การจัดการอุปกรณ์ (Device Management)
อินพุต/เอาต์พุตฮาร์ดแวร์ (I/O Hardware)
-นักวิชาการแต่ละสาขาจะการมอง อินพุต / เอาต์พุดฮาร์ดแวร์ ในมุมที่แตกต่างกัน
-นักวิศวกรรมไฟฟ้าเห็นว่า อินพุต/เอาต์พุตฮาร์ดแวร์ คือ ตัวฮาร์แวร์ที่นำมาประกอบกันได้แก่ มอเตอร์ สายไฟ ชุดจ่ายกระแสไฟฟ้า
อินพุต/เอาต์พุตฮาร์ดแวร์ คือ โปรแกรมที่ใช้ติดต่ออุปกรณ์ต่างๆ ทำงานร่วมกัน เป็นโปรแกรมที่ใช้ควบคุมอุปกรณ์แต่ละชนิดจะมีความแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการทำงาน
อุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต (I/O Devices) อุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต แบ่งออกเป็น 2 ประเภท
1.บล็อกดีไวซ์ (Block Devices) เป็นอุปกรณ์ที่จัดเก็บข้อมูลได้โดยทำการเก็บเป็นบล็อกเช่น ดิสก์เก็ต ฮาร์ดดิสก์ เทป ขนาดของบล็อกประมาณ 512 ไบต์ ถึง 32,768 ไบต์ สามารถอ่าน/เขียนข้อมูลลงในแต่ละบล็อกได้โดยอิสระ อุปกรณ์ประเภทที่เป็นบล็อกจำพวกดิสก์สามารถกำหนดตำแหน่งลงไปในแผ่นดิสก์ได้ ประกอบไปด้วย ไซเรนเดอร์ (Cylinder) และเซ็กเตอร์ (Sector)
-แต่ละบล็อกที่บรรจุข้อมูลภายในหัวอ่านสามารถนำข้อมูลออกมาได้
-อุปกรณ์ที่มีการแอ็กเซสโดยตรง (direct access storage device) ได้แก่ ดิสก์
-ข้อมูลจะถูกจัดไว้เป็นกลุ่มในระดับบล็อกหรือเซ็กเตอร์
-แต่ละกลุ่มจะมีแอ็ดเดรสของตัวเอง
-การแอ็กเซสทำได้โดยกำหนดแอ็ดเดรสของข้อมูลกลุ่มนั้น ซึ่งจะทำให้ทราบว่าข้อมูลกลุ่มนั้นอยู่ที่ไหน
-อุปกรณ์ที่มีการแอ็กเซสแบบลำดับ (serial access storage device) ได้แก่ เทป
-ลักษณะของอุปกรณ์ประเภทนี้การแอ็กเซสจะต้องเป็นไปตามลำดับ ตั้งแต่ต้นเทป เรียงไปจนถึงตำแหน่งที่ต้องการ
-การเก็บข้อมูลจะเก็บเป็นกลุ่มๆ ไม่มีแอ็ดเดรสของแต่ละกลุ่ม การอ่านจะต้องอ่านเข้ามาทีละกลุ่ม
2.คาร์เรกเตอร์ดีไวซ์ (Character Devices) เป็นอุปกรณ์ที่รับข้อมูลเป็นสาย จำนวนข้อมูลขึ้นอยู่กับบัฟเฟอร์ (Buffer) ที่มีแต่ไม่สามารถกำหนดตำแหน่งของบัฟเฟอร์เหล่านี้ได้
-อุปกรณ์ประเภทนี้ได้แก่ การ์ดเน็ตเวิร์คของเครื่องพิมพ์ สแกนเนอร์
-อุปกรณ์ชนิดข้อมูลเป็นสาย (stream) อุปกรณ์ประเภทนี้มีข้อมูลการส่งเข้าออกจะเรียงมาเป็นลำดับก่อน-หลัง
-การแบ่งแยกข้อมูลทำได้โดยตรวจสอบลำดับของข้อมูล
-เป็นอุปกรณ์ที่มีการจัดการได้ง่าย เพียงแต่จัดลำดับการรับ – ส่ง ข้อมูลที่ถูกต้อง
-อุปกรณ์ประเภทนี้ ข้อมูลที่ส่งและรับไม่ขึ้นอยู่กับลำดับการส่ง
-ต้องอาศัยข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อที่จะแยกแยะข้อมูลแต่ละตัว
-การจัดการอุปกรณ์ประเภทนี้ระบบปฏิบัติการจะต้องมีวิธีจัดการโดยเฉพาะ ขึ้นอยู่กับลักษณะของอุปกรณ์ชนิดนั้น
อุปกรณ์แต่ละประเภทมีความสามารถในการรับส่งข้อมูลในอัตราที่แตกต่างกัน
ตัวควบคุมอุปกรณ์ (Device Controllers)
-อุปกรณ์แต่ละประเภทจะประกอบด้วยกลไกต่างๆ และส่วนที่เป็นวงจรอีเล็กทรอนิกส์ ซึ่งประกอบเข้าเป็นตัวชิพ หรือประกอบรวมกันบนแผ่นเซอร์กิตบอร์ด (circuit board) ที่ถูกเรียกว่า “ตัวควบคุมอุปกรณ์” (device controller) หรืออะแดปเตอร์ (adapter)
-สำหรับบอร์ดและการ์ด ที่ประกอบเป็นคอมพิวเตอร์นั้นเรียกว่า กลไกบนบอร์ดคอมพิวเตอร์ สามารถต่อการ์ดต่างๆ ได้เป็นจำนวนมาก
-ช่องที่เสียบเข้ากับบอร์ดเรียกว่า สล็อต (slot) สำหรับคอมพิวเตอร์พีซี (PC) สล็อตเหล่านี้จะมีชื่อเรียกต่างๆกัน เช่น ISA PCI AGP
-การ์ดควบคุมอุปกรณ์แต่ละชนิดที่เสียบลงบนบอร์ดจะถูกต่อสายไปยังอุปกรณ์นั้น ๆ แต่ละการ์ดสามารถควบคุมอุปกรณ์ได้ตั้งแต่ 1ชิ้น 2,4,8ชิ้น
-การติดต่อระหว่างการ์ดควบคุมกับอุปกรณ์มักเป็นในรูปของภาษาเครื่องการโอนถ่ายข้อมูลจะกระทำในระดับบิต
-หน้าที่ของตัวควบคุมนอกจากจะคอยตรวจสอบข้อผิดพลาด แล้วยังมีหน้าที่ในการแปลข้อมูลจากรูปของสายข้อมูลไปเป็นบล็อกเพื่อนำไปจัดเก็บลงในสื่อข้อมูลหรือจากสื่อข้อมูลไปลงบนหน่วยความจำ
อินพุต/เอาต์พุตที่ใช้การแมพหน่วยความจำ (Memory mapped I/O)
-ตัวควบคุมแต่ละตัวจะมีรีจิสเตอร์ที่ใช้ติดต่อกับซีพียูโดยตรง
-ระบบปฏิบัติการ จะเป็นตัวประสานการทำงานระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ กับซีพียู แล้วแต่การร้องขอและความจำเป็นของอุปกรณ์นั้นๆ
-ขณะที่ซีพียูทำการอ่านข้อมูลจากรีจิสเตอร์ ระบบปฏิบัติการที่ดีจะเป็นตัวกำหนดช่วงเวลาที่ติดต่อให้สอดคล้องและเหมาะสบกับสถานะของอุปกรณ์ในขณะนั้น
