съемность накладывает серьезные ограничения не только на крепление диска к оси, но и на конструкцию блока головок и привода в целом, а также предъявляет определенные требования к контроллеру – тот должен отслеживать наличие носителя и, возможно, его параметры.

Драйверы внешних устройств

Драйвер (driver) представляет собой специализированный программный модуль, управляющий внешним устройством. Слово driver происходит от глагола to drive (вести) и переводится с английского языка как извозчик или шофер: тот, кто ведет транспортное средство. Драйверы обеспечивают единый интерфейс для доступа к различным устройствам, тем самым устраняя зависимость пользовательских программ и ядра ОС от особенностей аппаратуры. Драйвер не обязательно должен управлять каким-либо физическим устройством. Многие ОС предоставляют также драйверы виртуальных устройств или псевдоустройств – объектов, которые ведут себя аналогично устройству ввода-вывода, но не соответствуют никакому физическому устройству. В виде псевдоустройств реализуются трубы в системах семейства Unix и почтовые ящики в VMS. Еще одним примером полезного псевдоустройства являются устройства /dev/null в Unix и аналогичное ему \DEV\NUL в MS DOS\Windows\OS/2.

Прикладные программы, использующие собственные драйверы, не так уж редки – примерами таких программ могут быть GhostScript (свободно распространяемый интерпретатор языка PostScript, способный выводить программы на этом языке на различные устройства.

Большинство ОС общего назначения запрещают пользовательским программам непосредственный доступ к аппаратуре. Это делается для повышения надежности и обеспечения безопасности в многопользовательских системах. В таких системах драйверы являются для прикладных программ единственным способом доступа к внешнему миру. Еще одна важная функция драйвера – это взаимоисключение доступа к устройству в средах с вытесняющей многозадачностью. Допускать одновременный неконтролируемый доступ к устройству нескольких параллельно исполняющихся процессов просто нельзя, потому что для большинства внешних устройств даже простейшие операции ввода-вывода не являются атомарными. Например, в большинстве аппаратных реализации последовательного порта RS232 передача байта состоит из четырех шагов: записи значения в регистр данных, записи команды “передавать” в регистр команды, ожидания прерывания по концу передачи и проверки успешности передачи путем считывания статусного регистра устройства. Нарушение последовательности шагов может приводить к неприятным последствиям – например, перезапись регистра данных после подачи команды, но до завершения передачи, может привести к остановке передачи или, что еще хуже, передаче искаженных данных и т. д. Нельзя также забывать о неприятностях более высокого уровня – например, смешивании вывода разных процессов на печати или данных – на устройстве внешней памяти. Поэтому оказывается необходимо связать с каждым внешним устройством какой-то разграничитель доступа во времени. В современных ОС эта функция возлагается именно на драйвер. Обычно одна из нитей драйвера представляет собой процесс-монитор, выполняющий асинхронно поступающие запросы на доступ к устройству. В Unix, OS/2 и Windows NT/2000/XP этот процесс называется стратегической функцией. При определении интерфейса драйвера разработчики ОС должны найти правильный баланс между противоречивыми требованиями:

1. стремлением как можно сильнее упростить драйвер, чтобы облегчить его разработку и (косвенно) уменьшить вероятность опасных ошибок;

2. желанием предоставить гибкий и интеллектуальный интерфейс к разнообразным устройствам.

Драйверы обычно разрабатываются не поставщиками операционной системы, а сторонними фирмами – разработчиками и изготовителями периферийного оборудования. Поэтому интерфейс драйвера является ничуть не менее внешним, чем то, что обычно считается внешним интерфейсом ОС – интерфейс системных вызовов. Соответственно, к нему предъявляются те же требования, что и к любому другому внешнему интерфейсу: он должен быть достаточно простым, исчерпывающе документированным и стабильным – не меняться непредсказуемо от одной версии ОС к другой. Идеальным вариантом была бы полная совместимость драйверов хотя бы снизу вверх, чтобы драйвер предыдущей версии ОС мог использоваться со всеми последующими версиями. Потеря совместимости в данном случае означает, что все независимые изготовители оборудования должны будут обновить свои драйверы. Организация такого обновления оказывается сложной, неблагодарной и часто попросту невыполнимой задачей – например, потому, что изготовитель оборудования уже не существует как организация или отказался от поддержки данного устройства. Таким образом, интерфейс драйвера часто оказывается наиболее консервативной частью ОС. К сожалению – несмотря даже на то, что в общих чертах архитектура драйвера в большинстве современных ОС удивительно похожа – идея эта, по-видимому, нереализуема. Даже для близкородственных ОС – например, систем семейства Unix – драйверы одного и того же устройства не всегда могут быть легко перенесены из одной ОС в другую, не говоря уж о возможности использования без модификаций. Еще более удивительным является тот факт, что две линии ОС – Windows 95/98/МЕ и Windows NT/2000/XP – поставляемых одной и той же компанией Microsoft и реализующих почти один и тот же интерфейс системных вызовов, – Win32 – имеют совсем разный интерфейс драйвера. Проблема здесь в том, что интерфейс между драйвером и ядром ОС всегда двусторонний: не только прикладные программы и ядро вызывают функции драйвера, но и, наоборот, драйвер должен вызывать функции ядра. Таким образом, до тех пор, пока используются ОС различной архитектуры, разработка универсального интерфейса драйвера, если теоретически и возможна, то практически вряд ли осуществима.