Blog literacki, portal erotyczny - seks i humor nie z tej ziemi
Do spisu tresci tematu 7
7.1.1 Podstawowe pojecia zwiazane z podsystemem wejscia
- wyjscia
Spis tresci
Wprowadzenie
Podzial na urzadzenia blokowe i urzadzenia znakowe
Przerwania kontra odpytywanie
Bibliografia
Pytania i odpowiedzi
Wprowadzenie
System operacyjny nie posiadajacy systemu wejscia-wyjscia pozostaje
czarna skrzynka bez jakiegokolwiek dostepu z zewnatrz. Dzieki systemowi
wejscia-wyjscia mozliwa jest obsluga urzadzen zewnetrznych, umozliwiajacych
roznorodna komunikacje uzytkownika z systemem. W dzisiejszych systemach
niezbednymi urzadzeniami sa szeroko pojete terminale (jednostki terminalowe
- np. X-TERMy, klawiatury i monitory podpiete do PC-ta lub tez wirtualne
terminale obslugiwane przez siec), pamieci masowe (dyski, streamery, CD-ROMy,
etc.), drukarki, modemy, karty sieciowe, karty graficzne i dzwiekowe, etc.
Oprocz fizycznych urzadzen niektore wirtualne mechanizmy systemu operacyjnego
moga byc obslugiwane przez system jako urzadzenia wejscia-wyjscia (np.
sterownik pamieci czy tez mechanizm komunikacji korzystajacy z wirtualnych
terminali "pty").
Podzial na urzadzenia blokowe i urzadzenia znakowe
Komunikacja z urzadzeniami sprowadza sie do przesylania znakow (albo
bajtow - jak kto woli). Dostep do urzadzen zewnetrznych mozemy podzielic
na dostep blokowy i znakowy. Dostep znakowy (inaczej surowy) jest to rodzaj
dostepu w ktorym przy odczycie zadania mozemy podzielic na poszczegolne
znaki. W dostepie blokowym najmniejsza jednostka na jaka mozemy podzielic
zadanie jest blok - pewien pakiet znakow o okreslonej dlugosci.
Przynajmniej teoretycznie wszystkie urzadzenia powinny udostepniac dostep
znakowy, a tylko niektore dostep blokowy. W praktyce niektore sterowniki
urzadzen daja nam jedynie dostep blokowy, uznajac dostep znakowy za zbedny.
Przykladem urzadzenia blokowego moze byc dysk twardy, stacje dyskietek,
ZIP drive-y, etc. Urzadzenia znakowe to np. terminale i myszy. Pewne fizyczne
parametry urzadzen wymuszaja uzycie danego trybu dostepu (jako jedynego
logicznego sposobu dostepu). Trudno sobie wyobrazic dostep do myszy w trybie
blokowym - musielibysmy wtedy czekac na reakcje komputera dopiero po wykonaniu
odpowiedniej liczby ruchow... (mysz przesylalaby dopiero wtedy dane, gdy
dopelnilibysmy bufor myszy do pelnego bloku). Dostep do dysku w trybie
znakowym powodowalby znaczne spowolnienie komunikacji, poniewaz juz na
poziomie hardware'owego mechanizmu obslugi dysku czytany jest od razu caly
sektor. Gdybysmy chcieli odczytac caly sektor w trybie znakowym, bylby
on czytany tyle razy, ile zawiera znakow.
Dostep do urzadzen blokowych sprowadza sie do zapisu / odczytu blokow
o stalej wielkosci. Dla wszystkich urzadzen blokowych Linux dostarcza mechanizm
pamieci buforowej, dzieki ktoremu mozemy uzyskac znaczne przyspieszenie
komunikacji. O ile system otrzyma zadanie odczytu bloku, sprawdza najpierw
czy w pamieci buforowej nie znajduje sie aktualna kopia tego bloku (wtedy
nie trzeba go czytac z urzadzenia). Pamiec buforowa moze rowniez zapewniac
strategie opoznionego zapisu oraz odczytu naprzod (read-ahead). Wiecej
o tym w czesci dotyczacej dyskow.
Przerwania kontra odpytywanie
Za niskopoziomowy dostep do danego urzadzenia odpowiada tzw. sterownik
(driver). Jest to zbior funkcji potrafiacych wykonywac zadania zapisu,
odczytu oraz konfiguracji dla danego urzadzenia. Sterownik zazwyczaj jest
dostarczany przez producenta danego urzadzenia.