-อุปกรณ์หลายตัวจะมีบัฟเฟอร์ที่คอยทำหน้าที่เก็บข้อมูลเมื่อมีการติดต่อมายังอุปกรณ์นั้นๆ โดยมีระบบปฏิบัติการเป็นตัวประสาน ตัวอย่างบัฟเฟอร์ คือ วีดีโอแรม (Video RAM)
การแอ็กเซสข้อมูลโดยตรง (DMA : Direct Memory Access)
-DMA เป็นการรับ-ส่งข้อมูลจากหน่วยความจำกับอุปกรณ์โดยตรงไม่ต้องผ่านซีพียู
-การรับ-ส่งข้อมูลได้รวดเร็วไม่เปลืองเวลาของซีพียู เพราะการรับ-ส่งข้อมูลแบบ DMA อาศัยแชนแนลหรือตัวควบคุม DMA (DMA controller)
-แชลแนล ทำหน้าที่แทนซีพียูเมื่อต้องการรับส่งข้อมูลแบบ DMA
-แชลแนลจะส่งสัญญาณให้ ซีพียูรับรู้ ซีพียูจะสั่งให้แชนแนลทำรูทีนควบคุมการส่งข้อมูล
-จากนั้นซีพียูจะไปทำงานอื่นต่อและเมื่อการทำ DMA เสร็จสิ้นลง แชลแนลจะส่งสัญญาณบอกซีพียูได้รับรู้อีกครั้งว่าทำ DMA เสร็จแล้ว
-อุปกรณ์ที่ใช้ตัวควบคุม DMA ในการรับ-ส่งข้อมูลโดยอิสระจากตัวซีพียู อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยรีจิสเตอร์ที่ใช้ในการเก็บข้อมูลในระหว่างที่ทำการรับ-ส่งข้อมูลผ่านทางซีพียู
-การโอนถ่ายข้อมูลแต่ละครั้งจะทำครั้งละไบต์ หรืเวิร์ด หรือหลายๆ เวิร์ด ขึ้นอยู่กับจำนวนรีจิสเตอร์ที่มีอยู่ของอุปกรณ์นั้นๆ
-นอกจากรีจิสเตอร์แล้ว อุปกรณ์เหล่านี้ยังมีรีจิสเตอร์ที่คอยทำหน้าที่ควบคุมการรับส่งข้อมูลผ่านทางแซลแนลต่างๆ
-ซีพียูที่รันงานอื่นๆอยู่และมีการกระทำ DMA ขึ้นพร้อมๆ กันในช่วงที่มีการรับ-ส่งข้อมูลระหว่างหน่วยความจำกับแชลแนล แชลแนลจำเป็นต้องใช้บัสข้อมูลและบัสแอ็ดเดรสของหน่วยความจำกับซีพียู
-กรณีการเลี่ยงช่วงเวลาที่ซีพียูใช้บัสข้อมูลและบัสแอ็ดเดรสของหน่วยความจำไม่ให้ตรงกัน ถ้าซีพียูต้องการใช้บัสทั้งสอง DMA จะต้องหยุดทันทีเป็นการชั่วคราว เมื่อซีพียูทำงานเสร็จ DMA ถึงจะกลับมาใช้บัสได้ตามเดิม ลักษณะที่ DMA ใช้บัสทั้งสองในขณะที่ซีพียูไม่ใช้นี้เรียกว่า “การขโมยรอบเวลา (cycle stealing)”
การอินเทอร์รัพต์ซีพียู (Interrupts Revisited)
-การอินเทอร์รัพต์ในระบบคอมพิวเตอร์ขณะที่ซีพียูกำลังทำงาน สามารถเกิดได้ตลาดเวลา ในระดับฮาร์แวร์เมื่ออุปกรณ์ใดๆ ทำงานที่ส่งเข้ามาเสร็จสิ้นแล้ว มันก็จะเกิดการอินเทอร์รัพต์ขึ้น
-สัญญาณอินเทอร์รัพต์จะถูกส่งผ่านไปตามบัสข้อมูลโดยมีอุปกรณ์ตรวจจับสัญญาณดังกล่าวเป็นชิพตัวหนึ่งที่เรียกว่า ตัวควบคุมอินเทอร์รัพต์
-ขณะที่ตัวควบคุมอินเทอร์รัพต์ตรวจดูว่ามีอินเทอร์รัพต์เข้ามาสัญญาณเดียวสัญญาณนี้ก็จะถูกส่งไปยังซีพียูทันทีเพื่อทำงานตามที่ร้องขอ
-แต่ถ้าสัญญาณที่ส่งเข้ามามีมากกว่าหนึ่งสัญญาณ ตัวควบคุมอินเทอร์รัพต์จะตรวจสอบความสำคัญของสัญญาณ แล้วจัดลำดับก่อน-หลัง
-ตาราง อินเทอร์รัพต์เวกเตอร์ (Interrupt Vector) เป็นตารางที่เก็บรวบรวมแอ็ดเดรสต่างๆ ของสัญญาณอินเทอร์รัพต์ที่ร้องขอเข้ามาเพื่อขอรับบริการจากซีพียู
-การให้บริการของซีพียูจะถูกควบคุมโดยระบบปฏิบัติการเป็นตัวโหลดข้อมูลแอ็ดเดรสต่างๆ ตามที่บันทึกในอินเทอร์รัพต์เวกเตอร์แล้วทำงานไปตามวงรอบการทำงาน (machine cycle)
-คอมพิวเตอร์รุ่นเก่าบางรุ่น อาจไม่มีชิพที่ทำหน้าที่เป็นศูนย์รวมการรับสัญญาณอินเทอร์รัพต์จากอุปกรณ์ต่างๆ โดยตรง
-ดังนั้นตัวควบคุมอุปกรณ์แต่ละตัวจะต้องทำหน้าที่ร้องขออินเทอร์รัพต์ไปยังซีพียูโดยตรง
-ปัญหาของการเก็บแอ็ดเดรสเดิมเพื่อไปให้บริการอินเทอร์รัพต์ดังกล่าวคือตัวควบคุมอินเทอร์รัพต์ไม่สามารถรู้เลยว่าอินเทอร์รัพต์ที่ร้องขออันดับแรกได้รับบริการเสร็จหรือยัง
-ระบบจะแฮงค์ (Hang) ได้เมื่ออินเทอร์รัพต์ที่ร้องของต้องรอคอยเป็นเวลานาน
-วิธีการแก้ การแฮงค์ (Hang) โดยใช้สแต็กในการเก็บแอ็ดเดรสต่างๆ ที่ซีพียูย้ายไปให้บริการ
หลักการอินพุต/เอาต์พุตซอฟต์แวร์ (I/O Software)
1.หลักของอินพุต/เอาต์พุตซอฟต์แวร์ อุปกรณ์แต่ะละชนิดเป็นอิสระต่อกันไม่เจาะจงประเภทหรือ ยี่ห้องของอุปกรณ์ตัวอย่างเช่น ในการอ่านข้อมูล โปรแกรมที่เขียนขึ้นต้องสามารถอ่านข้อมูลได้ทั้งในฟล็อปปี้ , ฮาร์ดดิสก์ หรือ กระทั้งข้อมูลบนซีพีรอม โดยไม่ต้องปรับปรุงแก้ไขโปรแกรมแต่อย่างใด สามารถตรวจสอบข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นได้ โดยอัตโนมัติ หรือสามารถตรวจสอบหาสาเหตุของข้อผิดพลาดได้และพร้อมกับบอกแนวทางในการแก้ไขมาพร้อมกันด้ว ในการส่งผ่านข้อมูบแบบวิธีการบล็อก (blocking) และการใช้อินเทอร์รัพต์ ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้อินเทอร์รัพต์
