Программный интерфейс ввода-вывода

Вектор прерываний– резидентный массив, содержащий адреса обработчиков прерываний в операционной системе, - используется с целью переадресовки прерывания для обработки соответствующим обработчиком (handler).

Прерывания

Опрос устройств

Операционная система с помощью прерываний по таймеру организует опрос устройств– периодический анализ состояния каждого внешнего устройства. В процессе работы в состоянии устройств могли произойти изменения, например, пользователь установил флэшку в USB-порт, включил или выключил принтер и т.д. При опросе устройств ОС определяет состояние каждого устройства, которое может быть следующим:

• command-ready – готово к выполнению команд;
• busy – занато;
• error – ошибка.

При выполнении ввода-вывода аппаратура организует цикл busy-waitожидания ввода-вывода с устройством: если устройство занято, процесс ждет его освобождения.

Линия запросов на прерывания (interrupt request – IRQ)переключается устройством ввода-вывода, которое сигнализирует с помощью запроса на прерывание о начале или окончании ввода-вывода.

Обработчик прерываний получает сигнал о прерывании. Сигнал может быть замаскирован (maskable),чтобы игнорировать или задержать прерывание – например, если прерывание произошло в обработчике другого прерывания.

Работа с вектором прерываний основана на приоритетах внешних устройств, инициировавших прерывания.

На рис. 21.2 приведена схема ввода-вывода, управляемого прерываниями.

Рис. 21.2. Ввод-вывод, управляемый прерываниями.

В таблица 2 приведены номера прерываний в процессоре Intel Pentium.

Ввод-вывод с прямым доступом к памяти (DMA)

Как уже отмечалось ранее, при традиционной организации ввода-вывода контроллер устройства использует собственную буферную память, что приводит к необходимости двойной пересылки данных – сначала процессор пересылает данные в буфер, созданный ОС, затем ОС пересылает данные в буфер устройства. Ввод-вывод с прямым доступом к памяти (Direct Memory Access – DMA)- более эффективная схема организации ввода-вывода, основанная на использовании фрагмента основной памяти в качестве буфера устройства для выполнения ввода-вывода. Схема .используется с целью избежать программируемого ввода-вывода для больших пересылок данных. Схема требует специальной аппаратуры – DMA-контроллера – в настоящее время такие контроллеры приобретают все более широкое распространение. DMA позволяет избежать участия процессора в пересылках больших объемов данных непосредственно между устройством ввода-вывода и памятью.

На рис. 21.3 приведена схема организации DMA.

Рис. 21.3. Процесс выполнения ввода-вывода по схеме DMA.

При проектировании и реализации программного интерфейса (API) ввода-вывода используются принципы уровней абстракции.

Модули операционной системы, реализующие системные вызовы для ввода-вывода, инкапсулируют поведение конкретных устройств ввода-вывода и обеспечивают более абстрактный интерфейс.

Более низкий уровень, уровень драйверов устройств, скрывает различия между контроллерами ввода-вывода конкретных устройств от ядра ОС.

Устройства ввода-вывода различаются по многим параметрам в силу их специфики, например:

• Устройство для работы с потоками символов или с блоками;
• Устройство последовательного или прямого доступа;
• Разделяемое или специализированное (монополизируемое) устройство;
• Различия по скорости выполнения операций устройствами;
• Устройство для чтения/записи, или только для чтении, или только для записи.

Структура модулей ввода-вывода в ядре, разработанная и реализованная по этим принципам, изображена на рис. 21.4.

Рис. 21.4. Структура модулей ввода-вывода в ядре ОС.

Классификация устройств ввода-вывода по различным характеристикам и их примеры приведены в таблица 3.