Основные функции и интерфейс файловой системы

Во-первых, емкость буфера кэша ограничена. Когда блок должен быть загружен в заполненный буфер кэша, возникает проблема замещения блоков, то есть отдельные блоки должны быть удалены из него. Здесь работают те же стратегии и те же FIFO, Second Chance и LRU-алгоритмы замещения, что и при выталкивании страниц памяти.

 
Рис. 3.9. Структура блочного кэша

Замещение блоков должно осуществляться с учетом их важности для файловой системы. Блоки должны быть разделены на категории, например: блоки индексных узлов, блоки косвенной адресации, блоки директорий, заполненные блоки данных и т. д., и в зависимости от принадлежности блока к той или иной категории можно применять к ним разную стратегию замещения.

Во-вторых, поскольку кэширование использует механизм отложенной записи, при котором модификация буфера не вызывает немедленной записи на диск, серьезной проблемой является "старение" информации в дисковых блоках, образы которых находятся в буферном кэше.

Несвоевременная синхронизация буфера кэша и диска может привести к очень нежелательным последствиям в случае отказов оборудования или программного обеспечения. Поэтому стратегия и порядок отображения информации из кэша на диск должна быть тщательно продумана.

Наконец, проблема конкуренции процессов на доступ к блокам кэша решается ведением списков блоков, пребывающих в различных состояниях, и отметкой о состоянии блока в его дескрипторе. Например, блок может быть заблокирован, участвовать в операции ввода-вывода, а также иметь список процессов, ожидающих освобождения данного блока.

Оптимальное размещение информации на диске

Кэширование - не единственный способ увеличения производительности системы. Другая важная техника - сокращение количества движений считывающей головки диска за счет разумной стратегии размещения информации. Например, массив индексных узлов в Unix стараются разместить на средних дорожках. Также имеет смысл размещать индексные узлы поблизости от блоков данных, на которые они ссылаются и т. д.

Кроме того, рекомендуется  периодически осуществлять дефрагментацию диска (сборку мусора), поскольку в  популярных методиках выделения  дисковых блоков (за исключением, может  быть, FAT) принцип локальности не работает, и последовательная обработка файла требует обращения к различным участкам диска.

Современные архитектуры файловых систем

Современные ОС предоставляют  пользователю возможность работать сразу с несколькими файловыми  системами (Linux работает с Ext2fs, FAT и др.).

Файловая система в  традиционном понимании становится частью более общей многоуровневой структуры (см. рис. 3.10).

На верхнем уровне располагается так называемый диспетчер файловых систем (например, в Windows 95 этот компонент называется installable filesystem manager). Он связывает запросы прикладной программы с конкретной файловой системой.

Каждая файловая система (иногда говорят - драйвер файловой системы) на этапе инициализации  регистрируется у диспетчера, сообщая  ему точки входа, для последующих  обращений к данной файловой системе.

Та же идея поддержки  нескольких файловых систем в рамках одной ОС может быть реализована  по-другому, например, исходя из концепции виртуальной файловой системы.

Виртуальная файловая система (vfs) представляет собой независимый от реализации уровень и опирается на реальные файловые системы (s5fs, ufs, FAT, NFS, FFS. Ext2fs ѕ).

При этом возникают структуры  данных виртуальной файловой системы типа виртуальных индексных узлов vnode, которые обобщают индексные узлы конкретных систем.

 
Рис. 3.10. Архитектура современной файловой системы

Вопросы для  проверки

1. Назовите способы повышения скорости работы при обращении к диску.
2. В чем заключается метод кэширования?
3. Расскажите об архитектуре ФС.
4. Для чего используется диспетчер ФС?
5. Что такое виртуальная ФС?

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ

Функционирование любой  вычислительной системы обычно сводится к выполнению двух видов работы: обработке информации и операций по осуществлению ее ввода-вывода.

Поскольку в рамках модели, принятой в данном курсе, все, что  выполняется в вычислительной системе, организовано как набор процессов, эти два вида работы выполняются процессами.

Процессы занимаются обработкой информации и выполнением  операций ввода-вывода.

Содержание понятий "обработка  информации" и "операции ввода-вывода" зависит от того, с какой точки зрения мы смотрим на них.

С точки зрения программиста, под "обработкой информации" понимается выполнение команд процессора над данными, лежащими в памяти независимо от уровня иерархии – в регистрах, кэше, оперативной или вторичной памяти. Под "операциями ввода-вывода" программист понимает обмен данными между памятью и устройствами, внешними по отношению к памяти и процессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиатура, таймер.

С точки зрения операционной системы "обработкой информации" являются только операции, совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к "операциям ввода-вывода".

Данная лекция будет  посвящена второму виду работы вычислительной системы – операциям ввода-вывода. Мы разберем, что происходит в компьютере при выполнении операций ввода-вывода, и как операционная система управляет их выполнением.

Прежде чем говорить о работе операционной системы при  осуществлении операций ввода-вывода, нам придется вспомнить некоторые сведения из курса "Архитектура современных ЭВМ", чтобы понять, как осуществляется передача информации между оперативной памятью и внешним устройством и почему для подключения к вычислительной системе новых устройств ее не требуется перепроектировать.