2.Programmed I/O เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดใน 3วิธี (Interrupt-driven I/O, I/O using DMA, Programmed I/O) การจัดการข้อมูลของ Programmed I/O สามารถแสดงได้จากตัวอย่างการส่งข้อมูลออกพิมพ์ทางเครื่องพิมพ์ ข้อมูลที่พิมพ์ขั้นแรกจะถูกเก็บในบัฟเฟอร์ของผู้ใชงานก่อน หลังจากนั้นข้อมูลจะถูกส่งไปที่ kernel space ในขณะที่ข้อมูลถูกส่องออกพิมพ์ถ้าเครื่องพิมพ์ว่างก็จะพิมพ์ทันทีแต่ถ้าเครื่องพิมพ์ไม่ว่าง ก็จะรอจนกว่าเครื่องพิมพ์ว่าง จากนั้นจะทำการก็อปปี้ข้อมูลไปทีละตัวและสั่งพิมพ์ทางเครื่องพิมพ์
3.Interrupt – Driver I/O เกิดขึ้นในกรณีของการพิมพ์ข้อมูลผ่านทางเครื่องพิมพ์ ขึ้นตอนการพิมพ์ข้อมูล 100 ตัวอักษร ซีพียูทำหน้าที่ส่งตัวอักษรไปยังเครื่องพิมพ์ทีละ 1 อักษร จากนั้นจะคอยจนกว่าพิมพ์เสร็จแล้วส่งต่อไปตามมาจนกระทั่งครบทั้ง 100 ตัว หนทางที่จะช่วยรักษาเวลาของซีพียูได้โดยในขณะที่ซีพียูรอการทำงานจากเครื่องพิมพ์ จัดระบบจัดสรรบัฟเฟอร์ให้จำนวนหนึ่งจะทำให้ได้ช่วงเวลาที่มากกว่า
4.I/O Using DMA การรับ-ส่งข้อมูลแบบ DMA (Direct Memory Access) จำเป็นต้องอาศัยแชนแนล หรือตัวควบคุม DMA (DMA controller) แชนแนลจะทำหน้าที่แทนซีพียูเมื่อต้องการรับ-ส่งข้อมูลแบบ DMA แชนแนลจะทำหน้าที่ส่งสัญญาณไปบอกซีพียูให้รับรู้ และพร้อมกับสั่งแชนแนลให้ทำรูทีนควบคุมการรับ-ส่งข้อมูล โอกาสที่ DMA เกิดขึ้น และใช้บัสในการรับ-ส่งข้อมูลจะใช้สัญญาณนาฬิกา (Clock) เข้ามาช่วย เราเรียกช่วงเวลาดังกล่าวนี้ว่า “การขโมยรอบเวลา (cycle stealing)”
อินพุต/เอาต์พุตซอฟต์แวร์เลเยอร์ (I/O Software Layers)
อินพุต/เอาต์พุตซอฟต์แวร์ จะแบ่งเป็น 4 เลเยอร์ แต่ละเลเยอร์มีฟังก์ชันติดต่อระว่างเลเยอร์ที่อยู่ติดกัน ซึ่งฟังก์ชันนั้นมีดังนี้
1.Interrupt Handlers เลเยอร์แรกเป็นเลเยอร์ที่ติดต่อกับตัวฮาร์ดแวร์โดยตรง การติดต่อกับอุปกรณ์ใดๆ จะใช้โปรแกรมเป็นตัวติดต่อ แต่ถ้ามีการใช้อินเทอร์รัพต์ถือว่าการขัดจังหวะงานที่กำลังทำอยู่ของอุปกรณ์นั้นจะต้องมีการกำหนดขั้นตอนการปฏิบัติตามลำดับ ซึ่งลำดับขั้นตอนดังกล่าวในแต่ละอุปกรณ์จะแตกต่างกัน
2.ดีไวซ์ไดร์เวอร์ (Device Drivers) อุปกรณ์แต่ละชนิดจะมีไดร์เวอร์อุปกรณ์ของมันเองซึ่งจะแตกต่างกับชนิดอื่น ถึงแม้จะเป็นอุปกรณ์ชนิดเดียวกันก็ใช้ไดร์เวอร์คนละตัวกัน เช่น เครื่องพิพม์ของ Epson จะใช้ไดร์เวอร์ของ NEC ไม่ได้ ระบบปฏิบัติการที่ติดต่อกับอุปกรณ์ชนิดใด ระบบก็จะทำการติดต่อผ่านทางไดร์เวอร์ชนิดนั้น แล้วไดร์เวอร์ก็จะติดต่อกับอุปกรณ์จริงๆ อีกทีหนึ่ง การติดต่อของระบบปฏิบัติการกับอุปกรณ์ไม่ว่าจะเป็นไดร์เวอร์ชนิดใดๆ ก็ตามจะมีรูปแบบเดียวกันทั้งหมด
3.Device Independent I/O Software การติดต่อระหว่างอุปกรณ์กับOS มีมาตรฐานระดับหนึ่งแล้ว แต่รูปแบบการติดต่อระหว่างอุปกรณ์กับระบบจะอยู่ในรูปของฟังก์ชันต่าง ๆ ดังนี้
3.1.การอินเทอร์เฟซที่เป็นลักษณะเฉพาะของดีไวซ์ไดร์เวอร์ : ความต้องการของระบบปฏิบัติการคือต้องการให้ระบบ สามารถติดต่อกับอุปกรณ์ด้วยมาตรฐานเดียวกัน ไม่ว่าจะติดต่อกับดิสก์ เครื่องพิมพ์ คีย์บอร์ด
3.2.การจัดบัฟเฟอร์ : หน่วยความจำบัฟเฟอร์ถือว่ามีความสำคัญในการติดต่อระหว่างอุปกรณ์ เนื่องจากความสามารถของอุปกรณ์แต่ละชนิดมีความรวดเร็วในการรับ-ส่งข้อมูลที่แตกต่างกัน
3.3. การรายงานข้อผิดพลาด : ระบบปฏิบัติการจะมีฟังก์ชันที่ทำหน้าที่ในการตรวจสอบและรายงานข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นได้
3.4.การผูกและปล่อยอุปกรณ์ : เช่น CD-ROM ประกอบด้วย 2ฟังก์ชันที่ทำหน้าที่ในการอ่านข้อมูลจากสื่อ และทำหน้าที่ในการเขียนข้อมูล
4 User Space I/O Software จัดเนื้อที่สำหรับเก็บค่าข้อมูลต่างๆ เช่น Library Procedure เพื่อเชื่อมกับโปรแกรม และสามารถทำเป็น สพูลลิ่ง (Spooling เพื่อพักข้อมูลไว้ชั่วขณะในระหว่างที่รอการส่งต่อไปยังอุปกรณ์ )
แอปพลิเคชันอินพุต/เอาต์พุตอินเทอร์เฟซ (Application I/O Interface)
การติดต่อระหว่างตัวควบคุมอุปกรณ์กับระบบย่อยอินพุต/เอาต์พุต (I/O Subsystem) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Kernel จะใช้ไดร์เวอร์เป็นตัวควบคุม ในอุปกรณ์แต่ละประเภทจะมีไดร์เวอร์เป็นของตัวเอง ในเลเยอร์ของไดร์เวอร์ (Drivice Driver Layer)จะถูกปิดซ่อนไว้ระหว่างระบบย่อยอินพุต/เอาร์พุตกับตัวควบคุมอุปกรณ์
โครงสร้าง Kernel ของอินพุต/เอาร์พุต
