Подсистема ввода-вывода. Файловые системы

7.3. Согласование скоростей обмена и кэширования данных

При обмене данными всегда возникает задача согласования скоростей работы устройств. Решение этой задачи достигается буферизацией данных [10, 17]. В подсистеме ввода-вывода часто используется буферизация в оперативной памяти. Однако буферизация только на основе оперативной памяти часто оказывается недостаточной из-за большой разницы скоростей работы оперативной памяти, и внешнего устройства объема оперативной памяти может просто не хватить. В этих случаях часто используют в качестве буфера дисковый файл, называемый спул-файлом. Типичный пример применения спулинга – вывод данных на принтер (для печатаемых документов объем в несколько Мбайт – не редкость, поэтому временное хранение такого файла в течение десятков минут в оперативной памяти нецелесообразно).

Другим решением проблемы является использование большой буферной памяти в контроллерах внешних устройств. Такой подход полезен в тех случаях, когда помещение данных на диск слишком замедляет обмен (или когда данные выводятся на сам диск). Например, в контроллерах графических дисплеев применяется буферная память, соизмеримая по обмену с оперативной памятью, и это существенно ускоряет вывод графика на экран.

При рассмотрении различных методов буферизации нужно учитывать, что существует, как отмечалось, два типа устройств – блочные и символьные. Первые сохраняют информацию блоками фиксированного размера и передают поблочно (диски, ленты). Вторые выполняют передачу в виде неструктурированных потоков байтов (терминалы, принтеры, манипулятор мыши, сканеры и др.).

Возможные схемы буферизации ввода-вывода приведены на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Варианты буферизации

Простейший тип поддержки со стороны ОС – одинарный буфер. В тот момент, когда пользовательский процесс выполняет запрос ввода-вывода, операционная система назначает ему буфер в системной части оперативной памяти. Работа одинарного буфера для блочно-ориентированных устройств может быть описана следующим образом. Сначала осуществляется передача входных данных в системный буфер. Когда она завершается, процесс перемещает блок в пользовательское пространство и немедленно производит запрос следующего блока. Такая процедура называется опережающим считыванием, или упреждающим вводом.

Подобный подход по сравнению с отсутствием буферизации обеспечивает повышение быстродействия, поскольку пользовательский процесс может обрабатывать один блок данных в то время, когда происходит считывание следующего блока.

Пусть Т – время, необходимое для ввода одного блока, а С – для вычислений, выполняющихся между запросами на ввод-вывод. Без буферизации время выполнения, приходящееся на один блок, будет равно Т + С. При использовании одинарной буферизации время будет равно max [С, T] + M, где М – время перемещения данных из системного буфера в пользовательскую память. В большинстве случаев T + C > max [C, T] + M.

Схема одинарного буфера может быть применена и при поточно-ориентированном вводе-выводе – построчно или побайтно ( в строчных принтерах, терминалах и др.). Например, при операции вывода пользовательский процесс может разместить в буфере строку и продолжить работу. Улучшить схему одинарной буферизации можно путем использования двух буферов. Теперь процесс выполняет передачу данных в один буфер (или считывает из него), в то время как ОС освобождает (или заполняет) другой. Эта технология известна как двойная буферизация, или сменный буфер.

Время выполнения при блочно-ориентированной передаче можно грубо оценить как max [C, T]. Таким образом, если C <= T, то блочно-ориентированное устройство может работать с максимальной скоростью. Если C > T, то двойная буферизация избавляет процесс от необходимости ожидания завершения ввода-вывода.

Двойной буферизации может оказаться недостаточно, если процесс часто выполняет ввод или вывод. Решить проблему помогает наращивание количества буферов. Если буфер больше двух, схема именуется циклической буферизацией.

Буферизация данных позволяет не только согласовать скорости работы процессора и внешних устройств, но и решить другую задачу – сократить количество реальных операций ввода-вывода за счет кэширования данных. Дисковый кэш является непременным атрибутом подсистем ввода-вывода практически всех операционных систем и значительно сокращает время доступа к хранимым данным.

