Организация ввода-вывода в операционных системах

Подсистема ввода-вывода обеспечивает обмен данными между приложениями и периферийными устройствами

К основным компонентам п/с относятся драйверы и файловая система

Основные задачи:

  • Организация параллельной работы устройств и процессора
  • Кэширование данных
  • Разделение устройств и данных между процессами
  • Удобный логический интерфейс
  • Простое включение нового драйвера и файловых систем
  • Поддержка синхронных и асинхронных операций

Организация параллельной работы устройств и процессора

Каждому устройству ввода-вывода соответствует специальное устройство управления – контроллер. Контроллер работает параллельно с процессором и взаимодействует с прикладными программами через посредство особой программы ОС – драйвера.

Подсистема ввода-вывода обслуживает контроллер в реальном масштабе времени, т.е. на уровне электрических сигналов. Для приемлемого уровня реакции все драйверы разделяются на несколько приоритетных уровней. Для реализации приоритетной схемы используется диспетчер прерываний

Кэширование данных

В общем случае скорость генерации данных и их чтения не совпадают. Для согласования данные вводится буферизация , доступ к которому синхронизируется. Буфер обычно располагается в ОЗУ

При больших объемах ввода — вывода, памяти может не хватать и в таких случаях под буфер используется дисковый файл: спул-файл

Другим решением является оснащение контроллера буферной памятью, соизмеримой с ОЗУ

Буферизация решает и другую задачу — сократить количество реальных обращений к устройствам за счет кэширования (дисковый кэш)

Разделение устройств и данных между процессами

Устройства ввода — вывода могут предоставляться процессам в монопольное или совместное использование.

Устройства типа диск позволяют разграничить доступ с точностью до отдельных порций данных, со своими правами

Другие устройства, например терминал, используется только в монопольном режиме

Принтер не выделяется в монопольное использование, но разграничивает порции выдач разных процессов

Удобный логический интерфейс

Практически все современные ОС поддерживают в качестве основного логического интерфейса файловую модель устройств ввода-вывода, когда любое устройство – последовательность байтов, с которыми можно работать с помощью системных вызовов типа Read, Write

На этой базе строится более сложная модель устройств ввода-вывода, с учетом их специфики

Простое включение новых драйверов

Достоинством любой современной ОС является разнообразие набора драйверов для наиболее популярных устройств и поддержка нескольких файловых систем

Удобный интерфейс между драйверами и другими компонентами ОС, необходим для того, чтобы драйверы писали не только разработчики ОС, но и производители устройств

Существуют два типа интерфейсов:

  • “драйвер-ядро” (Driver Kernel Interface, DKI) для взаимодействия с ядром ОС и
  • интерфейс “драйвер-устройство” (Driver Device Interface, DDI) для взаимодействия с контроллером

Для поддержки разработки драйверов обычно выпускается пакет DDK (Driver Development Kit)

Поддержка нескольких файловых систем

Данные на дисках организуются в файловые системы (ФС). Свойства ФС во многом определяют свойства ОС (отказоустойчивость, быстродействие, емкость и пр.)

Популярные системы мигрируют из одной ОС в другую (например FAT мигрировала из MS DOS в OS/2, MS Windows, Unix)

Обычно в ОС имеется слой программного обеспечения, отвечающий за простоту подключения новой файловой системы. Например, слой VFS (Virtual File System) в версиях Unix.

Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.

Операция ввода-вывода может выполнятся по отношению к модулю, запросившему операцию, синхронно и асинхронно, т.е. с ожиданием завершения операции или без ее ожидания.

Системные вызовы ввода-вывода из пользовательского процесса выполняются чаще как синхронные, в связи с тем, что такие операции выполняются долго и потоку все равно придется ждать результата

При микроядерной архитектуре прикладной процесс может запросить и асинхронную операцию ввода-вывода.

Внутренние же вызовы ядра обычно выполняются асинхронно, для свободы дальнейшего поведения ОС

Многослойная модель подсистемы В-В

Многослойная модель подсистемы ввода-вывода

Менеджер ввода-вывода.

В подсистеме ввода-вывода есть модуль общего назначения, который организует работу всех компонентов системы ввода-вывода, это менеджер ввода-вывода. Он образует некую оболочку

Основные задачи менеджера:

  • системные вызовы ввода-вывода,
  • взаимодействие с контроллером,
  • поддержка внутреннего интерфейса взаимодействия модулей ввода-вывода,
  • взаимодействие с другими модулями ОС

Пример: среда STREAMS для UNIX

Организация ввода-вывода в операционных системах
Средний процент в баллах: 100%
всего голосов: 1
среднее: 5

Помогая проекту BEST-EXAM, вы делаете образование более доступным для каждого человека, внесите и вы свой вклад -
поделитесь этой статьей в социальных сетях!
стрелка вверх best-exam