การแยกประเภทต่างๆของอุปกรณ์แบ่งตามลักษณะการส่งข้อมูลได้ดังนี้
1.อุปกรณ์ที่มีการส่งข้อมูลครั้งละตัวอักษร กับครั้งละบล็อกของข้อมูล
2.การเข้าถึงข้อมูลของอุปกรณ์แบบเรียงลำดับ (Sequential access) หรือการเข้าถึงแบบสุ่ม (Random access)
3.อุปกรณ์ที่มีการจัดเตรียมข้อมูลแบบกำหนดช่วงเวลาได้ (Synchronous) กับกำหนดช่วงเวลาไม่ได้ (Asynchronous)
4.อุปกรณ์ที่สามารถใช้ร่วมกันในช่วงเวลาเดียวกันได้ กับอุปกรณ์ที่ต้องใช้ต่างช่วงเวลากัน
5.ความเร็วที่แตกต่างกันของอุปกรณ์แต่ละประเภท
6.ทิศทางในการถ่ายโอนข้อมูลของอุปกรณ์
คุณลักษณะของอุปกรณ์อินพุต / เอาต์พุต
การกำหนดไดร์เวอร์ต่าง ๆ ที่มีจำนวนจำกัดตามปรเภทของอุปกรณ์เท่านั้น
1.บล็อกดีไวซ์ และคาแรกเตอร์ดีไวซ์ (Block and Character Devices)
-การติดต่อกับอุปกรณ์ที่จัดการในลักษณะของบล็อกข้อมูล จะใช้คำสั่งซึ่งตัวอุปกรณ์เองจะคุ้นเคยกับคำสั่งต่างๆ อยู่แล้ว เช่น การอ่าน, การเขียน, การค้นหา เป็นคำสั่งพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ประเภทดิสก์ และซีดีรอม
-การแอ็กเซสไฟล์แบบการแมพหน่วยความจำ (Memory mapped) สามารถแอ็กเซสได้ในเลเยอร์สูงสุดของไดร์เวอร์ที่ใช้ในอุปกรณ์นั้นๆ
-การแมพหน่อยความจำจะใช้เนื้อที่บนดิสก์เสมือนเนื้อที่ของหน่วยความจำ เมื่อต้องการบล็อกข้อมูลใดก็ทำการโหลดข้อมูลนั้นมาทันที
-การแมพหน่วยความจำเป็นการให้บริการอีกอย่างหนึ่งของ Kernel
-วิธีการเรียกการแมพหน่วยความจำยังสามารถใช้สำหรับจัดสรรเนื้อที่ดิสก์ (swapping) เพื่อให้สะดวกในการค้นหา
2.เน็ตเวิร์คดีไวซ์ (Network Devices)
-การติดต่อกับอุปกรณ์เน็ตเวิร์คจะใช้แอปพลิเคชันชนิดหนึ่งที่มีชื่อว่า “ซ็อกเก็ต” (Socket)
-ใช้โปรแกรมฟังก์ชัน Red-Write-Seek สำหรับติดต่อกับดิสก์
-การใช้ซ็อกเก็ตติดต่อที่เห็นกันโดยทั่วไปในระบบปฏิบัติการหลายตัว เช่น Windows NT, UNIX
-ภายในซ็อกเก็ตมีฟังก์ชันที่ใช้ติดต่อกับ Remote Address ชื่อว่า Select ฟังก์ชัน select เป็นตัวจัดการในการติดต่อประสานงาน รับ-ส่งข้อมูล
-เมื่อระบบเรียกฟังก์ชัน select ฟังก์ชันจะส่งค่าเพื่อแสดงสถานะภาพขณะนั้นกลับไปยังผู้เรียก จากนั้นจะทำการรับ-ส่งข้อมูลกันตามที่เรียกเข้ามา
3.Clock and Timers
-ทำหน้าที่หลัก 3 ประการ คือ
+บอกเวลาปัจจุบัน
+บอกเวลาที่ใช้งานไปแล้ว
+การตั้งเวลา
-3ฟังก์ชันดังกล่าวมีการทำงานที่ต่างกัน
-ฟังก์ชัน Programmable interval timer เป็นฟังก์ชันที่สามารถบอกเวลาที่ข้อมูลถูกอ่านแล้ว และยังสามารถบอกเวลาที่เหลือ เพื่อให้ระบบปฏิบัติการสร้างสัญญาณอินเทอร์รัพต์เมื่อโหลดข้อมูลเสร็จ
-กลไกในเรื่องการกำหนดเวลาเป็นสิ่งสำคัญและจำเป็นในระบบคอมพิวเตอร์ที่มีอุปกรณ์หลายชนิดทำงานร่วมกัน
-ในคอมพิวเตอร์หลายๆ เครื่องสัญญาณอินเทอร์รัพต์ที่เกิดขึ้น จะถูกแสดงออกมาในช่วงความละเอียด 18-60ครั้ง/วินาที ด้วยตัว clock ของนาฬิกาเอง
-ในขณะที่ซีพียูสามารถเอ็กซิคิวต์คำสั่งต่างๆได้ถึงล้านๆ คำสั่งใน 1 วินาทีแสดงให้เห็นว่าความละเอียดของ clock มีความละเอียดน้อยมากเมื่อเทียบกับซีพียู
-แสดงให้เห็นว่าความละเอียดของ clock มีความละเอียดน้อยมากเมื่อเทียบกับซีพียู
-ปัจจุบันคอมพิวเตอร์บางตัวสามารถใช้ counter clock ซึ่งมีความละเอียดสูงเข้ามาแทน ทำให้สร้างสัญญาณอินเทอร์รัพต์แสดงออกได้ละเอียดมากขึ้น
4.Blocking I/O and Nonblocking I/O
-มี 2 แนวทางในการเรียก System call คือ Blocking I/O และ Nonblocking I/O (Asynchronous)
-เมื่อโปรแกรมใช้ Blocking I/O ระบบที่กำลังทำงานขณะนั้นจะหยุดรอ โปรแกรมจะสั่งให้ระบบย้ายการควบคุมไปที่ผู้เรียก System call ไปทำงานที่ถูกอินเทอร์รัพต์เข้ามาก่อน
-เมื่อทำงานเสร็จโปรแกรมจะย้ายการควบคุมกลับไปยังที่เดิมก่อนที่จะเรียก System call
-ลักษณะการเกิด Blocking ทางกายภาพแล้วช่วงเวลาตั้งแต่การเรียก System call จนกระทั้งกลับเข้าสู่โปรเซสปกติ
-System call แบบ Nonblocking I/O (Asynchronous) มีประโยชน์ยิ่งในด้านความเร็วในระหว่างที่เรียก System call
-ในระหว่างที่เรียก System call งานที่กำลังทำขณะนั้นก็ยังคงดำเนินต่อไปจนกระทั่งเสร็จสิ้น แล้วจึงเรียกอินเทอร์รัพต์ เพื่อนำงานทั้งหมดที่เรียก System call มาเชื่อมเข้าด้วยกัน
-ตัวอย่างของ Nonblocking I/O คือฟังก์ชัน Selectในระบบเน็ตเวิร์ค เมื่อมีการเรียก System call ดัวยฟังก์ชัน Select ระบบไม่สามารถทราบได้ว่าฟังก์ชัน Select จะรีเทิร์นกลับเมื่อไร