Sterowniki mozemy podzielic na dwie glowne kategorie:
- sterowniki odpytujace (polling drivers)
- sterowniki przerwaniowe (interrupt driven drivers)
Sterownik odpytujacy nie korzysta z przerwan, wykonuje na raz jedno
zadanie i to w sposob ciagly (nie przerywa pracy na wykonanie innego zadania).
Najwazniejsza jednak cecha (jak rowniez najwieksza wada) jest blokowanie
systemu podczas odczytu z urzadzenia (aktywne czekanie na mozliwosc zapisu
/ odczytu). Zaleta jest prosta budowa sterownika, niewielki naklad pracy
systemu na obsluge wejscia/wyjscia (nie liczac aktywnego czekania) oraz
nie zajmowanie przerwan. Ostatnia cecha jest o tyle wazna, ze czesto dysponujemy
niewielka liczba wolnych przerwan.
Sterowniki odpytujace mozna stosowac do urzadzen, dla ktorych rzadko
wystepuje sytuacja wielu zlecen w jednym czasie albo tez sa one rownie
szybkie jak procesor.
W zamieszczonym przykladzie zadanie Procesu 1 jest realizowane, a Proces
2 musi czekac na zwolnienie urzadzenia. Oczekiwanie to jest realizowane
przez aktywne czekanie - co jakis czas Proces 2 sprawdza, czy urzadzenie
jest wolne. Dodatkowo warto zauwazyc, ze Proces 1 aktywnie czeka na otrzymanie
wynikow.
Sterownik przerwaniowy dzieki przerwaniom jest w stanie uniknac aktywnego
czekania. W przypadku urzadzen blokowych dodatkowo moze byc wykorzystana
pamiec buforowa:
Zadanie odczytu / zapisu jest kierowane najpierw do pamieci buforowej.
W przypadku zadania odczytu, gdy nie ma w pamieci buforowej odpowiednich
blokow, zadanie jest odkladane na pewna kolejke, z ktorej zadania sa pobierane
przez urzadzenie (niekoniecznie po jednym). W oczekiwaniu na dane, system
operacyjny moze wykonywac inne zadania. Urzadzenie po wykonaniu pobranych
zadan wysyla PRZERWANIE, ktore budzi sterownik urzadzenia, ktory zajmuje
sie odeslaniem danych do pamieci buforowej, skad moga byc one pobrane przez
proces.
W przypadku zadania zapisu, system moze zadecydowac o odlozeniu na kolejke
zadania zapisu, albo tez moze przetrzymac dane zadanie na pewien okres
(opozniony zapis).
W Linuxie niektore urzadzenia moga byc sterowane na obydwa sposoby.
Np. sterownik drukarki standardowo dziala jako sterownik odpytujacy, ale
lokalizujac karte I/O dostarczajaca przerwanie dla drukarki, sterownik
moze przejsc w tryb przerwaniowy.
INFORMACJE DODATKOWE:
W Kernel
Hacker's Guide mozna przeczytac o innym rodzaju sterownikow
- sterownikach dzialajacych w obszarze pamieci uzytkownika (user-space
device drivers). Obsluga wejscia-wyjscia dziala wtedy w trybie uzytkownika
(a nie jadra), a pamiec procesu jest wykorzystywana jako bufor pomiedzy
procesem a urzadzeniem. Jest to dosc zgrabny chwyt na znaczne przyspieszenie
komunikacji z urzadzeniem, z zachowaniem jednak pewnych specyficznych warunkow:
dostep do urzadzenia ma tylko jeden proces, ktory dodatkowo musi pracowac
w trybie super uzytkownika (superuser). Jako przyklad w KHG mozna obejrzec
biblioteke vgalib - do szybkiej komunikacji z karta graficzna.
Bibliografia
Michael
K. Johnson - "Linux Kernel Hackers' Guide"
Michael K. Johnson
- "Writing Linux Device Drivers - from a talk given at Spring DECUS'95
in Washington, DC."
Maurice J. Bach "Budowa systemu operacyjnego UNIX", WNT, Warszawa
1995
Pytania i odpowiedzi
Mile widziane...
Aby zadac pytanie
Autor: Stanislaw Orzel