Sop_06_wyk_1.0.pdf

Systemy operacyjne

Urządzenia wejścia-wyjścia

Systemy operacyjne

Urządzenia wejścia-wyjścia

Wykład prowadzą:

Jerzy Brzeziński

Dariusz Wawrzyniak

Celem wykładu jest omówienie zagadnień obsługi urządzeń wejścia-wyjścia

(zwanych również urządzeniami zewnętrznymi lub peryferyjnymi) i realizacji

związanych z tym mechanizmów w jądrze systemu operacyjnego. Problem

obsługi urządzeń wejścia-wyjścia jest o tyle skomplikowany, że są to urządzenia

bardzo zróżnicowane pod wieloma względami, stosunkowo wolne (w

porównaniu z jednostką centralną) i stanowią najczęściej zmieniający się element

konfiguracji systemu komputerowego. Z drugiej strony urządzenia wejścia-

wyjścia stanowią „zmysły” komputera, dlatego większość z nich jest bardzo

istotna dla użytkownika i jego interakcji z systemem. Można wręcz powiedzieć,

że zwykły użytkownik postrzega komputer właśnie poprzez urządzenia wejścia-

wyjścia. Efektywność i wygoda obsługi tych urządzeń, zwłaszcza w systemach

interaktywnych, decyduje więc o ogólnym wrażeniu z jakości pracy z

komputerem.

Systemy operacyjne

Urządzenia wejścia-wyjścia

Systemy operacyjne

Plan wykładu

• Klasyfikacja urządzeń wejścia-wyjścia

• Struktura mechanizmu wejścia-wyjścia (sprzętu i

oprogramowania)

• Interakcja jednostki centralnej z urządzeniami wejścia-

wyjścia

– odpytywanie

– sterowanie przerwaniami

– bezpośredni dostęp do pamięci

• Buforowanie, przechowywanie podręczne i spooling

• Wirtualne wejście-wyjście

Urządzenia wejścia-wyjścia (2)

Treść wykładu obejmuje:

• klasyfikację urządzeń wejścia-wyjścia według różnych kryteriów,

• przedstawienie ogólnej struktury mechanizmu wejścia-wyjścia z krótkim

odniesieniem do kluczowych kwestii sprzętowych,

• omówienie sposobów interakcji jednostki centralnej z urządzeniami

wejścia-wyjścia wraz z dyskusją zagadnień efektywności,

• przedstawienie technik poprawy efektywności interakcji jednostki

centralnej z urządzeniami wejścia-wyjścia, opartych na różnych formach

buforowaniu,

• odniesienie do wirtualnego wyjścia-wyjścia, tworzonego przez jądro na

bazie urządzeń fizycznych w celu ułatwienia wykorzystania ich zasobów i

możliwości.

Systemy operacyjne

Urządzenia wejścia-wyjścia

Systemy operacyjne

Rodzaje urządzeń wejścia-wyjścia

• Urządzenia składowania danych (dyski, dyskietki, taśmy,

CD ROM, DVD itp.)

• Urządzenia transmisji danych na odległość (karty

sieciowe, modemy)

• Urządzenia do komunikacji z człowiekiem (monitory,

projektory, klawiatury, myszy, drukarki, skanery itp.)

• Urządzenia specjalizowane

– układy sterowania (np. elektrownią, samolotem,

systemem obrony antyrakietowej itd.)

– kasy i drukarki fiskalne itp.

– urządzenia medyczne

Urządzenia wejścia-wyjścia (3)

Urządzenia wejścia-wyjścia są bardzo zróżnicowane pod każdym względem.

Przedstawione wyszczególnienie dotyczy zastosowań. Warto podkreślić, że

urządzenia składowania danych sterowane są wyłącznie przez jednostkę

centralną. Są więc właściwie niezależne od zdarzeń poza systemem

komputerowym, z wyjątkiem szczególnych przypadku wyjęcia dyskietki, płyty

CD itp.

Urządzenia transmisji na odległość oprócz reakcji na sygnały sterujące ze strony

jednostki centralnej reagują również na zdarzenia zewnętrzne, związane z

przekazywaniem danych z innych jednostek. Należy tu też podkreślić, że każda

komunikacja z urządzaniem zewnętrznym jest jakąś transmisją danych.

Urządzenia transmisji danych na odległość służą do wymiany danych z innymi

komputerami, więc chodzi tu o transmisję danych pomiędzy urządzeniami o

podobnym charakterze, a nie transmisję pomiędzy jednostką centralną, a

zintegrowanym z nią urządzeniem.

Urządzenia do komunikacji z człowiekiem w ogólności też reagują zarówno na

zdarzenia wewnętrzne, jak i zewnętrzne. Zdarzenia zewnętrzne dotyczą przede

wszystkim urządzeń wejściowych i związane są z działaniami człowieka

(użytkownika). Są to więc zdarzenia, które zachodzą niezbyt często w

porównaniu z szybkością pracy jednostki centralnej, a moment ich zajścia jest

trudny do przewidzenia.