-ถ้าเลยเวลาที่กำหนดไปแล้ว แสดงว่า System call ทำงานไม่สำเร็จ
ระบบย่อยอินพุต/เอาต์พุตใน Kernel(I/O Subsystem) Kernel เป็นส่วนที่ติดต่อกับฮาร์ดแวร์ จะมีระบบย่อยอินพุต/เอาต์พุตที่ให้บริการอุปกรณ์ต่าง ๆ ดังนี้
1.การจัดเวลาอินพุต/เอาต์พุต (I/O Scheduling) I/O Scheduling เป็นส่วนหนึ่งของ Kernel ช่วยจัดลำดับขั้นตอนต่างๆ ให้กับซีพียู เพื่อให้ซีพียูทำงานเต็มประสิทธิภาพ ตัวอย่างการบล็อกข้อมูลจากดิสก์ โปรเซสที่ต้องการทำอยู่ 3 โปรเซสด้วยกัน
1.1.บล็อกข้อมูลอยู่ตอนท้ายของโปรเซส
1.2.บล็อกข้อมูลอยู่ตอนต้นของโปรเซส
1.3.บล็อกข้อมูลอยู่ตอนกลางของโปรเซส
2.การใช้บัฟเฟอร์ บัฟเฟอร์เป็นหน่วยความจำประเภทหนึ่งที่ใช้เก็บข้อมูลขณะที่มีการถ่ายโอนข้อมูลกันระหว่างอุปกรณ์ทั้งสองชนิด ที่มาของการสร้างบัฟเฟอร์มีเหตุผล 3 ประการคือ
2.1.สำหรับอุปกรณ์ที่มีความเร็วที่แตกต่างกันมากๆ จะช่วยให้อุปกรณ์มีความเร็วมากไม่ต้องเสียเวลาคอย
2.2.การใช้บัฟเฟอร์เพื่อปรับปรุงอุปกรณ์ที่มีความสามารถในการถ่ายโอนข้อมูลที่มีขนาดต่างกันให้สามารถทำงานควบคู่กันได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2.3.ใช้สำหรับทำการแบ็คอัพข้อมูลซึ่งมักจะใช้เป็นประจำในคอมพิวเตอร์เป็นการป้องกันการสูญหายของข้อมูล ทำให้อุปกรณ์ต่างๆ เป็นอิสระในขณะที่มีการจัดสรรเนื้อที่บนดิสก์ให้เป็นระเบียบ
3.การใช้แคช แคช คือ หน่วยความจำประเภทหนึ่งที่มีความเร็วสูงมาก การเข้าถึงข้อมูลในแคชสามารถทำได้รวดเร็วกว่าในดิสก์ จุดประสงค์ในการใช้แคช สำหรับอุปกรณ์มีจุดประสงค์เดียวกันกับบัฟเฟอร์ คือไว้สำหรับทำแบ็คอัพ แคชมีราคาแพงกว่าบัฟเฟอร์ ดังนั้นการทำแบ็คอัพเนื้อที่มากๆ จึงจำเป็นต้องใช้บัฟเฟอร์แทน
4.สพูลลิ่งและการสงวนดีไวซ์ (Spooling and Device Reservation) สพูล (Spool) คือบัฟเฟอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้สำหรับเก็บข้อมูลมากๆ ไว้รวมกัน ตัวอย่างได้แก่ เครื่องพิมพ์ ระบบปฏิบัติการจะใช้สพูลลิ่งเข้ามาจัดการข้อมูล แล้วนำไปเก็บในสพูลตามลำดับที่ส่งเข้ามา สพูลจะเป็นตัวที่ทำหน้าที่จัดคิวให้กับเครื่องพิมพ์ไม่ให้ปะปนกัน งานต่างๆที่เก็บอยู่ในสพูล ผู้ใช้สามารถควบคุมผ่านระบบปฏิบัติการ ให้สามารถยกเลิกการพิมพ์งานใดๆ ได้ หรือแม้กระทั่งจัดลำดับการพิมพ์ใหม่ได้เช่นกัน
5.Error Handling ตัวระบบปฏิบัติการทำหน้าที่ประสานการติดต่อระหว่างอุปกรณ์กับแอปพลิเคชันต่างๆ ของผู้ใช้ ทำให้ระบบปฏิบัติการมีความสามารถในการป้องกันความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้นได้สำหรับอุปกรณ์โดยเฉพาะดิสก์ สาเหตุที่ทำให้เกิดความล้มเหลวในขณะอ่านข้อมูลจากดิสก์ เช่น อุปกรณ์ชำรุด ระบบคอมพิวเตอร์เกิดโอเวอร์โหลดขึ้น หากเกิดปัญหาจากอุปกรณ์ หรือแอปพลิเคชัน ระบบปฏิบัติการสามารถฟ้องข้อผิดพลาดได้ แต่ถ้าเกิดขึ้นในตัวระบบปฏิบัติการเอง ไม่สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้เมื่ออุปกรณ์เรียก System call ระบบจะส่งค่าขนาด 1 บิต กลับมาเพื่อเป็นการตอบรับ
-นักวิชาการแต่ละสาขาจะการมอง อินพุต / เอาต์พุดฮาร์ดแวร์ ในมุมที่แตกต่างกัน
-นักวิศวกรรมไฟฟ้าเห็นว่า อินพุต/เอาต์พุตฮาร์ดแวร์ คือ ตัวฮาร์แวร์ที่นำมาประกอบกันได้แก่ มอเตอร์ สายไฟ ชุดจ่ายกระแสไฟฟ้า
อินพุต/เอาต์พุตฮาร์ดแวร์ คือ โปรแกรมที่ใช้ติดต่ออุปกรณ์ต่างๆ ทำงานร่วมกัน เป็นโปรแกรมที่ใช้ควบคุมอุปกรณ์แต่ละชนิดจะมีความแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับการทำงาน
อุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต (I/O Devices) อุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต แบ่งออกเป็น 2 ประเภท
1.บล็อกดีไวซ์ (Block Devices) เป็นอุปกรณ์ที่จัดเก็บข้อมูลได้โดยทำการเก็บเป็นบล็อกเช่น ดิสก์เก็ต ฮาร์ดดิสก์ เทป ขนาดของบล็อกประมาณ 512 ไบต์ ถึง 32,768 ไบต์ สามารถอ่าน/เขียนข้อมูลลงในแต่ละบล็อกได้โดยอิสระ อุปกรณ์ประเภทที่เป็นบล็อกจำพวกดิสก์สามารถกำหนดตำแหน่งลงไปในแผ่นดิสก์ได้ ประกอบไปด้วย ไซเรนเดอร์ (Cylinder) และเซ็กเตอร์ (Sector)
-แต่ละบล็อกที่บรรจุข้อมูลภายในหัวอ่านสามารถนำข้อมูลออกมาได้
-อุปกรณ์ที่มีการแอ็กเซสโดยตรง (direct access storage device) ได้แก่ ดิสก์
-ข้อมูลจะถูกจัดไว้เป็นกลุ่มในระดับบล็อกหรือเซ็กเตอร์
-แต่ละกลุ่มจะมีแอ็ดเดรสของตัวเอง