7.4. Разделение устройств и данных между процессами

Устройства ввода-вывода могут предоставляться процессам как в монопольном, так и разделенном режиме. При этом ОС должна обеспечивать контроль доступа теми же способами, что и при доступе процессов к другим ресурсам вычислительной системы, – путем проверки прав пользователя или группы пользователей, от имени которых действует процесс, на выполнение той или иной операции над устройством.

ОС может контролировать доступ не только к устройству в целом, но и к отдельным порциям данных, хранимых этим устройством. Диск является типичным примером такого устройства, где важно контролировать доступ к файлам и каталогам. В последнем случае непременным является задание режима совместного использования устройства в целом.

Одно и то же устройство в разные периоды времени может работать как в разделяемом, так и в монопольном режимах. Тем не менее, существуют устройства, для которых характерен один из этих режимов, например, последовательные порты и алфавитно-цифровые терминалы чаще используются в монопольном режиме, а диск – в режиме совместного доступа.

В случае совместного использования ОС должна оптимизировать последовательность операций ввода-вывода для различных процессов в целях повышения общей производительности. Например, при обмене данными нескольких процессов с диском можно так упорядочить последовательность операций, что непроизводительные затраты времени на перемещение головок существенно уменьшаются (при этом для отдельных процессов возможно некоторое замедление операции ввода-вывода).

При разделении устройства между процессами может возникнуть необходимость в разграничении данных процессов друг от друга. Обычно такая потребность появляется при совместном использовании последовательных устройств, которые, в отличие от устройств прямого доступа, не адресуются. Типичный представитель такого устройства – принтер. Для таких устройств организуется очередь заданий на вывод, при этом каждое задание представляет собой порцию данных, которую нельзя разрывать, например, документ для печати.

Для хранения очереди заданий используется спул-файл, который согласует скорость работы принтера и оперативной памяти и позволяет организовать разбиение данных на логические порции. Процессы могут одновременно выполнять вывод на принтер, помещая данные в свой раздел спул-файла.

7.5. Обеспечение логического интерфейса между устройствами и системой

Разнообразие устройств ввода-вывода делает актуальной функцию операционной системы по созданию экранирующего логического интерфейса между периферийными устройствами и приложениями.

Практически все современные ОС поддерживают в качестве такого интерфейса файловую модель периферийных устройств, когда любое устройство выглядит для прикладного программиста последовательным набором байт, с которым можно работать с помощью унифицированных системных вызовов (например, read, write), задавая имя файла-устройства и смещение от начала последовательности байт.

Привлекательность модели файла-устройства состоит в ее простоте и унифицированности для устройств любого типа, однако во многих случаях для программирования операций ввода-вывода некоторого устройства она является слишком бедной. Поэтому данная модель часто используется в качестве базиса, над которым подсистема ввода-вывода строит более содержательную модель устройства конкретного типа.

7.6. Поддержка широкого спектра драйверов

Разнообразный набор драйверов для широкого круга популярных периферийных устройств – непременное условие популярности ОС у пользователей.

Для разработки драйверов производителями внешних устройств необходимо наличие четкого, удобного, открытого и хорошо документированного интерфейса между драйверами и другими компонентами ОС. Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра ОС (модулями подсистемы ввода-вывода, модулями системных вызовов, модулями подсистем управления процессами и памятью), а с другой стороны – с контроллерами внешних устройств. Поэтому существует два вида интерфейсов: интерфейс "драйвер-ядро" (Driver Kernel Interface, DKI) и интерфейс "драйвер-устройство" (Driver Device Interface).

Интерфейс "драйвер-ядро" должен быть стандартизован в любом случае. Подсистема ввода-вывода может поддерживать несколько различных интерфейсов DKI/DDI, предоставляя специфический интерфейс для устройств определенного класса. К наиболее общим классам относятся блочные устройства, например, диски, и символьные устройства, такие как клавиатура и принтеры. Может существовать класс сетевых адаптеров и др. В большинстве современных ОС определен стандартный интерфейс, который должен поддерживать все блочные драйверы, и второй стандартный интерфейс, поддерживаемый всеми символьными адаптерами. Эти интерфейсы включают наборы процедур, которые могут вызываться остальной операционной системой для обращения к драйверу. К этим процедурам относятся, например, процедуры чтения блока или записи символьной строки.

