Задачи ОС по управлению файлами и устройствами

Одной из главных задач операционной системы является обеспечение обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера. В современной ОС функции обмена данными с периферийными устройствами выполняет подсистема ввода-вывода. Клиентами этой подсистемы являются не только пользователи и приложения, но и некоторые компоненты самой ОС, которым требуется получение системных данных или их вывод, например, подсистеме управления процессами при смене активного процесса необходимо записать на диск контекст приостанавливаемого процесса и считать с диска контекст активизируемого процесса.

Основными компонентами подсистемы ввода-вывода являются драйверы, управляющие внешними устройствами, и файловая система. Файловая система как основное хранилище всей информации вычислительной системы рассматривается совместно с другими компонентами подсистемы ввода-вывода по двум причинам. Во-первых, файловая система активно использует остальные части подсистемы ввода-вывода, а во-вторых, модель файла лежит в основе большинства механизмов доступа к устройствам, используемых в современной подсистеме ввода-вывода.

Подсистема ввода-вывода (Input-Output Subsystem) мультипрограммной ОС при обмене данными с внешними устройствами компьютера должна решать ряд общих задач, из которых наиболее важными являются следующие:

· организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора;

· согласование скоростей обмена и кэширование данных;

· разделение устройств и данных между процессами;

· обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы;

· поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера;

· динамическая загрузка и выгрузка драйверов;

· поддержка нескольких файловых систем;

· поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.

Рассмотрим перечисленные задачи более подробно.

Организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора. Каждое устройство ввода-вывода вычислительной системы - диск, принтер, терминал и т. п. - снабжено специализированным блоком управления, называемым контроллером. Контроллер взаимодействует с драйвером - системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством. Контроллер периодически принимает от драйвера выводимую на устройство информацию, а также команды управления, которые говорят о том, что с этой информацией нужно сделать (например, вывести в виде текста в определенную область терминала или записать в определенный сектор диска). Под управлением контроллера устройство может некоторое время выполнять свои операции автономно, не требуя внимания со стороны центрального процессора.

Процессы, происходящие в контроллерах, протекают в периоды между выдачами команд независимо от ОС. От подсистемы ввода-вывода требуется спланировать в реальном масштабе времени (в котором работают внешние устройства) запуск и приостановку большого количества разнообразных драйверов, обеспечив приемлемое время реакции каждого драйвера на независимые события контроллера. При этом необходимо минимизировать загрузку процессора задачами ввода-вывода, оставив как можно больше процессорного времени на выполнение пользовательских потоков.

Согласование скоростей обмена и кэширование данных. При обмене данными всегда возникает задача согласования скорости. Например, если один пользовательский процесс вырабатывает некоторые данные и передает их другому пользовательскому процессу через оперативную память, то в общем случае скорости генерации данных и их чтения не совпадают. Согласование скорости обычно достигается за счет буферизации данных в оперативной памяти и синхронизации доступа процессов к буферу.

В подсистеме ввода-вывода для согласования скоростей обмена также широко используется буферизация данных в оперативной памяти. В тех специализированных операционных системах, в которых обеспечение высокой скорости ввода-вывода является первоочередной задачей (управление в реальном времени, услуги сетевой файловой службы и т. п.), большая часть оперативной памяти отводится не под коды прикладных программ, а под буферизацию данных. Однако буферизация только на основе оперативной памяти в подсистеме ввода-вывода оказывается недостаточной. Разница между скоростью обмена с оперативной памятью, куда процессы помещают данные для обработки, и скоростью работы внешнего устройства часто становится слишком значительной, чтобы в качестве временного буфера можно было бы использовать оперативную память - ее объема может просто не хватить. Для таких случаев необходимо предусмотреть особые меры, и часто в качестве буфера используется дисковый файл, называемый также спул-файлом (от spool - шпулька, тоже буфер, только для ниток). Типичный пример применения спулинга дает организация вывода данных на принтер.

Другим решением этой проблемы является использование большой буферной памяти в контроллерах внешних устройств. Такой подход особенно 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 объему с оперативной, и это существенно ускоряет вывод графики на экран.