-การแอ็กเซสทำได้โดยกำหนดแอ็ดเดรสของข้อมูลกลุ่มนั้น ซึ่งจะทำให้ทราบว่าข้อมูลกลุ่มนั้นอยู่ที่ไหน
-อุปกรณ์ที่มีการแอ็กเซสแบบลำดับ (serial access storage device) ได้แก่ เทป
-ลักษณะของอุปกรณ์ประเภทนี้การแอ็กเซสจะต้องเป็นไปตามลำดับ ตั้งแต่ต้นเทป เรียงไปจนถึงตำแหน่งที่ต้องการ
-การเก็บข้อมูลจะเก็บเป็นกลุ่มๆ ไม่มีแอ็ดเดรสของแต่ละกลุ่ม การอ่านจะต้องอ่านเข้ามาทีละกลุ่ม
2.คาร์เรกเตอร์ดีไวซ์ (Character Devices) เป็นอุปกรณ์ที่รับข้อมูลเป็นสาย จำนวนข้อมูลขึ้นอยู่กับบัฟเฟอร์ (Buffer) ที่มีแต่ไม่สามารถกำหนดตำแหน่งของบัฟเฟอร์เหล่านี้ได้
-อุปกรณ์ประเภทนี้ได้แก่ การ์ดเน็ตเวิร์คของเครื่องพิมพ์ สแกนเนอร์
-อุปกรณ์ชนิดข้อมูลเป็นสาย (stream) อุปกรณ์ประเภทนี้มีข้อมูลการส่งเข้าออกจะเรียงมาเป็นลำดับก่อน-หลัง
-การแบ่งแยกข้อมูลทำได้โดยตรวจสอบลำดับของข้อมูล
-เป็นอุปกรณ์ที่มีการจัดการได้ง่าย เพียงแต่จัดลำดับการรับ – ส่ง ข้อมูลที่ถูกต้อง
-อุปกรณ์ประเภทนี้ ข้อมูลที่ส่งและรับไม่ขึ้นอยู่กับลำดับการส่ง
-ต้องอาศัยข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อที่จะแยกแยะข้อมูลแต่ละตัว
-การจัดการอุปกรณ์ประเภทนี้ระบบปฏิบัติการจะต้องมีวิธีจัดการโดยเฉพาะ ขึ้นอยู่กับลักษณะของอุปกรณ์ชนิดนั้น
อุปกรณ์แต่ละประเภทมีความสามารถในการรับส่งข้อมูลในอัตราที่แตกต่างกัน
| อุปกรณ์ | ความเร็ว |
| คีย์บอร์ด | 10 ไบต์/วินาที |
| เมาส์ | 100 ไบต์/วินาที |
| โมเด็ม 56K | 7 กิโลไบต์/วินาที |
| แชนแนลโทรศัพท์ | 8 กิโลไบต์/วินาที |
| คู่สาย ISDN | 16 กิโลไบต์/วินาที |
| เครื่องพิมพ์เลเซอร์ | 100 กิโลไบต์/วินาที |
| สแกนเนอร์ | 400 กิโลไบต์/วินาที |
| อีเธอร์เน็ต(Classic) | 1.25 เมกะไบต์/วินาที |
| USB (Universal Serial Bus) | 1.5 เมกะไบต์/วินาที |
| ดิจิตอลแคมคอร์ดเดอร์ | 4 เมกะไบต์/วินาที |
| ดิสก์ IDE | 5 เมกะไบต์/วินาที |
| ซีดีรอม 40X | 6 เมกะไบต์/วินาที |
| อีเธอร์เน็ต(Fast) | 12.5 เมกะไบต์/วินาที |
| บส ISA | 16.7 เมกะไบต์/วินาที |
| ดิสก์ EIDE (ATA-2) | 16.7 เมกะไบต์/วินาที |
| FireWire(IEEE 1394) | 50 เมกะไบต์/วินาที |
| มอนิเตอร์ XGA | 60 เมกะไบต์/วินาที |
| เน็ตเวิร์ค SONET OC-12 | 78 เมกะไบต์/วินาที |
| ดิสก์ SCSI Ultra 2 | 80 เมกะไบต์/วินาที |
| อีเธอร์เน็ต (Gigabit) | 125 เมกะไบต์/วินาที |
| เทป Ultrium | 320 เมกะไบต์/วินาที |
| บัส PCI | 528 เมกะไบต์/วินาที |
| Sun Gigaplane XB backplane | 20 กิกะไบต์/วินาที |
-อุปกรณ์แต่ละประเภทจะประกอบด้วยกลไกต่างๆ และส่วนที่เป็นวงจรอีเล็กทรอนิกส์ ซึ่งประกอบเข้าเป็นตัวชิพ หรือประกอบรวมกันบนแผ่นเซอร์กิตบอร์ด (circuit board) ที่ถูกเรียกว่า “ตัวควบคุมอุปกรณ์” (device controller) หรืออะแดปเตอร์ (adapter)
-สำหรับบอร์ดและการ์ด ที่ประกอบเป็นคอมพิวเตอร์นั้นเรียกว่า กลไกบนบอร์ดคอมพิวเตอร์ สามารถต่อการ์ดต่างๆ ได้เป็นจำนวนมาก
-ช่องที่เสียบเข้ากับบอร์ดเรียกว่า สล็อต (slot) สำหรับคอมพิวเตอร์พีซี (PC) สล็อตเหล่านี้จะมีชื่อเรียกต่างๆกัน เช่น ISA PCI AGP
-การ์ดควบคุมอุปกรณ์แต่ละชนิดที่เสียบลงบนบอร์ดจะถูกต่อสายไปยังอุปกรณ์นั้น ๆ แต่ละการ์ดสามารถควบคุมอุปกรณ์ได้ตั้งแต่ 1ชิ้น 2,4,8ชิ้น
-การติดต่อระหว่างการ์ดควบคุมกับอุปกรณ์มักเป็นในรูปของภาษาเครื่องการโอนถ่ายข้อมูลจะกระทำในระดับบิต
-หน้าที่ของตัวควบคุมนอกจากจะคอยตรวจสอบข้อผิดพลาด แล้วยังมีหน้าที่ในการแปลข้อมูลจากรูปของสายข้อมูลไปเป็นบล็อกเพื่อนำไปจัดเก็บลงในสื่อข้อมูลหรือจากสื่อข้อมูลไปลงบนหน่วยความจำ
อินพุต/เอาต์พุตที่ใช้การแมพหน่วยความจำ (Memory mapped I/O)
-ตัวควบคุมแต่ละตัวจะมีรีจิสเตอร์ที่ใช้ติดต่อกับซีพียูโดยตรง
-ระบบปฏิบัติการ จะเป็นตัวประสานการทำงานระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ กับซีพียู แล้วแต่การร้องขอและความจำเป็นของอุปกรณ์นั้นๆ
-ขณะที่ซีพียูทำการอ่านข้อมูลจากรีจิสเตอร์ ระบบปฏิบัติการที่ดีจะเป็นตัวกำหนดช่วงเวลาที่ติดต่อให้สอดคล้องและเหมาะสบกับสถานะของอุปกรณ์ในขณะนั้น
-อุปกรณ์หลายตัวจะมีบัฟเฟอร์ที่คอยทำหน้าที่เก็บข้อมูลเมื่อมีการติดต่อมายังอุปกรณ์นั้นๆ โดยมีระบบปฏิบัติการเป็นตัวประสาน ตัวอย่างบัฟเฟอร์ คือ วีดีโอแรม (Video RAM)
การแอ็กเซสข้อมูลโดยตรง (DMA : Direct Memory Access)
-DMA เป็นการรับ-ส่งข้อมูลจากหน่วยความจำกับอุปกรณ์โดยตรงไม่ต้องผ่านซีพียู
