Способы защиты ввода-вывода

Перед создателями ОС встает очень непростая задача — обеспечить эффективное управление устройствами ввода/вывода. Необходимо обеспечить доступ к устройствам ввода/вывода для множества параллельно выполняющихся задач, причем так, чтобы они как можно меньше мешали друг другу.

Поэтому самым главным является следующий принцип: любые операции по управлению вводом/выводом объявляются привилегированными и могут выполняться только кодом самой ОС. Для обеспечения этого принципа в большинстве процессоров даже вводятся режимы пользователя и супервизора. Как правило, в режиме супервизора выполнение команд ввода/вывода разрешено, а в пользовательском режиме — запрещено. При использовании команд ввода/вывода в пользовательском режиме управление через механизм прерываний передается коду ОС.

Можно назвать три основные причины, по которым нельзя разрешать каждой отдельной пользовательской программе обращаться к внешним устройствам непосредственно:

Необходимость разрешать возможные конфликты доступа к устройствам ввода/вывода. Например, две параллельно выполняющиеся программы пытаются вывести на печать результаты своей работы. Если не предусмотреть внешнее управление устройством печати, то в результате мы можем получить абсолютно нечитаемый текст, так как каждая программа будет время от времени выводить свои данные, которые будут перемежаться данными другой программы. Другой пример: ситуация, когда одной программе необходимо прочитать данные с некоторого сектора магнитного диска, а другой — записать результаты в другой сектор того же накопителя. Если операции ввода/вывода не будут отслеживаться каким-то третьим (внешним) процессом-арбитром, то после позиционирования магнитной головки для первого запроса может тут же появиться команда позиционировании головки для второй задачи, и обе операции ввода/вывода не смогут быть выполнены корректно.

Желание увеличить эффективность использования этих ресурсов. Например, у накопителя на магнитных дисках время подвода головки чтения/записи к необходимой дорожке и обращение к определенному сектору может значительно (до тысячи раз) превышать время пересылки данных. В результате, если задачи по очереди обращаются к цилиндрам, далеко отстоящим друг от друга, го полезная работа, выполняемая накопителем, может быть существенно снижена.

Ошибки в программах ввода/вывода могут привести к краху всех вычислительных процессов, ибо часть операций ввода/вывода осуществляется для самой операционной системы. В ряде ОС системный ввод/вывод имеет существенно более высокие привилегии, чем ввод/вывод задач пользователя. Поэтому системный код, управляющий операциями ввода/вывода, очень тщательно отлаживается и оптимизируется для повышения надежности вычислений и эффективности использования оборудования.

И так, управление вводом/выводом осуществляется операционной системой, компонентом, который чаще.всего называют супервизором ввода/вывода. В перечень основных задач, возлагаемых на супервизор, входят следующие:

- супервизор ввода/вывода получает запросы па ввод/вывод от прикладных задач и от программных модулей самой операционной системы. Эти запросы проверяются па корректность, и если запрос выполнен но спецификациям и не содержит ошибок, он обрабатывается дальше, а противном случае пользователю (задаче) выдается соответствующее диагностическое сообщение о недействительности (некорректности) запроса;

- супервизор ввода/вывода вызывает соответствующие распределители каналов и контроллеров, планирует ввод/вывод (определяет очередность предоставления устройств ввода/вывода задачам, затребовавшим их). Запрос па ввод/ вывод либо тут же выполняется, либо ставится в очередь на выполнение;

- супервизор ввода/вывода инициирует операции ввода/вывода (передает управление соответствующим драйверам) и в случае управления вводом/выводом с использованием прерывании предоставляет процессор диспетчеру задач с тем, чтобы передать его первой задаче, стоящей в очереди на выполнение;

- при получении сигналов прерываний от устройств ввода/вывода супервизор идентифицирует их (рис. 4.1) и передаст управление сопутствующей программе обработки прерывания (как правило, на секцию продолжения драйвера — см. раздел «Режимы управления вводом/выводом»);

- супервизор ввода/вывода осуществляет передачу сообщений об ошибках, если таковые происходят в процессе управления операциями ввода/вывода;

- супервизор ввода/вывода посылает сообщения о завершении операции ввода/вывода запросившему эту операцию процессу и снимает сто с состояния

- ожидания ввода/вывода, если процесс ожидал завершения операции.

В случае если устройство ввода/вывода является инициативным1, управление со стороны супервизора ввода/вывода будет заключаться в активизации соответствующего вычислительного процесса (перевод его в состояние готовности к выполнению).

Таким образом, прикладные программы (а в общем случае — все обрабатывающие программы) не могут непосредственно связываться с устройствами ввода/ вывода независимо от использования устройств (монопольно или совместно). Установив соответствующие значения параметров в запросе на ввод/вывод, определяющих требуемую операцию и количество потребляемых ресурсов, они могут передать управление супервизору ввода/вывода, который и запускает необходимые логические и физические операции.

Упомянутый выше запрос на ввод/вывод должен удовлетворять требованиям API той операционной системы, в среде которой выполняется приложение. Параметры, указываемые в запросах на ввод/вывод, передаются не только в вызывающих последовательностях, создаваемых по спецификациям API, но и как данные, хранящиеся в соответствующих системных таблицах. Все параметры, которые будут стоять в вызывающей последовательности, поставляются компилятором и отражают требования программиста и постоянные сведения об операционной системе и архитектуре компьютера в целом. Переменные сведения о вычислительной системе (се конфигурация, состав оборудования, состав и особенности системного программного обеспечения) содержатся в специальных системных таблицах. Процессору, каналам прямого доступа в память, контроллерам необходимо передавать конкретную двоичную информацию, с помощью которой и осуществляется управление оборудованием. Эта конкретная двоичная информация в виде кодов и данных часто готовится с помощью препроцессоров, но часть ее хранится в системных таблицах.

Контрольные задания для СРС (темы 2) [(1;547-590)(3;129-146)(4;175-200)]

1.Буферизация и кэширование операций ввода/вывода.

2.Использование и обоснованность применения RAID массивов

3.Прямой доступ к памяти

Рекомендуемая литература

1. Столингс Операционные системы

2.Олифер В.Г.,Олифер Н.А. Сетевые ОС

3.Гордеев А.В, Молчанов А.Ю. Системное программное обеспечение.

4.Таненбаум Э, Вудхал А Операционные системы: разработка и реализация.