I/O:n toteutus

Laiteohjain ja laiteajuri

I/O:n toteutus on monimutkainen, koska siinä suoritetaan oikeasti täysin samanaikaisesti kahta eri prosessia, joiden tulee koordinoida toimintaansa keskenään. Työnjako on jaettu kahteen eri prosessiin: suorittimella suorittavaan laiteajuriin (DD, device driver) ja laiteohjaimella suorittavaan laiteohjainprosessiin (DCP, device controller process). Laiteajuri on osa käyttöjärjestelmää ja jokaista laiteohjainta (ja laitetta) varten on siihen sopiva laiteajuri.

Laiteajuri pääsee suorittimelle suorittamaan aika ajoin, mutta DCP on periaatteessa suorituksessa koko ajan, koska laiteohjaimella ei ole mitään muuta tekemistä. Laiteajuri voi olla itsenäinen prosessi, jolloin käyttäjätason prosessin kutsuvat sitä viestein. Laiteajuri voi olla toteutettuna myös aliohjelmana, jolloin käyttäjäprosessit kutsuvat sitä aliohjelmien kutsukäskyillä tai SVC:llä. Tällöin laiteajuri suoritetaan osana käyttäjäprosessia. Joka tapauksessa laiteajuri (tai ainakin sen tärkeimmät osat) suoritetaan etuoikeutetussa tilassa.

Laiteohjaimella on kaksi rajapintaa, toinen järjestelmään päin ja toinen sen kontrolloimiin laitteisiin. Emme käsittele varsinaisten laitteiden (esim. kovalevy, näyttö, näppäimistö) ohjauslogiikkaa sen tarkemmin. Rajapinta järjestelmään tapahtuu väylän kautta ja siihen liittyy kolme muistialuetta, joita yleensä kutsutaan kontrolli-, status- ja datarekistereiksi. Näitä voidaan kutsua myös kyseisen laitteen portiksi. Suorittimella suorituksessa oleva laiteajuri voi viitata laiteohjaimen rekistereihin samalla tavalla kuin keskusmuistiinkin.

Laiteohjaimen rekisterit ovat myös DCP:n viitattavissa, mistä voisi aiheutua samanaikaisuusongelmia. Esimerkiksi, jos sekä DD että DCP kirjoittaisivat täsmälleen yhtä aikaa samaan rekisteriin, niin lopputulos voisi olla sekava tai ainakin epämääräinen. Tämä mahdollisuus on vältetty ovelasti esimerkiksi sillä tavoin, että ainoastaan DD kirjoittaa kontrollirekisteriin ja ainoastaan DCP kirjoittaa status-rekisteriin. DD viestii DCP:lle kontrollirekisterin kautta ja DCP viestii laiteajurille statusrekisterin kautta.

Datarekisteri voi itse asiassa olla laitteesta riippuen hyvinkin suuri. Esimerkiksi levyohjaimien laiterekisterissä voi sijaita usea monen megatavun puskuri. Laiterekisteriä voivat lukea ja kirjoittaa sekä DD että DCP. Datarekisterin kirjoittamista ja lukemista synkronoidaan kontrolli- ja statusrekistereiden avulla, joten sen käyttö on mahdollista ilman samanaikaisuusongelmia.

Laiterekistereihin osoittaminen laiteajurista

Laiteajuri voi siis viitata laiteohjaimen rekistereihin samalla tavalla kuin keskusmuistiinkin. Tästä seuraa, että konekäskyissä pitää jollain tavoin määritellä, kumpaan muistiin (keskusmuistiin vai laiteohjaimen rekistereihin) ollaan viittaamassa.

