Система управления вводом-выводом

Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода. Поскольку в рамках модели, принятой в данном курсе, все, что выполняется в вычислительной системе, организовано как набор процессов, эти два вида работы выполняются процессами. Процессы занимаются обработкой информации и выполнением операций 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.

Объяснение того, что именно делает процессор при обработке информации, как он решает задачу и какой алгоритм выполняет, не входит в задачи нашего курса. Это скорее относится к курсу "Алгоритмы и структуры данных", с которого обычно начинается изучение информатики. Как операционная система управляет обработкой информации, мы разобрали ранее, в деталях описав два состояния процессов – исполнение (а что его описывать то?) и готовность (очереди планирования и т. д.), а также правила, по которым осуществляется перевод процессов из одного состояния в другое (алгоритмы планирования процессов).

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.

Прежде чем говорить о работе операционной системы при осуществлении операций ввода-вывода, нам придется вспомнить некоторые сведения из курса "Архитектура современных ЭВМ и язык Ассемблера", чтобы понять, как осуществляется передача информации между оперативной памятью и внешним устройством и почему для подключения к вычислительной системе новых устройств ее не требуется перепроектировать.

Физические принципы организации ввода-вывода

Существует много разнообразных устройств, которые могут взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д., вплоть до устройств отображения и ввода информации в авиационно-космических тренажерах. Часть этих устройств может быть встроена внутрь корпуса компьютера, часть – вынесена за его пределы и общаться с компьютером через различные линии связи: кабельные, оптоволоконные, радиорелейные, спутниковые и т. д. Конкретный набор устройств и способы их подключения определяются целями функционирования вычислительной системы, желаниями и финансовыми возможностями пользователя. Несмотря на все многообразие устройств, управление их работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом наборе принципов, которые мы постараемся разобрать в этом разделе.

Общие сведения об архитектуре компьютера

В простейшем случае процессор, память и многочисленные внешние устройства связаны большим количеством электрических соединений – линий, которые в совокупности принято называть локальной магистралью компьютера. Внутри локальной магистрали линии, служащие для передачи сходных сигналов и предназначенные для выполнения сходных функций, принято группировать в шины. При этом понятие шины включает в себя не только набор проводников, но и набор жестко заданных протоколов, определяющий перечень сообщений, который может быть передан с помощью электрических сигналов по этим проводникам. В современных компьютерах выделяют как минимум три шины:

• шину данных, состоящую из линий данных и служащую для передачи информации между процессором и памятью, процессором и устройствами ввода-вывода, памятью и внешними устройствами;
• адресную шину, состоящую из линий адреса и служащую для задания адреса ячейки памяти или указания устройства ввода-вывода, участвующих в обмене информацией;
• шину управления, состоящую из линий управления локальной магистралью и линий ее состояния, определяющих поведение локальной магистрали . В некоторых архитектурных решениях линии состояния выносятся из этой шины в отдельную шину состояния.

Количество линий, входящих в состав шины, принято называть разрядностью ( шириной ) этой шины. Ширина адресной шины, например, определяет максимальный размер оперативной памяти, которая может быть установлена в вычислительной системе. Ширина шины данных определяет максимальный объем информации, которая за один раз может быть получена или передана по этой шине.

Операции обмена информацией осуществляются при одновременном участии всех шин. Рассмотрим, к примеру, действия, которые должны быть выполнены для передачи информации из процессора в память. В простейшем случае необходимо выполнить три действия.

1. На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу ячейки памяти, в которую будет осуществляться передача информации.
2. На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть записана в память.
3. После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с памятью, что приведет к занесению необходимой информации по нужному адресу.

Естественно, что приведенные выше действия являются необходимыми, но недостаточными при рассмотрении работы конкретных процессоров и микросхем памяти. Конкретные архитектурные решения могут требовать дополнительных действий: например, выставления на шину управления сигналов частичного использования шины данных (для передачи меньшего количества информации, чем позволяет ширина этой шины); выставления сигнала готовности магистрали после завершения записи в память, разрешающего приступить к новой операции, и т. д. Однако общие принципы выполнения операции записи в память остаются неизменными.

В то время как память легко можно представить себе в виде последовательности пронумерованных адресами ячеек, локализованных внутри одной микросхемы или набора микросхем, к устройствам ввода-вывода подобный подход неприменим. Внешние устройства разнесены пространственно и могут подключаться к локальной магистрали в одной точке или множестве точек, получивших название портов ввода-вывода . Тем не менее, точно так же, как ячейки памяти взаимно однозначно отображались в адресное пространство памяти, порты ввода-вывода можно взаимно однозначно отобразить в другое адресное пространство – адресное пространство ввода-вывода. При этом каждый порт ввода-вывода получает свой номер или адрес в этом пространстве. В некоторых случаях, когда адресное пространство памяти (размер которого определяется шириной адресной шины ) задействовано не полностью (остались адреса, которым не соответствуют физические ячейки памяти) и протоколы работы с внешним устройством совместимы с протоколами работы с памятью, часть портов ввода -вывода может быть отображена непосредственно в адресное пространство памяти (так, например, поступают с видеопамятью дисплеев), правда, тогда эти порты уже не принято называть портами. Надо отметить, что при отображении портов в адресное пространство памяти для организации доступа к ним в полной мере могут быть задействованы существующие механизмы защиты памяти без организации специальных защитных устройств.

В ситуации прямого отображения портов ввода-вывода в адресное пространство памяти действия, необходимые для записи информации и управляющих команд в эти порты или для чтения данных из них и их состояний, ничем не отличаются от действий, производимых для передачи информации между оперативной памятью и процессором, и для их выполнения применяются те же самые команды. Если же порт отображен в адресное пространство ввода-вывода, то процесс обмена информацией инициируется специальными командами ввода-вывода и включает в себя несколько другие действия. Например, для передачи данных в порт необходимо выполнить следующее.

• На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу порта, в который будет осуществляться передача информации, в адресном пространстве ввода-вывода.
• На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть передана в порт.
• После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с устройствами ввода-вывода (переключение адресных пространств!), что приведет к передаче необходимой информации в нужный порт.

Существенное отличие памяти от устройств ввода-вывода заключается в том, что занесение информации в память является окончанием операции записи, в то время как занесение информации в порт зачастую представляет собой инициализацию реального совершения операции ввода-вывода. Что именно должны делать устройства, приняв информацию через свой порт, и каким именно образом они должны поставлять информацию для чтения из порта, определяется электронными схемами устройств, получившими название контроллеров . Контроллер может непосредственно управлять отдельным устройством (например, контроллер диска), а может управлять несколькими устройствами, связываясь с их контроллерами посредством специальных шин ввода-вывода (шина IDE, шина SCSI и т. д.).

Современные вычислительные системы могут иметь разнообразную архитектуру, множество шин и магистралей, мосты для перехода информации от одной шины к другой и т. п. Для нас сейчас важными являются только следующие моменты.

• Устройства ввода-вывода подключаются к системе через порты.
• Могут существовать два адресных пространства: пространство памяти и пространство ввода-вывода.
• Порты, как правило, отображаются в адресное пространство ввода-вывода и иногда – непосредственно в адресное пространство памяти.
• Использование того или иного адресного пространства определяется типом команды, выполняемой процессором, или типом ее операндов.
• Физическим управлением устройством ввода-вывода, передачей информации через порт и выставлением некоторых сигналов на магистрали занимается контроллер устройства.

Именно единообразие подключения внешних устройств к вычислительной системе является одной из составляющих идеологии, позволяющих добавлять новые устройства без перепроектирования всей системы.