Systemy operacyjne

Urządzenia wejścia-wyjścia

Systemy operacyjne

Właściwości urządzeń wejścia-wyjścia (1)

• Tryb transmisji danych:

– znakowy — przykazywanie danych odbywa się bajt

po bajcie, przykład: port szeregowy

– blokowy — przykazywanie danych odbywa się w

blokach (np. po 512 bajtów), przykład: dysk

• Sposób dostępu do danych:

– sekwencyjny — dane przekazywane są w określonym

porządku, narzuconym przez urządzenie, przykład:

karta sieciowa

– bezpośredni (swobodny) — możliwe jest określenie

lokalizacji danych na urządzeniu, przykład: dysk

Urządzenia wejścia-wyjścia (4)

Zróżnicowanie urządzeń wejścia-wyjścia przejawia się między innymi w dużej

liczbie klasyfikacji, wynikających z różnych kryteriów.

Ze względu na tryb transmisji wyodrębnia się urządzenie znakowe i blokowe.

W przypadku urządzeń blokowych w wyniku operacji wejścia-wyjścia

następuje przekazanie bloku o ustalonym rozmiarze np. 512 B. W przypadku

urządzeń znakowych po przekazaniu bajta lub słowa konieczne jest zlecenie

następnej operacji wejścia-wyjścia w celu odebrania kolejnej takiej jednostki.

Urządzenia takie mają czasami wewnętrzny bufor, umożliwiający

przekazywanie nieco większych porcji danych.

Podział na urządzenia sekwencyjne i bezpośrednie wiąże się z łatwością

uzyskania dostępu do wybranego zakresu danych na urządzeniu. Większość

urządzeń wejścia-wyjścia pracuje w sposób sekwencyjny, czyli przekazuje

dane do jednostki centralnej w postaci pewnego strumienia bez możliwości

ograniczenia do pewnego zakresu. Jednostka centralna może co najwyżej

dokonać filtracji po odebraniu tych danych. Podobnie w przypadku

przekazywania danych do urządzenia, nie ma możliwości wskazania kolejności

przetwarzania czy zmiany kolejności ułożenia poszczególnych części. Jednym

z niewielu urządzeń o dostępie bezpośrednim jest dysk. Przed

zainicjalizowaniem właściwej operacji dostępu można odpowiednio ustawić

pozycję głowicy oraz wskazać sektor do zapisu lub odczytu. Podobne

podejście można by potencjalnie stosować w przypadku napędów taśmowych.

Zasadnicza trudność wiąże się jednak z czasem pozycjonowania,

wymagającym długotrwałego przewijania taśmy. Dlatego napędy taśmowe są

urządzeniami o dostępie sekwencyjnym.

Systemy operacyjne

Urządzenia wejścia-wyjścia

Systemy operacyjne

Właściwości urządzeń wejścia-wyjścia (2)

• Tryb pracy urządzenia:

– synchroniczny — dane zostaną przekazane w

znanym z góry (przewidywalnym) czasie, przykład:

dysk, karta graficzna

– asynchroniczny — dane mogą zostać przesłane w

dowolnym, trudnym do przewidzenia, momencie,

przykład: klawiatura, karta sieciowa

• Tryb użytkowania:

– współdzielony — dopuszczalne jest współbieżne

używanie urządzenia przez wiele procesów, np.: dysk

– wyłączny — niemożliwe jest współbieżne używanie

urządzenia przez wiele procesów, przykład: drukarka

Urządzenia wejścia-wyjścia (5)

W przypadku urządzeń synchronicznych wymagany czas pracy urządzenia

można w miarę precyzyjnie przewidzieć. Taki czas jest jednak zmienna losową,

ale o stosunkowo niewielkim rozproszeniu wartości. Na przykładzie dysku

można powiedzieć, że po ustawieniu pozycji głowicy sam czas odczytu sektora

do się precyzyjnie określić, ale opóźnienie obrotowe ma charakter losowy.

Elementem losowym, zwiększającym czas dostępu są również przypadki błędu w

odczycie sektora. Precyzyjne przewidywanie nie jest możliwe w przypadku

urządzeń „synchronizowanych” zdarzeniami zewnętrznymi. Dla jednostki

centralnej zdarzenia te zachodzą całkowicie asynchronicznie, nie da się więc

przewidzieć momentu, w którym urządzenie będzie wymagało obsługi ze strony

jednostki centralnej.

Pewne urządzenia mogą współbieżnie obsługiwać zlecenia wielu procesów. Dla

urządzenie nie ma znaczenia jaki proces czy użytkownika obsługuje. Pojęcie

procesu na poziomie architektury nawet nie istnieje. Ma to natomiast znaczenia

dla użytkownika. Dla użytkownika nie ma znaczenia, czy dysk zapisując jego

dane, wplecie pomiędzy operacje zapisu poszczególnych sektorów, operacje

zapisu lub odczytu innych sektorów, wynikające z osobnego zlecenia. Co

najwyżej nastąpi opóźnienie realizacji całego zlecenia zapisu, jest to jednak

raczej nieodczuwalne. Trudno jednak taki przeplot zaakceptować na wydruku —

jest mało prawdopodobne, żeby wydruk był czytelny.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: