Система ввода-вывода в Windows

На данный момент наиболее распространены два семейства ОС Windows: Windows NT, куда относятся Windows NT, 2000, XP, и Windows 9x (Win 95, 98, ME). При этом отмечается тенденция к отмиранию ветки 9х, хотя такие системы будут встречаться еще достаточно долго. Каждая ветка использует свою архитектуру ядра и подсистемы ввода-вывода. Поэтому естественно, написание драйверов для этих систем должно отличаться.

В Windows 9x долгое время использовались .vxd — драйвера. Эта модель драйверов начинает свою историю еще с Windows 3.1. Для .vxd — драйверов сохранилась совместимость «снизу вверх»: т.е. драйвер, написанный под Windows 3.1, будет нормально работать и под Windows 95, а может быть, и 98. Функции драйверов .vxd используются как Win32, так и Win16 приложениями.

В Windows NT 4.0 появилась своя архитектура драйверов. Она ставила перед собой цели повышения устойчивости работы драйвера, переносимости с одной платформы на другую, поддержки многопроцессорности т.п. Вместе с тем архитектура драйверов Windows NT 4.0 была, что называется, «сырой» и недоработанной, хотя и очень перспективной. С выходом систем Win98 и Win2000 появилась новая архитектура драйверов — WDM (Windows Driver Model). Она развилась из архитектуры драйверов Windows NT 4.0 с небольшими изменениями. WDM — драйвера с равным успехом могут быть использованы как в Win 98, так и в Win 2000.

Система Win 98 состоит как бы из двух слоев: User Mode (режим пользователя) и Kernel Mode (режим ядра). В режиме пользователя функционируют пользовательские приложения. Они работают в 3-м кольце защиты; каждая программа работает в своем виртуальном адресном пространстве. Для каждого DOS или Windows — приложения создается своя виртуальная машина (Virtual Machine, VM), задачей которой является виртуализация аппаратуры компьютера для данного приложения. Т.е. каждое приложение считает, что вся оперативная память и все остальные аппаратные ресурсы принадлежат только ему и приложение может обратиться к ним в любой момент. Ядро ОС содержи диспетчер виртуальных машин (Virtual Machine Manager, VMM). Задача VMM — корректно разрешать конфликты, возникающие при доступе к ресурсам системы из разных VM. Ядро, VMМ, виртуальные машины и драйвера виртуальных устройств (Virtual Device Drivers), естественно, работают в режиме ядра (Kernel Mode).

Рис. 1. Подсистема ввода-вывода Win 98.

В Windows 98 обработка запросов на ввод-вывод от приложений DOS и от старых Win16 — приложений отличается от обработки запросов новых Win32 — приложений. Для DOS — приложений создается своя виртуальная машина (DOS virtual machine), Win 16 и Win32 — приложения используют виртуальную машину Windows (System Virtual Machine). Обычно, когда приложение запрашивает операцию ввода-вывода (например, вызывает функцию API ReadFile — чтение из файла), этот запрос поступает в одну из системных DLL (в нашем случае — kernel32.dll). Оттуда запрос на операцию с внешним устройством передается сразу системным драйверам. Такая организация запроса Приложение -> dll -> Драйвер получила наибольшее распространение.

Система Windows 2000 имеет другую архитектуру, отличную от Win98. Это обусловлено повышенными требованиями к надежности, защите и переносимости этой системы (теоретически, Win2000 — переносимая система, и существуют реализации Win2000 под системы Alpha, MIPS и др.). В настоящее время именно благодаря этим особенностям Win2000 завоевывает все большую популярность, поэтому стоит рассмотреть особенности ее архитектуры подробнее.

Рис. 2 — главные компоненты Windows2000.

Окружение Win2000 включает компоненты, которые работают в режиме пользователя (User mode) и в режиме ядра (Kernel mode). В режиме пользователя работают подсистема защиты, подсистема Win32-архитектуры (обеспечивает стандартные API — вызовы Windows), подсистема POSIX (обеспечение кроссплатформенности). В режиме ядра работают все основные компоненты системы: диспетчер ввода-вывода (I/O manager), диспетчер конфигурации (Configuration Manager), подсистема PnP, диспетчер управления энергопотреблением (Power Manager), диспетчер памяти (Memory Manager) и прочие жизненно необходимые службы. Драйвера в Win2000 включены в подсистему ввода-вывода. При этом драйвера тесно взаимодействуют практически со всеми компонентами ядра. Драйвера взаимодействуют с аппаратурой при помощи Hardware Abstraction Level, HAL (уровень абстракции аппаратуры). HAL — программный компонент ядра Win2000, который обеспечивает интерфейс ядра (в том числе и некоторых драйверов) с аппаратурой. Т.к. Win2000 — платформенно независимая система (уже сейчас есть версии Win2000 для процессоров Alpha и RISC), то HAL избавляет ядро от непосредственного общения с кэшем, прерываниями, шинами ввода-вывода и большинством прочих устройств, оставляя эту работу драйверам, специально написанным для данной системы. Таким образом, ядро системы представляется набором отдельных изолированных модулей с четко определенными внешними интерфейсами.