I/O-konekäskyt

Yksi tapa on käyttää erityiskonekäskyjä, jolloin näiden käskyjen yhteydessä viittaus tapahtuu aina laiteohjaimen rekistereihin. Ttk-91 koneessa in- ja out-käskyt toimivat juuri näin. Esimerkiksi out-käsky kirjoittaa aina näytön datarekisteriin sen sijaan, että kirjoitettaisiin johonkin päin muistia.

in  r1, =kbd
out r2, =crt

Intelin x86 arkkitehtuurissa on aivan vastaavat IN ja OUT käskyt. Esimerkiksi IN-käskyllä luetaan valitulta laitteelta 1, 2 tai neljä tavua dataa johonkin rekisteriin. Näitä käskyjä käyttämällä siis päätellään operaatiokoodin perusteella, mille laitteelle (keskusmuistiin vai laiteohjaimien rekistereihin) muistiviittaukset kohdistuvat.

I/O-konekäskyjen huonona puolena on niiden staattisuus. Ne on täytynyt suunnitella konekielen käskykannan suunnitteluaikana ja ne on toteutettu kiinteästi suorittimelle. Niitä ei voi myöhemmin muokata, eikä niitä voi tehdä lisää mahdollisia uusia I/O-laitteita varten.

Muistiinkuvattu I/O

Toinen tapa on käyttää muistiinkuvattua I/O:ta, jossa normaali ohjelman käyttämä muistiavaruus (muistiosoitteiden joukko) on jaettu kahteen osaan. Esimerkiksi, jos 32-bittisen muistiosoitteen vasemmanpuolimmainen bitti on nolla (osoitteet 0x0000 0000-0x7FFF FFFF), niin kyseessä on keskusmuistiosoite, ja muutoin (osoitteet 0x8000 0000-0xFFFF FFFF) kyseessä on viittaus jonkin I/O-laitteen laiteohjaimelle. Jos bitit 24-30 (oikealta lukien) käytetään laitteen valitsemiseen, niin laitteita voisi olla 64 erilaista ja jokaiselle laitteelle jää vielä 24-bittiset osoitteet laiteohjaimen oman muistialueen (laiterekistereiden) viittaamiseen.

Huonona piirteenä tässä on, että suuri osa ohjelman muistiavaruudesta (edellisessä esimerkissä 50%) on nyt varattu I/O-laitteille. Etuna on, että I/O-laitteita kontrolloidaan tavallisilla muistiviitekäskyillä (load, store). Uuden tyyppisiä laitteita on helppo lisätä järjestelmään, kunhan niille vain kirjoitetaan sopiva laiteajuri. Tämä on yleisin tapa ohjata laitteita.

# uuden kirjoittimen 0x4 laiterekistereiden osoitteet
PrinterControl  dc 0x84000001  # kontrollirekisterin osoite
PrinterStatus   dc 0x84000002  # statusrekisterin osoite
PrinterData     dc 0x84000003  # datarekisterin osoite

CmdPrint  equ 1    # tulostuskomento

...
# tulosta luku 53 kirjoittimella 0x4
     load r1, =53            ; kirjoita luku 53 datarekisteriin
     store r1, (PrinterData)   ; kirjoittaa laiteohjaimen datarekisteriin
     load r1, =CmdPrint
     store r1, (PrinterControl)   ; anna tulostuskäsky laiteohjaimelle

I/O-tyypit

I/O-laitteet voidaan luokitella kolmeen eri tyyppiin sen mukaan, miten niiden laiteohjaimet on liitetty järjestelmään. Kaikki laiteohjaimet liitetään samaan väylähierarkiaan, mutta laitteiden funktionaalisuudessa on eroja. Kuten luvussa 2 kerrottiin, niin väylän voi jakaa kolmeen komponenttiin: dataväylässä siirtyy data, osoiteväylässä muistiosoitteet ja kontrolliväylässä väylänhallintaan (ja I/O-laitekeskeytyksiin) liittyvät signaalit.

