Примеры драйверов устройств

Приводимые ниже примеры показывают, что на драйверы некоторых устройств часто возлагаются дополнительные функции помимо непосредственного управления вводом-выводом.

Драйвер системных часов.

Вычислительные системы имеют один или два таймера. Обязательным является линейный таймер, генерирующий прерывания центрального процессора через фиксированные интервалы времени. Возможен также работающий независимо от линейного программируемый таймер, который генерирует однократное прерывание через заданный интервал времени от момента задания. Прерывания такого таймера иногда называются сигналом тревоги. Если программируемый таймер отсутствует, он может моделироваться при помощи интервального таймера и программных средств.

Драйвер линейного таймера осуществляет обработку его прерываний и в типовом случае может выполнять следующие действия по каждому прерыванию:

модифицировать системные структуры данных службы времени и даты;
увеличивать счетчик виртуального времени активного процесса;
если планирование процессов ведется с квантованием времени, уменьшать счетчик кванта активного процесса и, если счетчик обратился в ноль, вызывать планировщик;
если не используется программируемый таймер - уменьшать счетчик тревоги и, если он обратился в ноль, вызывать системную задачу, ожидающую этого сигнала. Линейный таймер может поддерживать целый список таких сигналов тревоги, используемых разными процессами и системными службами, временные выдержки могут задаваться для обеспечения протоколов обмена, измерения производительности системы и т.п.

Драйвер клавиатуры.

Этот драйвер предназначен для ввода символов с клавиатуры терминала. В большинстве аппаратных архитектур нажатие любой клавиши на клавиатуре вызывает прерывание. Обработчик этого прерывания в типовом случае выполняет:

чтение кода клавиши и перевод его в код символа;
запоминание кодов символов в своем буфере;
распознавание специальных клавиш или/и комбинаций клавиш (например, Ctrl+Break) и вызов специальных их обработчиков;
обработку специальных клавиш редактирования содержимого буфера (например, Backspace).

Большинство драйверов позволяют пользователю терминала производить упреждающий ввод данных - до того, как на них поступит запрос из программы. Введенные данные становятся доступными для чтения при нажатии клавиши ввода. Код этой клавиши сохраняется в буфере как признак конца строки. При поступлении запроса на чтение данных с клавиатуры драйвер выбирает из буфера строку - до признака конца строки. Если этот признак отсутствует, то процесс, выдавший запрос, блокируется до появления законченной строки в буфере драйвера. Некоторые драйверы запоминают введенные строки в стеке и обрабатывают также специальные клавиши, позволяющие выбирать строки из стека.
Драйверы дисковых запоминающих устройств.

Обычной функцией такого драйвера является перевод виртуального адреса на диске в реальный (физический). Физический адрес на диске состоит из трех компонент: головка, дорожка, сектор (в дисковых архитектурах без разбиения на сектора - смещение на дорожке). Драйвер же формирует для процессов виртуальный диск, представляемый как линейная последовательность секторов, виртуальным адресом является номер сектора.
Интересной функцией дискового драйвера может быть планирование запросов на ввод-вывод с целью повышения эффективности обмена. В соответствии со структурой физического адреса доступ к данным на диске состоит из трех этапов - выборок составляющих этого адреса: выбора головки, выбора дорожки и выбора сектора. Выбор головки чтения/записи производится простым электрическом переключением практически мгновенно. Выбор дорожки - самый времяемкий этап: он требует механического перемещения головок к требуемой дорожке; время этого перемещения зависит от расстояния перемещения. Выбор сектора на дорожке требует ожидания момента, когда требуемый сектор окажется под головкой (за счет вращения диска), время выбора сектора много меньше времени выбора дорожки.
Драйвер упорядочивает очередь запросов таким образом, чтобы минимизировать среднее время поиска дорожки. Обсуждение стратегий обслуживания мы далее ведем, исходя из предположения о случайном распределении запросов по пространству диска.

Обслуживание очереди по дисциплине FCFS, очевидно, приведет к хаотическому перемещению головок и в результате - к невысокой пропускной способности драйвера и значительным механическим нагрузкам на дисковод. Из дисциплин обслуживания, позволяющих повысить пропускную способность, наиболее известными являются следующие:

SSTF (shortest seek time first - с наименьшим временем поиска - первый) - следующим обслуживается запрос к ближайшей дорожке; эта стратегия обеспечивает весьма высокую пропускную способность, но при высоких нагрузках с высокой вероятностью допускает бесконечное откладывание запросов, обращенных к крайним на диске дорожкам;
Scan - сканирование - головка движется в одном направлении, применяя на этом направлении SSTF, то есть, обслуживается ближайший запрос на выбранном направлении, когда в этом направлении не остается запросов, направление меняется; стратегия обеспечивает высокую пропускную способность и исключает бесконечное откладывание, но при высоких нагрузках время ожидания запросов, обращенных к крайним дорожкам, существенно превышает среднее;
N-Scan - многошаговое сканирование - головка движется в одном направлении, применяя на этом направлении FCFS, обслуживаются те запросы на выбранном направлении, которые поступили на момент начала движения, запросы, поступившие после этого момента, будут обслужены при обратном движении; стратегия обеспечивает лучшие показатели справедливости обслуживания при некотором увеличении среднего времени обслуживания;
C-Scan - циклическое сканирование - такая модификация стратегии Scan, в которой головка движется всегда в одном направлении, а после обслуживания последнего на направлении запроса скачком перемещается к самому дальнему запросу; стратегия полностью исключает дискриминацию крайних дорожек даже при высоких нагрузках.

Авторы, приводящие результаты исследования функционирования этих стратегий на моделях [8, 27], рекомендуют стратегию Scan при малых нагрузках и C-Scan - при больших.
Совместно с любым методом сокращения времени выбора дорожки может применяться алгоритм минимизации задержки от вращения диска SLTF (shortest latency time next - с наименьшим временем задержки - первый): при наличии нескольких запросов к одной дорожке они упорядочиваются таким образом, чтобы все они могли быть обслужены за один оборот диска.
Другим примером функций, возлагаемых на драйвер дисков, может быть поддержка RAID-технологий - использование избыточных дисковых устройств для обеспечения возможности восстановления данных при сбоях. В настоящее время имеется широкий спектр реализаций RAID-технологий - от полного переноса их на аппаратуру ввода-вывода до полной реализации их в драйвере.

Содержание раздела