Все драйвера NT имеют множество стандартных методов драйвера, определенных системой, и, возможно, несколько специфических методов, определенных разработчиком. Драйвера Windows 2000 используют архитектуру WDM (Windows Driver Model). В Windows 2000 драйвера бывают следующих типов:

• Kernel mode drivers (драйверы режима ядра). Основной тип драйвера. Такие драйвера используются для решения общих задач: управление памятью, шинами, прерываниями, файловыми системами, устройствами хранения данных и т.п.
• Graphics drivers (драйверы видеокарт). Как правило, создаются одновременно с самой видеокартой. Очень сложны в написании, так как должны учитывать множество противоречивых требований и поддерживать множество стандартов. Скорее всего, вам не потребуется создавать ничего подобного.
• Multimedia drivers (мультимедиа-драйверы). Драйверы для :
  • Аудиоустройств — считывание, воспроизведение и компрессия аудиоданных.
  • устройств работы с видео — захват и компрессия видеоданных.
  • позиционных устройств — джойстики, световые перья, планшеты и пр.
• Network drivers (сетевые драйвера) — работа с сетью и сетевыми протоколами на всех уровнях.
• Virtual DOS Drivers — драйверы для виртуальных машин MS-DOS. Постепенно переходят в раздел рудиментарных.

В свою очередь, существует три типа драйверов ядра, каждый тип имеет четко определенные структуру и функциональность.

• Device drivers (драйвера устройств), такие как драйвер клавиатуры или дисковый драйвер, напрямую общающийся с дисковым контроллером. Эти драйвера также называются драйверами низкого уровня, т. к. они находятся в самом низу цепочки драйверов Windows NT.
• Intermediate drivers (промежуточные драйвера), такие как драйвер виртуального или зеркального диска. Они используют драйверы устройств для обращения к аппаратуре.
• File system drivers (FSDs). Драйверы файловых систем, таких как FAT, NTFS, CDFS, для доступа к аппаратуре используют Intermediate drivers и Device drivers.

Драйвера Windows 2000 должны удовлетворять следующим требованиям:

• Переносимы с одной платформы на другую.
• Конфигурируемые программно.
• Всегда прерываемые.
• Поддерживающие мультипроцессорные платформы.
• Объектно-ориентированные.
• Поддерживать пакетный ввод-вывод с использванием I/O request packets (IRPs, запросы ввода-вывода).
• Поддерживать асинхронный ввод-вывод.

Система ввода-вывода Windows 2000 имеет следующие особенности:

Подсистема ввода-вывода. Файловые системы

7.1. Устройства ввода-вывода

Внешние устройства, выполняющие операции ввода-вывода, можно разделить на три группы:

• устройства, работающие с пользователем. Используются для связи пользователя с компьютером. Сюда относятся принтеры, дисплеи, клавиатура, манипуляторы (мышь, трекбол, джойстики) и т.п.;
• устройства, работающие с компьютером. Используются для связи с электронным оборудованием. К ним можно отнести дисковые устройства и устройства с магнитными лентами, датчики, контроллеры, преобразователи;
• коммуникации. Используются для связи с удаленными устройствами. К ним относятся модемы и адаптеры цифровых линий.

По другому признаку устройства ввода-вывода можно разделить на блочные и символьные [10]. Блочными являются устройства, хранящие информацию в виде блоков фиксированного размера, причем у каждого блока есть адрес и каждый блок может быть прочитан независимо от остальных блоков. Символьные устройства принимают или передают поток символов без какой-либо блочной структуры (принтеры, сетевые карты, мыши и т.д.).

Однако некоторые из устройств не попадают ни в одну из этих категорий, например, часы, мониторы и др. И все же модель блочных и символьных устройств является настолько общей, что может использоваться в качестве основы для достижения независимости от устройств некоторого программного обеспечения операционных систем, имеющего дело с вводом-выводом. Например, файловая система имеет дело с абстрактными блочными устройствами , а зависимую от устройств часть оставляет программному обеспечению низкого уровня.

Следует также отметить существенные различия между устройствами ввода-вывода, принадлежащими к разным классам, и в рамках каждого класса. Эти различия касаются следующих характеристик:

• скорость передачи данных (различия на несколько порядков);
• применение. Каждое действие, поддерживаемое устройством, оказывает влияние на программное обеспечение и стратегии операционной системы (например, диск, используемый для хранения файлов или для страниц виртуальной памяти, требует различного программного обеспечения);
• сложность управления. Для принтера требуется относительно простой интерфейс управления, для диска – намного сложнее. Влияния этих отличий на ОС сглаживается усложнением контроллеров ввода-вывода;
• единицы передачи данных. Данные могут передаваться блоками или потоками байтов или символов;
• представления данных. Различные устройства используют разные схемы кодирования данных, включая разную кодировку символов и контроль четности;
• условия ошибки. Природа ошибок, способ сообщения о них, их последствия и возможные ответы резко отличаются при переходе от одного устройства к другому.

Такое разнообразие внешних устройств приводит, по сути, к невозможности разработки единого и согласованного подхода к проблеме ввода-вывода как с точки зрения операционной системы, так и с точки зрения пользовательских процессов.

Устройства ввода-вывода, как правило, состоят из электромеханической и электронной части. Обычно их выполняют в форме отдельных модулей – собственно устройство и контроллер ( адаптер ). В ПК контроллер принимает форму платы, вставляемой в слот расширения. Плата имеет разъем , к которому подключается кабель , ведущий к самому устройству. Многие контроллеры способны управлять двумя, четырьмя и даже более идентичными устройствами. Интерфейс между контроллером и устройством является официальным стандартом ( ANSI , IEEE или ISO ) или фактическим стандартом, и различные компании могут выпускать отдельно котроллеры и устройства, удовлетворяющие данному интерфейсу. Так, многие компании производят диски, соответствующие интерфейсу IDE или SCSI , а наборы схем системной логики материнских плат реализуют IDE и SCSI -контроллеры.

Интерфейс между контроллером и устройством часто является интерфейсом очень низкого уровня, т.е. очень специфичным, зависящим от типа внешнего устройства. Например, видеоконтроллер считывает из памяти байты, содержащие символы, которые следует отобразить, и формирует сигналы управления лучом электронной трубки, сигналы строчной и кадровой развертки и т.п.

Каждый контроллер взаимодействует с драйвером системным программным модулем, предназначенным для управления данным устройством. Для работы с драйвером контроллер имеет несколько регистров, кроме того, он может иметь буфер данных, из которого операционная система может читать данные, а также записывать данные в него. Каждому управляющему регистру назначается номер порта ввода-вывода. Используя регистры контроллера, ОС может узнать состояние устройства (например, готово ли оно к работе), а также выдавать команды управления устройством (принять или передать данные, включиться, выключиться и т.п.).

7.2. Назначение, задачи и технологии подсистемы ввода-вывода

Обмен данными между пользователями, приложениями и периферийными устройствами компьютера выполняет специальная подсистема ОС – подсистема ввода-вывода . Собственно, для выполнения этой задачи и были разработаны первые системные программы , послужившие прототипами операционных систем.

Основными компонентами подсистемы ввода-вывода являются драйверы, управляющие внешними устройствами, и файловая система . В работе подсистемы ввода-вывода активно участвует диспетчер прерываний. Более того, основная нагрузка диспетчера прерываний обусловлена именно подсистемой ввода-вывода, поэтому диспетчер прерываний иногда считают частью подсистемы ввода-вывода.

Файловая система – это основное хранилище информации в любом компьютере. Она активно использует остальные части подсистемы ввода-вывода. Кроме того, модель файла лежит в основе большинства механизмов доступа к периферийным устройствам.

На подсистему ввода-вывода возлагаются следующие функции [5, 17]:

• организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора;
• согласование скоростей обмена и кэширование данных;
• разделение устройств и данных между процессами (выполняющимися программами);
• 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 без дополнительных действий с операционной системой;
• поддержка нескольких различных файловых систем;
• поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.

Эволюция ввода-вывода может быть представлена следующими этапами [17].

1. Процессор непосредственно управляет периферийным устройством.
2. Устройство управляется контроллером. Процессор использует программируемый ввод-вывод без прерываний (переход к абстракции интерфейса ввода-вывода).
3. Использование контроллера прерываний. Ввод-вывод, управляемый прерываниями.
4. Использование модуля (канала) прямого доступа к памяти. Перемещение данных в память (из нее) без применения процессора.
5. Использование отдельного специализированного процессора ввода-вывода, управляемого центральным процессором.
6. Использование отдельного компьютера для управления устройствами ввода-вывода при минимальном вмешательстве центрального процессора.

Проследив описанный путь развития устройств ввода-вывода, можно заметить, что вмешательство процессора в функции ввода-вывода становится все менее заметным. Центральный процессор все больше освобождается от задач, связанных с вводом-выводом, что приводит к повышению общей производительности компьютерной системы.

Для персональных компьютеров операции ввода-вывода могут выполняться тремя способами.

1. С помощью программируемого ввода-вывода. В этом случае, когда процессору встречается команда, связанная с вводом-выводом, он выполняет ее, посылая соответствующие команды контроллеру ввода-вывода. Это устройство выполняет требуемое действие, а затем устанавливает соответствующие биты в регистрах состояния ввода-вывода и не посылает никаких сигналов, в том числе сигналов прерываний. Процессор периодически проверяет состояние модуля ввода-вывода с целью проверки завершения операции ввода-вывода.

Таким образом, процессор непосредственно управляет операциями ввода-вывода, включая опознание состояния устройства, пересылку команд чтения-записи и передачу данных. Процессор посылает необходимые команды контроллеру ввода-вывода и переводит текущий процесс в состояние ожидания завершения операции ввода-вывода. Недостатки такого метода – большие потери процессорного времени, связанные с управлением вводом-выводом.

Такой ввод-вывод намного эффективнее, чем программируемый ввод-вывод, так как при этом исключается ненужное ожидание с бесполезным простоем процессора. Однако и в этом случае ввод-вывод потребляет еще значительное количество процессорного времени, потому что каждое слово, которое передается из памяти в модуль ввода-вывода (контроллер) или обратно, должно пройти через процессор.

В настоящее время в персональных и других компьютерах используется третий способ ввода-вывода, поскольку в структуре компьютера имеется DMA — контроллер или подобное ему устройство, обслуживающее, как правило, запросы по передаче данных от нескольких устройств ввода-вывода на конкурентной основе.

DMA — контроллер имеет доступ к системной шине независимо от центрального процессора, как показано на рис. 7.1. Контроллер содержит несколько регистров, доступных центральному процессу для чтения и записи ( регистр адреса памяти, счетчик байтов, управляющие регистры). Управляющие регистры задают порт ввода-вывода, который должен быть использован, направление переноса данных (чтение или запись в устройство ввода-вывода), единицу переноса (побайтно, пословно), а также число байтов, которые следует перенести за одну операцию.

Перед выполнением операции обмена ЦП программирует DMA — контроллер , устанавливая его регистры (шаг 1 на рис. 7.1). Затем ЦП дает команду дисковому контролеру прочитать внести данные во внутренний буфер и проверить контрольную сумму. После этого процессор продолжает свою работу. Когда данные получены и проверены контроллером диска, DMA может начинать работу.

DMA — контроллер начинает перенос данных, посылая дисковому контроллеру по шине запрос чтения (шаг 2). Адрес памяти уже находится на адресной шине, так что контроллер знает, куда пересылать следующее слово из своего буфера. Запись в память является еще одним стандартным циклом шины (шаг 3). Когда запись закончена, контроллер диска посылает сигнал подтверждения контролеру DMA (шаг 4). Затем контроллер DMA увеличивает используемый адрес памяти и уменьшает значение счетчика байтов. После этого шаги 2, 3 и 4 повторяются, пока значение счетчика не станет равным нулю. По завершению цикла копирования контроллер DMA инициирует прерывание процессора, сообщая ему о завершении операции ввода-вывода.

Необходимо обратить внимание на работу шины в этом процессе обмена данными. Шина может работать в двух режимах: пословном и поблочном. В первом случае контроллер DMA выставляет запрос на перенос одного слова и получает его. Если процессору также нужна эта шина (не забывайте, в основном он работает с кэш -памятью), ему приходится подождать. Этот механизм называется захватом цикла , потому, что контроллер устройства периодически забирает случайный цикл шины у центрального процессора, слегка тормозя его.

Ниже на рис. 7.2 показана позиция цикла команд , в которых работа процессора может быть приостановлена. В любом случае приостановка процессора происходит только при необходимости использования шины. После этого устройство DMA выполняет передачу слова и возвращает управление процессору. Однако это не является прерыванием: процессор не сохраняет контекст с переходом к выполнению другого задания. Он просто делает паузу на время одного цикла шины.

В блочном режиме работы контроллер DMA занимает шину на серию пересылок (пакет). Этот режим более эффективен, однако при переносе большого блока центральный процессор и другие устройства могут быть заблокированы на существенный промежуток времени.

При большом количестве устройств ввода-вывода от подсистемы ввода-вывода требуется спланировать в реальном масштабе времени (в котором работают внешние устройства) запуск и приостановку большего количества разных драйверов, обеспечив при этом время реакции каждого драйвера на независимые события контролеров внешних устройств. С другой стороны, необходимо минимизировать загрузку процессора задачами ввода-вывода.

Решение этих задач достигается на основе многоуровневой приоритетной схемы обслуживания прерываний. Для обеспечения приемлемого уровня реакции все драйверы распределяются по нескольким приоритетным уровням в соответствии с требованиями по времени реакции и временем использования процессора. Для реализации приоритетной схемы задействуется общий диспетчер прерываний ОС.