Буферизация данных позволяет не только согласовать скорости работы процессора и внешнего устройства, 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, значительно сокращая время доступа к хранимым данным.

Поддержка широкого спектра драйверов и простота включения нового драйвера в систему.

Достоинством подсистемы ввода-вывода любой универсальной ОС является наличие разнообразного набора драйверов для наиболее популярных периферийных устройств. Прекрасно спланированная и реализованная операционная система может потерпеть неудачу на рынке только из-за того, что в ее состав не включен достаточный набор драйверов. В этом случае администраторы и пользователи вынуждены искать нужный им драйвер для имеющегося у них внешнего устройства у производителей оборудования или, что еще хуже, заниматься его разработкой самостоятельно.

Драйвер взаимодействует, с одной стороны, с модулями ядра ОС (модулями подсистемы ввода-вывода, модулями системных вызовов, модулями подсистем управления процессами и памятью и т. д.), а с другой стороны - с контроллерами внешних устройств. Поэтому существуют два типа интерфейсов: интерфейс «драйвер-ядро» (Driver Kernel Interface, DKI) и интерфейс «драйвер-устройство» (Driver Device Interface, DDI). Интерфейс «драйвер-ядро» должен быть стандартизован в любом случае. Интерфейс «драйвер-устройство» имеет смысл стандартизировать тогда, когда подсистема ввода-вывода не разрешает драйверу непосредственно взаимодействовать с аппаратурой контроллера и выполняет эти операции самостоятельно. Экранирование драйвера от аппаратуры является весьма полезной функцией, так как драйвер в этом случае становится независимым от аппаратной платформы. Подсистема ввода-вывода может поддерживать несколько различных типов интерфейсов DKI/DDI, предоставляя специфический интерфейс для устройств определенного класса.

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

Динамическая загрузка и выгрузка драйверов. Кроме проблемы разработки новых драйверов существует также проблема включения драйвера в состав модулей работающей ОС, то есть динамической загрузки-выгрузки драйвера. Так как набор потенциально поддерживаемых данной ОС периферийных устройств всегда существенно шире набора устройств, которыми ОС должна управлять при установке на конкретной машине, то ценным свойством ОС является возможность динамически загружать в оперативную память требуемый драйвер (без останова ОС) и выгружать его после того, как потребность в поддержке устройства миновала, что может существенно сэкономить системную область памяти.

Альтернативой динамической загрузке драйверов при изменении текущей конфигурации внешних устройств компьютера является повторная компиляция кода ядра с требуемым набором драйверов, что создает между всеми компонентами ядра статические связи вместо динамических. Например, таким образом решалась данная проблема в ранних версиях операционной системы UNIX. При статических связях между ядром и драйверами структура ОС упрощается, но этот подход требует наличия исходных кодов модулей операционной системы, доступность которых скорее является исключением (для некоммерческих версий UNIX), а не правилом. Кроме того, в этом варианте работающую предыдущую версию операционной системы необходимо остановить и заменить новой, а перерывы в работе ОС в некоторых применениях могут и не допускаться. Поддержка динамической загрузки драйверов является практически обязательным требованием для современных универсальных операционных систем.

Поддержка нескольких файловых систем. Диски представляют особый род периферийных устройств, так как именно на них хранится большая часть как пользовательских, так и системных данных. Данные на дисках организуются в файловые системы, и свойства файловой системы во многом определяют свойства самой ОС - ее отказоустойчивость, быстродействие, максимальный объем хранимых данных. Популярность файловой системы часто приводит к ее миграции из «родной» ОС в другие операционные системы. Например, файловая система FAT появилась первоначально в MS-DOS, но затем была реализована в OS/2, семействе MS Windows и многих реализациях UNIX. Ввиду этого поддержка нескольких популярных файловых систем для подсистемы ввода-вывода также важна, как и поддержка широкого спектра периферийных устройств. Важно также, чтобы архитектура подсистемы ввода-вывода позволяла достаточно просто включать в ее состав новые типы файловых систем, без необходимости переписывания кода. Обычно в операционной системе имеется специальный слой программного обеспечения, отвечающий за решение данной задачи, например слой VFS ( Virtual File System) в версиях UNIX на основе кода System V Release 4.