Alla selitetään suoran, epäsuoran ja DMA I/O:n toteutus. Huomaa, että muistiinkuvatussa I/O:ssa suoritin kirjoittaa ja lukee laiteohjaimen rekistereiden arvoja välittäen rekisterin osoitteen osoiteväylälle ja komennon lukea tai kirjoittaa kontrolliväylälle. Niinpä sen lisäksi mitä alla väyläliitäntöihin liittyen kerrotaan, laiteohjain tarvitsee aina myös lukuyhteyden osoiteväylään ja kontrolliväylään. Osoiteväylän lukuyhteys tarvitaan, jotta laiteohjain voi tunnistaa osoiteväylän osoitteen kuuluvan omaan osoiteavaruuteensa ja siten tietää, mitä sen rekisteriä tarkoitetaan. Kontrolliväylän lukuyhteys tarvitaan, jotta se tietää pitääkö dataväylällä oleva arvo tallentaa laiteohjaimen rekisteriin vai pitääkö rekisterin arvo siirtää dataväylälle.

Suora I/O (Direct I/O, Programmed I/O)

Kaikkein yksinkertaisin toteutus on suora I/O, jota käyttävät laitteet tarvitsevat luku- ja kirjoitusyhteyden ainoastaan sen dataväylän osalta.

Suorassa I/O:ssa laiteajuri (DD) ohjaa koko toimintaa ja pysyy suorituksessa koko I/O-toiminnan ajan. Laiteajuri antaa laitteelle (sen laiteohjainprosessille, DCP:lle) komennon kirjoittamalla kyseinen komento laiteohjaimen kontrollirekisteriin. Sen jälkeen DD aktiivisesti pollaa (lukee) tilarekisterin arvoa, kunnes DCP on ilmoittanut annetun komennon tulleen suoritetuksi.

Laiteohjain ei siis käytä väylää lainkaan itse, vaan se kirjoittaa ja lukee omassa muistissaan olevia laiterekistereitä I/O:n toteuttamiseksi. Kun DCP on valmis uuteen I/O-tapahtumaan, se ensin nollaa (resetoi) tilarekisterin ja sitten pollaa (ikuisessa loopissa) kunnes tämän laitteen ajuri DD antaa sille uuden komennon.

Oletetaan esimerkiksi, että uusi näppäimistö olisi toteutettu näin. Käytämme muistiinkuvattua I/O:ta ja näppäimistön laiterekisterien osoitteet laiteajurissa ovat KBControl (kontrollirekisteri), KBStatus (statusrekisteri) ja KBData (data rekisteri). Laiteohjaimen muistissa laiterekisterit ovat tavallisia muistipaikkoja Status, Control ja Data.

Näppäimistöltä voisi nyt lukea yhden merkin (yksinkertaistetun koodin avulla) seuraavanlaisesti:

Laiteajuri (DD) -- suora I/O
----------------------------

     load r1, =1          ; komento "Lue"
     store r1, @KBControl

loop load r1, @KBStatus   ; odota näppäintä, 1 = OK, negat. arvo = vika
     jneg r1, KBError     ; näppäimistö rikki, ei kytketty, tms.
     jzer r1, loop

     load r1, @KBData     ; lue merkki laitteelta datarekisteristä
     store r1, Buffer     ; vie merkki keskusmuistiin puskuriin


Laiteohjainprosessi (DCP)
-------------------------

     load r1, =0          ; resetoi status
     store r1, Status

wait load r1, Control    ; odota kunnes uusi pyyntö
     jnzer r1, wait

     ...    ; odota, kunnes jotain näppäintä painettu.
            ; painetun näppäimen koodi on r2:ssa
     store r2, Data