Вопросы для  проверки

1. Назовите виды работ вычислительной системы.
2. Что понимает программист под выполнением каждого вида работ вычислительной системы?
3. Что понимает операционная система под выполнением каждого вида работ вычислительной системы?

Физические принципы организации  ввода-вывода

Существует много разнообразных  устройств, которые могут взаимодействовать  с процессором и памятью: таймер, жесткие диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д.

Часть этих устройств может быть встроена внутрь корпуса компьютера, часть – вынесена за его пределы и может общаться с компьютером через различные линии связи:

• кабельные,
• оптоволоконные,
• радиорелейные,
• спутниковые и т. д.

Конкретный набор устройств  и способы их подключения определяются целями функционирования вычислительной системы, желаниями и финансовыми возможностями пользователя. Несмотря на все многообразие устройств, управление их работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом наборе принципов, которые мы постараемся разобрать в этом разделе.

Общие сведения об архитектуре компьютера

В простейшем случае процессор, память и многочисленные внешние  устройства связаны большим количеством  электрических соединений – линий, которые в совокупности принято называть локальной магистралью компьютера.

Внутри локальной магистрали линии, служащие для передачи сходных сигналов и предназначенные для выполнения сходных функций, принято группировать в шины. При этом понятие шины включает в себя не только набор проводников, но и набор жестко заданных протоколов, определяющий перечень сообщений, который может быть передан с помощью электрических сигналов по этим проводникам.

В современных компьютерах  выделяют как минимум три шины:

• шину данных, состоящую из линий данных и служащую для передачи информации между процессором и памятью, процессором и устройствами ввода-вывода, памятью и внешними устройствами;
• адресную шину, состоящую из линий адреса и служащую для задания адреса ячейки памяти или указания устройства ввода-вывода, участвующих в обмене информацией;
• шину управления, состоящую из линий управления локальной магистралью и линий ее состояния, определяющих поведение локальной магистрали. В некоторых архитектурных решениях линии состояния выносятся из этой шины в отдельную шину состояния.

Количество линий, входящих в состав шины, принято называть разрядностью (шириной) этой шины. Ширина адресной шины определяет максимальный размер оперативной памяти, которая может быть установлена в вычислительной системе. Ширина шины данных определяет максимальный объем информации, которая за один раз может быть получена или передана по этой шине.

Операции обмена информацией осуществляются при одновременном участии всех шин. Рассмотрим, к примеру, действия, которые должны быть выполнены для передачи информации из процессора в память.

В простейшем случае необходимо выполнить три действия.

1. На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу ячейки памяти, в которую будет осуществляться передача информации.
2. На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть записана в память.
3. После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с памятью, что приведет к занесению необходимой информации по нужному адресу.

Естественно, что приведенные  выше действия являются необходимыми, но недостаточными при рассмотрении работы конкретных процессоров и микросхем памяти.

Однако общие принципы выполнения операции записи в память остаются неизменными.

В то время как память легко можно представить себе в виде последовательности пронумерованных адресами ячеек, локализованных внутри одной микросхемы или набора микросхем, к устройствам ввода-вывода подобный подход неприменим.

Внешние устройства разнесены  пространственно и могут подключаться к локальной магистрали в одной точке или множестве точек, получивших название портов ввода-вывода.

Тем не менее, точно так  же, как ячейки памяти взаимно однозначно отображались в адресное пространство памяти, порты ввода-вывода можно взаимно однозначно отобразить в другое адресное пространство – адресное пространство ввода-вывода.

При этом каждый порт ввода-вывода получает свой номер или адрес в этом пространстве. В некоторых случаях, когда адресное пространство памяти (размер которого определяется шириной адресной шины) задействовано не полностью (остались адреса, которым не соответствуют физические ячейки памяти) и протоколы работы с внешним устройством совместимы с протоколами работы с памятью, часть портов ввода-вывода может быть отображена непосредственно в адресное пространство памяти (так, например, поступают с видеопамятью дисплеев).

В ситуации прямого отображения портов ввода-вывода в адресное пространство памяти действия, необходимые для записи информации и управляющих команд в эти порты или для чтения данных из них и их состояний, ничем не отличаются от действий, производимых для передачи информации между оперативной памятью и процессором, и для их выполнения применяются те же самые команды.

Если же порт отображен  в адресное пространство ввода-вывода, то процесс обмена информацией инициируется специальными командами ввода-вывода и включает в себя несколько другие действия.

Например, для передачи данных в порт необходимо выполнить  следующее.

• На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу порта, в который будет осуществляться передача информации, в адресном пространстве ввода-вывода.
• На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть передана в порт.
• После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с устройствами ввода-вывода (переключение адресных пространств!), что приведет к передаче необходимой информации в нужный порт.

Существенное отличие  памяти от устройств ввода-вывода заключается  в том, что занесение информации в память является окончанием операции записи, в то время как занесение информации в порт зачастую представляет собой инициализацию реального совершения операции ввода-вывода.

Что именно должны делать устройства, приняв информацию через  свой порт, и каким именно образом они должны поставлять информацию для чтения из порта, определяется электронными схемами устройств, получившими название контроллеров.