Είσοδος και έξοδος

Διομήδης Σπινέλλης
Τμήμα Διοικητικής Επιστήμης και Τεχνολογίας
Οικονομικό Πανεπιστήμιο Αθηνών
dds@aueb.gr

Σχεδίαση υλικού

Οι συσκευές εσόδου εξόδου μπορούν να διαχωριστούν σε:
- συσκευές τμημάτων (block devices)
- συσκευές χαρακτήρων (character devices)
Οι συσκευές ελέγχονται με τη χρήση ελεγκτών συσκευών (device controller) που επικοινωνούν με την κεντρική μονάδα επεξεργασίας μέσω του διαύλου.
Σε μεγαλύτερα συστήματα η επικοινωνία μπορεί να γίνεται με τη χρήση εξειδικευμένων υπολογιστών εισόδου εξόδου.
Η επικοινωνία με του ελεγκτές γίνεται μέσω εντολών που στέλνονται μέσω διαύλου εισόδου / εξόδου ή μέσω ειδικών διευθύνσεων της μνήμης.
Ορισμένοι ελεγκτές για συσκευές που μεταφέρουν μεγάλο όγκο δεδομένων υποστηρίζουν απευθείας πρόσβαση στη μνήμη (direct memory access (DMA)). Αυτή υλοποιείται συνήθως με τη χρήση ενδιάμεσης μνήμης στον ελεγκτή.
Ορισμένοι ελεγκτές δίσκου υποστηρίζουν την υπερπήδηση (interleaving) τμημάτων του δίσκου έτσι ώστε να συμβαδίζει ο χρόνος περιστροφής του δίσκου με το χρόνο ανάγνωσης των στοιχείων από αυτόν.

Σχεδίαση λογισμικού

Το λογισμικό εισόδου εξόδου εξασφαλίζει:

ανεξαρτησία από τις συσκευές (device independence)
ενιαία ονοματολογία (unoform naming)
χειρισμό των σφαλμάτων (όσο είναι δυνατό)
απεικόνιση των ασύγχρονων (asynchronous) συσκευών που ελέγχονται με διακοπές (interrupt driven) σε σύγχρονες (synchronous).
τον έλεγχο χρήσης των διαμοιραζομένων (shareable) και αφοσιωμένων (dedicated) συσκευών.

Για την ικανοποίηση των παραπάνω ο έλεγχος εισόδου εξόδου σε ένα λειτουργικό σύστημα χωρίζεται στα παρακάτω στρώματα:

Χειριστές διακοπών
Οδηγοί συσκευών
Λογισμικό Λ.Σ. ανεξάρτητο από τις συσκευές (ονοματολογία, προστασία)
Λογισμικό επιπέδου χρήστη (ετεροχρονισμός μέσω διεργασίας παροχής υπηρεσιών (daemon).

Υλοποίηση πρόσβασης σε δίσκους

Η χρονοδρομολόγιση του βραχίονα του δίσκου μπορεί να γίνει με τους παρακάτω τρόπους:
- Πρώτη εισερχόμενη Πρώτη εξυπηρετούμενη (First Come First Served (FCFS))
- Συντομότερη αναζήτηση πρώτη (Shortest Seek First (SSF))
- με τον αλγόριθμο του ανελκυστήρα
Πολλαπλοί δίσκοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράλληλα για βελτίωση της ταχύτητας και της αξιοπιστίας τους με βάση την τεχνολογία
Πλεονάζουσα διάταξη φθηνών δίσκων (Redundant Array of Inexpensive Disks)
Σφάλματα του δίσκου μπορεί να τα χειριστεί ο ελεγκτής του ή το Λ.Σ.
Για τη βελτίωση της απόδοσης του δίσκου μπορεί να χρησιμοποιείται κρυφή μνήμη στον ελεγκτή, ή από το Λ.Σ.
Ειδική μορφή περιφερειακού τύπου δίσκου είναι ο δίσκος βασισμένος σε RAM.

Αξιοποίηση των ρολογιών

Το λειτουργικό σύστημα αξιοποιεί το ρολόι του υπολογιστή το οποίο είναι υλοποιημένο ως ένας μετρητής για να:

γνωρίζει το χρόνο της ημέρας
το χρονοπρογραμματισμό των διεργασιών
την παρακολούθηση της χρήσης της Κ.Μ.Ε.
το χειρισμό κλήσεων εγρήγορσης των χρηστών
τον έλεγχο περιφερειακών που απαιτούν χρονισμό μέσω χρονιστών επιτήρησης (watchdoc timers).
τη συλλογή στατιστικών στοιχείων

Επικοινωνία με το χρήστη

Η επικοινωνία με το χρήστη μπορεί να γίνει μέσω:

σειριακών τερματικών
ελεγκτών οθόνης με απευθείας πρόσβαση στη μνήμη
γραφικών τερματικών δικτύου

Το λογισμικό εισόδου μπορεί να παρέχει ακατέργαστη κατάσταση λειτουργίας (raw mode) και κατεργασμένη κατάσταση λειτουργίας (cooked mode). Η τελευταία υποστηρίζει την αλλαγή του κειμένου και την προβολή (echoing) των χαρακτήρων.

Βιβλιογραφία

Andrew S. Tanenbaum Σύγχρονα λειτουργικά συστήματα. σ. 283-329 Εκδόσεις Παπασωτηρίου, 1993.

Maurice J. Bach. The Design of the UNIX Operating System, pages 312–352. Prentice-Hall, 1986.
Samuel J. Leffler, Marshall Kirk McKusick, Michael J. Karels, and John S. Quarterman. The Design and Implementation of the 4.3BSD Unix Operating System, pages 167–186, 225–278. Addison-Wesley, 1988.
Andrew S. Tanenbaum. Operating Systems: Design and Implementation, pages 110–177. Prentice-Hall, 1987.

Περιεχόμενα