Кроме того, подсистема ввода-вывода поддерживает большое количество системных функций, которые драйвер может вызывать для выполнения некоторых типовых действий. Например, это операции обмена с регистрами контроллера, ведения буферов промежуточного хранения данных ввода-вывода, взаимодействия с DMA-контроллером и контроллером прерываний и др.

У драйверов устройств есть множество функций, перечисленных ниже [17].

1. Обработка запросов записи-чтения от программного обеспечения управления устройствами. Постановка запросов в очередь.
2. Проверка входных параметров запросов и обработка ошибок.
3. Инициализация устройства и проверка статуса устройства.
4. Управление энергопотреблением устройства.
5. Регистрация событий в устройстве.
6. Выдача команд устройству и ожидание их выполнения, возможно, в блокированном состоянии, до поступления прерывания от устройства.
7. Проверка правильности завершения операции.
8. Передача запрошенных данных и статуса завершенной операции.
9. Обработка нового запроса при незавершенном предыдущем запросе (для реентерабельных драйверов).

Наиболее очевидная функция состоит в обработке абстрактных запросов чтения и записи независимого от устройств программного обеспечения, расположенного над ними. Но, кроме этого, они должны выполнять еще несколько функций. Например, драйвер должен при необходимости инициализировать устройство. Ему может понадобиться управлять энергопотреблением устройства и регистрацией событий.

Многие драйверы обладают сходной общей структурой. Типичный драйвер начинает работу с проверки входных параметров. Если они не удовлетворяют определенным критериям, драйвер возвращает ошибку. В противном случае драйвер преобразует абстрактные термины в конкретные. Например, дисковый драйвер преобразует линейный номер кластера в номер головки, дорожки и сектора.

Затем драйвер может проверить, не используется ли это устройство в данный момент. Если устройство занято, запрос может быть поставлен в очередь. Если устройство свободно, проверяется статус устройства, чтобы понять, может ли запрос быть обслужен прямо сейчас. Может оказаться необходимым включить устройство или запустить двигатель, прежде чем начнется перенос данных. Как только устройство включено и готово, начинается собственно управление устройством.

Управление устройством подразумевает выдачу ему серии команд. Именно в драйвере определяется последовательность команд в зависимости от того, что должно быть сделано. Определившись с командой, драйвер начинает записывать их в регистры контроллера устройства. После записи каждой команды в контроллер, возможно, будет нужно проверить, принял ли контроллер команду и готов ли принять следующую. Такая последовательность действий продолжается до тех пор, пока контроллеру не будут переданы все команды. Некоторые контроллеры способны принимать связные списки команд, находящихся в памяти. Они сами считывают и выполняют их без дальнейшей помощи ОС.

После того как драйвер передал все команды контроллеру, ситуация может развиваться по двум сценариям. Во многих случаях драйвер устройства должен ждать, пока контроллер не выполнит для него определенную работу, поэтому он блокируется до тех пор, пока прерывание от устройства не разблокирует его. В других случаях операция завершается без задержек и драйверу не нужно блокироваться. В любом случае по завершении выполнения операции драйвер должен проверить, завершилась ли операция без ошибок. Если все в порядке, драйверу, возможно, придется передать данные (например, только что прочитанный блок) независимому от устройств программному обеспечению. Наконец, драйвер возвращает информацию о состоянии для информирования вызывающей программы о статусе завершения операции. Если в очереди находились другие запросы, один из них теперь может быть выбран и запущен. В противном случае драйвер блокируется в ожидании следующего запроса.

Для поддержки процесса разработки драйверов операционной системы выпускается так называемый пакет DDK (Driver Development Kit), представляющий собой набор инструментальных средств-библиотек, компиляторов и отладчиков.