     load r1, =1         ; ilmoita ajurille
     store r1, Status

Esimerkin DCP suorittaa siis laiteohjaimella. Laiteohjaimen suoritin ei yleensä ole lainkaan samantyyppinen keskusyksikön suorittimen (CPU) kanssa eikä se käytä samanlaisia konekäskyjä. Yksinkertaisen laitteen laiteohjain voi olla suoraan toteutettuna mikropiireillä, jolloin mitään suoritinta tai laiteohjain_prosessia_ ei edes ole. Laitteen toimintaa voi silti hyvin kuvata DCP:n kaltaiseksi. Tässä esimerkissä laiteohjaimella on suoritin, jonka rakenne ja käskykanta ovat (pedagogista syistä) samanlaisia CPU:n kanssa. DCP voi viitata laiteohjaimen laiterekistereihin (sen muistiin) suoraan tavallisilla muistiosoitteilla. Esimerkistä on tahallaan jätetty pois yksityiskohdat, joilla merkki siirretään puskurista (Buffer) käyttäjätason prosessille ja joilla DCP pääsee seuraavan merkin lukemiseen. Samoin siitä on jätetty pois erilaisten virheiden käsittelyrutiinit.

Suorassa I/O:ssa etuna on, että se on hyvin yksinkertainen toteuttaa. Huonona puolena on se, että kaikki odotus tapahtuu suorittamalla tiukkaa silmukkaa, kunnes luettu tieto on halutun mukainen. DCP:llä tämä ei haittaa, koska se on muusta järjestelmästä irrallinen laite. Sillä ole mitään muutakaan tekemistä sillä aikaa, kun se odottaa jonkin prosessin haluavan käyttää sitä (esim. näppäimistöä).

Suorittimella suorituksessa oleva DD on eri asia. Koska oheislaite (esim. näppäimistö) voi olla hyvinkin hidas, niin odotusaika silmukassa voi olla suorittimen nopeuteen nähden hyvinkin pitkä, miljardeja looppeja. Esimerkiksi artikkelin kirjoittaja voi vaikka lähteä lounaalle tai nukkumaan välillä. Olisi järkevää, jos odotusaikana voisi tehdä jotain hyödyllistä. Hyödyllisiä tehtäviä voisi olla vaikkapa käyttöjärjestelmän hallinto tai kissavideon näyttäminen. Tähän ongelmaan vastauksena on seuraavaksi esiteltävä keskeyttävä I/O.

Keskeyttävä I/O (epäsuora I/O, indirect I/O, interrupt-driven I/O)

Keskeyttävää I/O:ta käyttävä laiteohjain on kytketty dataväylän lisäksi myös kontrolliväylään. Siellä on erityisesti yksi johdin varattu I/O-laitekeskeytykselle. Kun DCP kirjoittaa tuolle johtimelle (eli aiheuttaa I/O-laitekeskeytyksen), niin keskusyksikön suoritin havaitsee tämän heti nykyisen konekäskyn suorituksen jälkeen ja siirtyy suorittamaan siihen liittyvää keskeytyskäsittelijää.

DD voi nyt I/O-komennon annettuaan siirtyä odotustilaan ja järjestelmä voi suorittaa muita prosesseja odotusaikana. Kun DCP on lopulta saanut tehtävänsä tehtyä, niin se ensin kertoo siitä tilarekisterissä ja sitten aiheuttaa I/O-laitekeskeytyksen. Suorittimella suorituksessa oleva ohjelma suorittaa (etuoikeutetussa tilassa) nyt heti I/O-laitekeskeytyksen keskeytyskäsittelijän, joka siirtää DD:n odotustilasta Valmis suoritukseen -tilaan (Ready-tilaan). Käyttöjärjestelmän vuoronantopolitiikasta riippuen DD pääsee suoritukseen heti paikalla tai sitten vasta vähän ajan päästä. Sitten DD lukee statusrekisterin arvon ja päättää jatkotoimista tämän I/O-tapahtuman suhteen.

Aikaisempi esimerkin näppäimistö toimisi nyt seuraavanlaisesti:

Laiteajuri (DD) -- keskeyttävä I/O
----------------------------------

     load r1, =1           ; komento "Lue"
     store r1, @KBControl  ; kirjoita komento kontrollirekisteriin

     svc sp, =SLEEP        ; mene odotustilaan

     ... ; herää henkiin sitten joskus, kun käyttöjärjestelmä päättää

     load r1, @KBStatus   ; lue status, 1 = OK, negat. arvo = vika
     jneg r1, KBError      ; oliko jotain vialla?

     load r1, @KBData      ; lue merkki laitteelta
     store r1, Buffer      ; vie se keskusmuistiin


Laiteohjainprosessi (DCP)
-------------------------

     load r1, =0          ; resetoi status
     store r1, Status

wait load r1, Control    ; odota kunnes uusi pyyntö
     jnzer r1, wait

     ...    ; odota, kunnes jotain näppäintä painettu.
            ; painetun näppäimen koodi on r2:ssa
     store r2, Data      ; kirjoita merkki datarekisteriin

     load r1, =1         ; ilmoita merkistä ajurille
     store r1, Status

     load r1, =1         ; aiheuta I/O-laitekeskeytys, jotta
     store r1, IOInt     ; ajuri pääsee joskus suoritukseen

Keskeyttävän I/O:n yksi heikkous on sen suoraa I/O:ta hitaampi reagointinopeus. Suorassa I/O:ssa DD jatkaa suoritusta muutaman konekäskyä myöhemmin sen jälkeen, kun DCP on ilmoittanut sille annetun tehtävän valmistumisesta. Keskeyttävässä I/O:ssa pitää ensin suorittaa keskeytyskäsittelijä, joka siirtää DD:n Valmis suoritukseen -jonoon, josta se lopulta pääsee suoritukseen. Aikaa tähän kuluu vähintää yhden prosessin vaihdon verran. Lisäksi aikaa on kulunut yhden prosessin vaihdon verran, kun DD meni odotustilaan aikoinaan.

Edellisen esimerkin DD:n kaksi viimeistä riviä näyttävät selkeästi näiden kahden I/O-tyypin yhteisen heikkouden. Kaikki data virtaa sana kerrallaan CPU-rekisterin kautta ja kaiken datan tarvitsee kulkea muistiväylän läpi kaksi kertaa. Jos siirrettävä datamäärä on pieni (muutama tavu tai sana), niin tästä ei ole haittaa. Mutta jos siirrettävänä on 4 KB tai 4 MB virtuaalimuistin sivu tai levylohko, niin tämä hidastaa I/O:ta tekevän prosessin ja koko järjestelmän suoritusta merkittävästi. Ongelman ratkaisu on seuraavaksi esiteltävä DMA-I/O.

DMA I/O

DMA I/O:ssa (Direct Memory Access) laiteohjain on vielä aikaisempia laitteita älykkäämpi. DMA-laiteohjain pystyy nyt siirtämään itse dataa keskusmuistin ja laiteohjaimen datarekisterin välillä, joten datan ei tarvitse kiertää CPU-rekisterien kautta. Datarekisteri voi näissä laitteissa olla hyvinkin suuri, sisältäen esimerkiksi 32 kappaletta 4 MB puskureita.

On mahdollista, että DMA-laite voi itse käyttää osoiteväylää ja tehdä itsenäisesti datasiirtoja. Yleensä järjestelmässä on kuitenkin erityinen DMA-ohjain, joka tekee tiedon siirron DMA-laitteiden puolesta. DMA-laitteen DCP pyytää tällöin DMA-laiteohjainta datasiirtoihin. Isommissa järjestelmissä tällainen keskitetty DMA-ohjain on parempi DMA:n toteutustapa, koska suurten DMA-datasiirtojen hallinta on vaikeata. Mikään laite ei saisi varata väylää liian pitkäksi aikaa, koska se hidastaa muiden prosessien suoritusta suorittimella. DMA-ohjainta käytettäessä kaikki DMA-laitteet toimivat samalla tavalla väylän käytön suhteen.

Edellinen esimerkki ei ole hyvä DMA-laitteen osalta. Näppäimistöä ei mitenkään kannata toteuttaa DMA-I/O:n avulla, mutta jos näin tehtäisiin, niin esimerkkimme olisi seuraavanlainen.

Laiteajuri (DD) -- DMA I/O
--------------------------

     load r1, =Buffer     ; anna DCP:lle puskurin muistiosoite
     store r1, @KBData 

     load r1, =1          ; komento "Lue" kontrollirekisteriin
     store r1, @KBControl 

     svc sp, =SLEEP       ; mene odotustilaan

     ... ; herää henkiin sitten joskus, kun käyttöjärjestelmä päättää

     load r1, @KBStatus   ; lue status, 1 = OK, negat. arvo = vika
     jneg r1, KBError     ; oliko jotain vialla?



Laiteohjainprosessi (DCP)
-------------------------
; Esimerkissä symbolit Status, Control ja Data ovat laiteohjaimen sisäisiä 
;  rekistereitä, joihin laiteohjainprosessi viittaa.

     load r1, =0          ; resetoi status
     store r1, Status     ; 

wait load r1, Control    ; odota kunnes uusi pyyntö
     jnzer r1, wait

     ...    ; odota, kunnes jotain näppäintä painettu.
            ; painetun näppäimen koodi on r2:ssa

     store r2, @Data     ; talleta näppäinkoodi suoraan muistiin

     load r1, =1         ; ilmoita ajurille
     store r1, Status

     load r1, =1         ; aiheuta I/O-laitekeskeytys, jotta
     store r1, IOInt     ; ajuri pääsee joskus suoritukseen

Todellisuudessa DMA-I/O:lla kerralla siirrettävä data on yleensä suuri. Esimerkiksi kerralla voisi siirtää koko 4 KB levylohkon. Jos kovalevyn laiteohjain toteutetaan DMA-I/O:lla keskeyttävän I/O:n asemesta, niin DMA-I/O tapahtuu nopeammin kahdesta syystä. Ensinnäkin, tuo 4 KB virtaa väylän läpi vain kerran. Toiseksi, yhdessä I/O tapahtumassa kerralla siirettävä datamäärä on DMA-I/O:ssa suurempi (esim. 4 KB) kuin keskeyttävässä I/O:ssa (esim. 256 B), joten laiteajurin tarvitsee puuttua harvemmin I/O:n johtamiseen. Älykkään DMA-laitteen DCP tekee pääosan työstä itsenäisesti. Jos siirrettävänä on vain yksi levylohko, niin DMA-laitteen laiteajuri aktivoituu vain kaksi kertaa. Ensin se pyytää DMA-laitetta siirtämään datan ja lopuksi se tarkistaa, että datasiirto on onnistunut.

Yhteenveto

Tämä luvussa näytettiin ensin, kuinka virtuaalimuisti toimii ja kuinka se ratkaisee osaltaan keskusmuistin ja kovalevyn välisen suuren nopeuskuilun ongelmaa muistihierarkiassa. Seuraavaksi esiteltiin tiedostojärjestelmän päätoiminnot ja kuinka tiedostot voidaan toteuttaa erilaisilla massamuistilaitteilla. Pääasiassa keskityttiin kuitenkin kovalevyjen toteutukseen. Viimeisessä aliluvussa käytiin läpi eri tavat toteuttaa I/O millä tahansa laitteella. Erityisesti esiteltiin, kuinka I/O:n toteutus tehdään yhteistyöllä keskusyksikön suorittimella suorittavan laiteajurin ja oheislaitteen laiteohjaimella suorittavan laiteohjainprosessin avulla. Mitä viisaampi laiteohjain on, sitä suuremman osan työstä se tekee ja sitä enemmän suoritinaikaa laiteajurilta jää muille prosesseille keskusyksikön suorittimella.

Vastaa alla olevaan kyselyyn, kun olet opiskellut tämän luvun asiat.

Muistathan tarkistaa pistetilanteesi materiaalin oikeassa alareunassa olevasta pallosta!