-การรับ-ส่งข้อมูลได้รวดเร็วไม่เปลืองเวลาของซีพียู เพราะการรับ-ส่งข้อมูลแบบ DMA อาศัยแชนแนลหรือตัวควบคุม DMA (DMA controller)
-แชลแนล ทำหน้าที่แทนซีพียูเมื่อต้องการรับส่งข้อมูลแบบ DMA
-แชลแนลจะส่งสัญญาณให้ ซีพียูรับรู้ ซีพียูจะสั่งให้แชนแนลทำรูทีนควบคุมการส่งข้อมูล
-จากนั้นซีพียูจะไปทำงานอื่นต่อและเมื่อการทำ DMA เสร็จสิ้นลง แชลแนลจะส่งสัญญาณบอกซีพียูได้รับรู้อีกครั้งว่าทำ DMA เสร็จแล้ว
-อุปกรณ์ที่ใช้ตัวควบคุม DMA ในการรับ-ส่งข้อมูลโดยอิสระจากตัวซีพียู อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยรีจิสเตอร์ที่ใช้ในการเก็บข้อมูลในระหว่างที่ทำการรับ-ส่งข้อมูลผ่านทางซีพียู
-การโอนถ่ายข้อมูลแต่ละครั้งจะทำครั้งละไบต์ หรืเวิร์ด หรือหลายๆ เวิร์ด ขึ้นอยู่กับจำนวนรีจิสเตอร์ที่มีอยู่ของอุปกรณ์นั้นๆ
-นอกจากรีจิสเตอร์แล้ว อุปกรณ์เหล่านี้ยังมีรีจิสเตอร์ที่คอยทำหน้าที่ควบคุมการรับส่งข้อมูลผ่านทางแซลแนลต่างๆ
-ซีพียูที่รันงานอื่นๆอยู่และมีการกระทำ DMA ขึ้นพร้อมๆ กันในช่วงที่มีการรับ-ส่งข้อมูลระหว่างหน่วยความจำกับแชลแนล แชลแนลจำเป็นต้องใช้บัสข้อมูลและบัสแอ็ดเดรสของหน่วยความจำกับซีพียู
-กรณีการเลี่ยงช่วงเวลาที่ซีพียูใช้บัสข้อมูลและบัสแอ็ดเดรสของหน่วยความจำไม่ให้ตรงกัน ถ้าซีพียูต้องการใช้บัสทั้งสอง DMA จะต้องหยุดทันทีเป็นการชั่วคราว เมื่อซีพียูทำงานเสร็จ DMA ถึงจะกลับมาใช้บัสได้ตามเดิม ลักษณะที่ DMA ใช้บัสทั้งสองในขณะที่ซีพียูไม่ใช้นี้เรียกว่า “การขโมยรอบเวลา (cycle stealing)”
การอินเทอร์รัพต์ซีพียู (Interrupts Revisited)
-การอินเทอร์รัพต์ในระบบคอมพิวเตอร์ขณะที่ซีพียูกำลังทำงาน สามารถเกิดได้ตลาดเวลา ในระดับฮาร์แวร์เมื่ออุปกรณ์ใดๆ ทำงานที่ส่งเข้ามาเสร็จสิ้นแล้ว มันก็จะเกิดการอินเทอร์รัพต์ขึ้น
-สัญญาณอินเทอร์รัพต์จะถูกส่งผ่านไปตามบัสข้อมูลโดยมีอุปกรณ์ตรวจจับสัญญาณดังกล่าวเป็นชิพตัวหนึ่งที่เรียกว่า ตัวควบคุมอินเทอร์รัพต์
-ขณะที่ตัวควบคุมอินเทอร์รัพต์ตรวจดูว่ามีอินเทอร์รัพต์เข้ามาสัญญาณเดียวสัญญาณนี้ก็จะถูกส่งไปยังซีพียูทันทีเพื่อทำงานตามที่ร้องขอ
-แต่ถ้าสัญญาณที่ส่งเข้ามามีมากกว่าหนึ่งสัญญาณ ตัวควบคุมอินเทอร์รัพต์จะตรวจสอบความสำคัญของสัญญาณ แล้วจัดลำดับก่อน-หลัง
-ตาราง อินเทอร์รัพต์เวกเตอร์ (Interrupt Vector) เป็นตารางที่เก็บรวบรวมแอ็ดเดรสต่างๆ ของสัญญาณอินเทอร์รัพต์ที่ร้องขอเข้ามาเพื่อขอรับบริการจากซีพียู
-การให้บริการของซีพียูจะถูกควบคุมโดยระบบปฏิบัติการเป็นตัวโหลดข้อมูลแอ็ดเดรสต่างๆ ตามที่บันทึกในอินเทอร์รัพต์เวกเตอร์แล้วทำงานไปตามวงรอบการทำงาน (machine cycle)
-คอมพิวเตอร์รุ่นเก่าบางรุ่น อาจไม่มีชิพที่ทำหน้าที่เป็นศูนย์รวมการรับสัญญาณอินเทอร์รัพต์จากอุปกรณ์ต่างๆ โดยตรง
-ดังนั้นตัวควบคุมอุปกรณ์แต่ละตัวจะต้องทำหน้าที่ร้องขออินเทอร์รัพต์ไปยังซีพียูโดยตรง
-ปัญหาของการเก็บแอ็ดเดรสเดิมเพื่อไปให้บริการอินเทอร์รัพต์ดังกล่าวคือตัวควบคุมอินเทอร์รัพต์ไม่สามารถรู้เลยว่าอินเทอร์รัพต์ที่ร้องขออันดับแรกได้รับบริการเสร็จหรือยัง
-ระบบจะแฮงค์ (Hang) ได้เมื่ออินเทอร์รัพต์ที่ร้องของต้องรอคอยเป็นเวลานาน
-วิธีการแก้ การแฮงค์ (Hang) โดยใช้สแต็กในการเก็บแอ็ดเดรสต่างๆ ที่ซีพียูย้ายไปให้บริการ
หลักการอินพุต/เอาต์พุตซอฟต์แวร์ (I/O Software)
1.หลักของอินพุต/เอาต์พุตซอฟต์แวร์ อุปกรณ์แต่ะละชนิดเป็นอิสระต่อกันไม่เจาะจงประเภทหรือ ยี่ห้องของอุปกรณ์ตัวอย่างเช่น ในการอ่านข้อมูล โปรแกรมที่เขียนขึ้นต้องสามารถอ่านข้อมูลได้ทั้งในฟล็อปปี้ , ฮาร์ดดิสก์ หรือ กระทั้งข้อมูลบนซีพีรอม โดยไม่ต้องปรับปรุงแก้ไขโปรแกรมแต่อย่างใด สามารถตรวจสอบข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นได้ โดยอัตโนมัติ หรือสามารถตรวจสอบหาสาเหตุของข้อผิดพลาดได้และพร้อมกับบอกแนวทางในการแก้ไขมาพร้อมกันด้ว ในการส่งผ่านข้อมูบแบบวิธีการบล็อก (blocking) และการใช้อินเทอร์รัพต์ ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้อินเทอร์รัพต์
2.Programmed I/O เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดใน 3วิธี (Interrupt-driven I/O, I/O using DMA, Programmed I/O) การจัดการข้อมูลของ Programmed I/O สามารถแสดงได้จากตัวอย่างการส่งข้อมูลออกพิมพ์ทางเครื่องพิมพ์ ข้อมูลที่พิมพ์ขั้นแรกจะถูกเก็บในบัฟเฟอร์ของผู้ใชงานก่อน หลังจากนั้นข้อมูลจะถูกส่งไปที่ kernel space ในขณะที่ข้อมูลถูกส่องออกพิมพ์ถ้าเครื่องพิมพ์ว่างก็จะพิมพ์ทันทีแต่ถ้าเครื่องพิมพ์ไม่ว่าง ก็จะรอจนกว่าเครื่องพิมพ์ว่าง จากนั้นจะทำการก็อปปี้ข้อมูลไปทีละตัวและสั่งพิมพ์ทางเครื่องพิมพ์
