2.5.1. Ввод/вывод по опросу и по прерываниям
Рассмотрим более подробно работу программы, непосредственно выполняющей ввод или вывод данных на конкретное устройство. (На самом деле, этой работой обычно занимается драйвер устройства, так что мы фактически рассматриваем логику работы драйвера.)
Для определенности положим, что программа должна выдать N байт данных из массива A на символьное устройство X. Для операции ввода могут использоваться те же подходы, которые будут рассмотрены здесь для операции вывода.
Пусть архитектура устройства представлена регистром данных X.DATA и флагом готовности X.READY. Когда X.READY = TRUE, в регистр X.DATA можно выдавать очередной байт данных. Запишем на псевдокоде, близком к языку Паскаль, варианты организации соответствующей программы.
а) Ввод/вывод без проверки готовности
i := 1;
while i <= N do begin
X.DATA := A[i];
i := i + 1;
end;
Этот «наглый» способ вывода вполне работоспособен, если используется «всегда готовое» устройство (например, монитор), т.е. флаг X.READY всегда истинен и потому вообще не нужен. При попытке использовать тот же подход для вывода на принтер мы убедились бы, что напечатаны будут лишь некоторые символы, которым посчастливилось быть выданными в редкие моменты готовности принтера.
б) Ввод/вывод по опросу готовности
i := 1;
while i <= N do begin
while not X.READY do
;
X.DATA := A[i];
i := i + 1;
end;
Здесь добавлен цикл ожидания, в котором не делается ничего, кроме постоянной циклической проверки готовности устройства. Передача данных происходит только тогда, когда устройство готово. Поскольку после выдачи одного байта устройство вполне может опять перейти в состояние неготовности, следует опять выполнять цикл ожидания, пока выданный символ не будет обработан устройством.
Такая организация ввода/вывода позволяет корректно работать с любыми устройствами. Этот способ действительно применяется в некоторых однозадачных системах. Недостатком данного способа является непроизводительная трата времени на постоянное «долбление» флага готовности. При современном соотношении скоростей работы процессора и периферии, цикл ожидания может повторяться миллионы раз перед выдачей каждого байта. Более того, если по каким-то причинам устройство вообще не перейдет в состояние готовности, то работа всей системы может быть парализована бесконечным циклом ожидания.
в) Ввод/вывод по прерываниям
i := 1;
while i <= N do begin
X_INT: if not X.READY
return;
X.DATA := A[i];
i := i + 1;
end;
Здесь исчез цикл ожидания, вместо него – однократная проверка готовности и оператор возврата, если не готово.
Куда, собственно, происходит возврат? Чтобы это понять, надо вспомнить, что данный фрагмент – явно не единственная программа, работающая в данный момент на ЭВМ. Очевидно, операция вывода была начата операционной системой по запросу какой-то программы. Данный фрагмент был вызван как подпрограмма ОС, и возврат означает передачу управления ОС. Как система распорядится полученным временем? Это уже совсем другой вопрос, не связанный с вводом/выводом. Например, ОС может переключиться на другой процесс. Или, от нечего делать, запустить экранную заставку либо программу самотестирования.
Но как же быть с брошенной на полпути операцией вывода? Для ее возобновления будет использовано аппаратное прерывание, которое должно выдать устройство X при переходе в состояние готовности. Системный обработчик прерывания должен будет передать управление по адресу, обозначенному меткой X_INT. После нелишней дополнительной проверки готовности программа вывода передаст очередной байт на устройство, затем снова проверит готовность и, возможно, вновь вернет управление системе. Таким образом, выполнение ввода/вывода разбивается на отдельные интервалы работы при готовности устройства, перемежающиеся работой системы, пока устройство не готово.
Для устройств, использующих контроллер ПДП, возможные варианты организации работы остаются, по сути, теми же, но только используются гораздо более крупные операции: вместо ввода или вывода одного элемента данных выполняется ввод/вывод целого блока данных, и только после этого контроллер переходит в состояние готовности и генерирует прерывание.
2.5.2. Активное и пассивное ожидание
Поговорим подробнее об одном важном различии между способами ввода/вывода по опросу готовности и по прерываниям.
Основной особенностью ввода/вывода по опросу готовности является цикл ожидания. Если выполняется ввод или вывод на медленное устройство (например, матричный принтер), то этот скромно выглядящий цикл будет занимать, мягко говоря, 99% всего времени работы процессора. Если происходит ожидание ввода с клавиатуры, то процессор вообще не будет делать ничего полезного, пока пользователь не удосужится нажать клавишу.
Такое абсурдное использование процессора может быть оправдано разве что в том случае, если для него нет никакой более полезной работы. Это возможно в случае однозадачной ОС, когда работающая прикладная программа не может продвигаться дальше, пока не завершена операция ввода/вывода. В этом случае ввод/вывод по опросу не лишен определенных достоинств: он не связан с обработкой прерываний, которая требует некоторого времени, а потому замедляет реакцию на переход устройства в состояние готовности.
Способ ожидания программой некоторого события, основанный на постоянной циклической проверке ожидаемого условия, называется активным ожиданием (busywaiting). Это понятие применяется не только по отношению к вводу/выводу, но и во многих других ситуациях, возникающих при работе системных и прикладных программ.
Если рассматривается многозадачная ОС, в которой может быть несколько активных задач одновременно, то активное ожидание становится совершенно неприемлемым. В этом случае расход процессорного времени на выполнение циклического опроса наносит прямой ущерб другим программам, которые могли бы использовать это время более осмысленно. Поэтому при разработке многозадачных систем, как при вводе/выводе, так и в некоторых других ситуациях, обязательно реализуется пассивное ожидание, т.е. такая реализация ожидания, при которой ожидающая программа не затрачивает процессорного времени. Для реализации пассивного ожидания всегда в той или иной форме используются аппаратные прерывания. Частным примером пассивного ожидания является рассмотренный выше ввод/вывод по прерываниям.
2.5.3. Синхронный и асинхронный ввод/вывод
Программист, разрабатывающий прикладные программы, не должен думать о таких вещах, как способ работы системных программ с регистрами устройств. Система скрывает от приложений детали низкоуровневой работы с устройствами. Однако различие между организацией ввода/вывода по опросу и по прерываниям находит определенное отражение и на уровне системных функций, в виде функций для синхронного и асинхронного ввода/вывода.
Выполнение функции синхронного ввода/вывода включает в себя запуск операции ввода/вывода и ожидание завершения этой операции. Только после завершения ввода/вывода функция возвращает управление вызвавшей программе.
Синхронный ввод/вывод – это наиболее привычный для программистов способ работы с устройствами. Стандартные процедуры ввода/вывода языков программирования работают именно таким способом.
Вызов функции асинхронного ввода/вывода означает только запуск соответствующей операции. После этого функция сразу возвращает управление вызвавшей программе, не дожидаясь завершения операции.
Рассмотрим, например, асинхронный ввод данных. Понятно, что программа не может обращаться к данным, пока нет уверенности, что их ввод завершен. Но вполне возможно, что программа может пока что заняться другой работой, а не простаивать в ожидании.
Рано или поздно программа все-таки должна приступить к работе с введенными данными, но предварительно убедиться, что асинхронная операция уже завершилась. Для этого различные ОС предоставляют средства, которые можно разбить на три группы.
· Ожидание завершения операции. Это как бы «вторая половина синхронной операции». Программа сначала запустила операцию, потом выполнила какие-то посторонние действия, а теперь ждет окончания операции, как при синхронном вводе/выводе.
· Проверка завершения операции. При этом программа не ожидает, а только проверяет состояние асинхронной операции. Если ввод/вывод еще не завершен, то программа имеет возможность еще какое-то время погулять.
· Назначение процедуры завершения. В этом случае, запуская асинхронную операцию, программа пользователя указывает системе адрес пользовательской процедуры или функции, которая должна быть вызвана системой после завершения операции. Сама программа может больше не интересоваться ходом ввода/вывода, система напомнит ей об этом в нужный момент, вызвав указанную функцию. Этот способ наиболее гибкий, поскольку в процедуре завершения пользователь может предусмотреть любые действия.
В Windows прикладной программе доступны все три способа завершения асинхронных операций. В UNIX асинхронных функций ввода/вывода нет, однако тот же эффект асинхронности может быть достигнут иначе, путем запуска дополнительного процесса.
Асинхронное выполнение ввода/вывода позволяет в некоторых случаях повысить производительность работы и обеспечить дополнительные функциональные возможности. Без такой простейшей формы асинхронного ввода, как «ввод с клавиатуры без ожидания», были бы невозможны многочисленные компьютерные игры и тренажеры. В то же время логика программы, использующей асинхронные операции, сложнее, чем при синхронных операциях.