3.Interrupt – Driver I/O เกิดขึ้นในกรณีของการพิมพ์ข้อมูลผ่านทางเครื่องพิมพ์ ขึ้นตอนการพิมพ์ข้อมูล 100 ตัวอักษร ซีพียูทำหน้าที่ส่งตัวอักษรไปยังเครื่องพิมพ์ทีละ 1 อักษร จากนั้นจะคอยจนกว่าพิมพ์เสร็จแล้วส่งต่อไปตามมาจนกระทั่งครบทั้ง 100 ตัว หนทางที่จะช่วยรักษาเวลาของซีพียูได้โดยในขณะที่ซีพียูรอการทำงานจากเครื่องพิมพ์ จัดระบบจัดสรรบัฟเฟอร์ให้จำนวนหนึ่งจะทำให้ได้ช่วงเวลาที่มากกว่า
4.I/O Using DMA การรับ-ส่งข้อมูลแบบ DMA (Direct Memory Access) จำเป็นต้องอาศัยแชนแนล หรือตัวควบคุม DMA (DMA controller) แชนแนลจะทำหน้าที่แทนซีพียูเมื่อต้องการรับ-ส่งข้อมูลแบบ DMA แชนแนลจะทำหน้าที่ส่งสัญญาณไปบอกซีพียูให้รับรู้ และพร้อมกับสั่งแชนแนลให้ทำรูทีนควบคุมการรับ-ส่งข้อมูล โอกาสที่ DMA เกิดขึ้น และใช้บัสในการรับ-ส่งข้อมูลจะใช้สัญญาณนาฬิกา (Clock) เข้ามาช่วย เราเรียกช่วงเวลาดังกล่าวนี้ว่า “การขโมยรอบเวลา (cycle stealing)”
อินพุต/เอาต์พุตซอฟต์แวร์เลเยอร์ (I/O Software Layers)
อินพุต/เอาต์พุตซอฟต์แวร์ จะแบ่งเป็น 4 เลเยอร์ แต่ละเลเยอร์มีฟังก์ชันติดต่อระว่างเลเยอร์ที่อยู่ติดกัน ซึ่งฟังก์ชันนั้นมีดังนี้
1.Interrupt Handlers เลเยอร์แรกเป็นเลเยอร์ที่ติดต่อกับตัวฮาร์ดแวร์โดยตรง การติดต่อกับอุปกรณ์ใดๆ จะใช้โปรแกรมเป็นตัวติดต่อ แต่ถ้ามีการใช้อินเทอร์รัพต์ถือว่าการขัดจังหวะงานที่กำลังทำอยู่ของอุปกรณ์นั้นจะต้องมีการกำหนดขั้นตอนการปฏิบัติตามลำดับ ซึ่งลำดับขั้นตอนดังกล่าวในแต่ละอุปกรณ์จะแตกต่างกัน
2.ดีไวซ์ไดร์เวอร์ (Device Drivers) อุปกรณ์แต่ละชนิดจะมีไดร์เวอร์อุปกรณ์ของมันเองซึ่งจะแตกต่างกับชนิดอื่น ถึงแม้จะเป็นอุปกรณ์ชนิดเดียวกันก็ใช้ไดร์เวอร์คนละตัวกัน เช่น เครื่องพิพม์ของ Epson จะใช้ไดร์เวอร์ของ NEC ไม่ได้ ระบบปฏิบัติการที่ติดต่อกับอุปกรณ์ชนิดใด ระบบก็จะทำการติดต่อผ่านทางไดร์เวอร์ชนิดนั้น แล้วไดร์เวอร์ก็จะติดต่อกับอุปกรณ์จริงๆ อีกทีหนึ่ง การติดต่อของระบบปฏิบัติการกับอุปกรณ์ไม่ว่าจะเป็นไดร์เวอร์ชนิดใดๆ ก็ตามจะมีรูปแบบเดียวกันทั้งหมด
3.Device Independent I/O Software การติดต่อระหว่างอุปกรณ์กับOS มีมาตรฐานระดับหนึ่งแล้ว แต่รูปแบบการติดต่อระหว่างอุปกรณ์กับระบบจะอยู่ในรูปของฟังก์ชันต่าง ๆ ดังนี้
3.1.การอินเทอร์เฟซที่เป็นลักษณะเฉพาะของดีไวซ์ไดร์เวอร์ : ความต้องการของระบบปฏิบัติการคือต้องการให้ระบบ สามารถติดต่อกับอุปกรณ์ด้วยมาตรฐานเดียวกัน ไม่ว่าจะติดต่อกับดิสก์ เครื่องพิมพ์ คีย์บอร์ด
3.2.การจัดบัฟเฟอร์ : หน่วยความจำบัฟเฟอร์ถือว่ามีความสำคัญในการติดต่อระหว่างอุปกรณ์ เนื่องจากความสามารถของอุปกรณ์แต่ละชนิดมีความรวดเร็วในการรับ-ส่งข้อมูลที่แตกต่างกัน
3.3. การรายงานข้อผิดพลาด : ระบบปฏิบัติการจะมีฟังก์ชันที่ทำหน้าที่ในการตรวจสอบและรายงานข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นได้
3.4.การผูกและปล่อยอุปกรณ์ : เช่น CD-ROM ประกอบด้วย 2ฟังก์ชันที่ทำหน้าที่ในการอ่านข้อมูลจากสื่อ และทำหน้าที่ในการเขียนข้อมูล
4 User Space I/O Software จัดเนื้อที่สำหรับเก็บค่าข้อมูลต่างๆ เช่น Library Procedure เพื่อเชื่อมกับโปรแกรม และสามารถทำเป็น สพูลลิ่ง (Spooling เพื่อพักข้อมูลไว้ชั่วขณะในระหว่างที่รอการส่งต่อไปยังอุปกรณ์ )
แอปพลิเคชันอินพุต/เอาต์พุตอินเทอร์เฟซ (Application I/O Interface)
การติดต่อระหว่างตัวควบคุมอุปกรณ์กับระบบย่อยอินพุต/เอาต์พุต (I/O Subsystem) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ Kernel จะใช้ไดร์เวอร์เป็นตัวควบคุม ในอุปกรณ์แต่ละประเภทจะมีไดร์เวอร์เป็นของตัวเอง ในเลเยอร์ของไดร์เวอร์ (Drivice Driver Layer)จะถูกปิดซ่อนไว้ระหว่างระบบย่อยอินพุต/เอาร์พุตกับตัวควบคุมอุปกรณ์
โครงสร้าง Kernel ของอินพุต/เอาร์พุต
การแยกประเภทต่างๆของอุปกรณ์แบ่งตามลักษณะการส่งข้อมูลได้ดังนี้
1.อุปกรณ์ที่มีการส่งข้อมูลครั้งละตัวอักษร กับครั้งละบล็อกของข้อมูล
2.การเข้าถึงข้อมูลของอุปกรณ์แบบเรียงลำดับ (Sequential access) หรือการเข้าถึงแบบสุ่ม (Random access)
3.อุปกรณ์ที่มีการจัดเตรียมข้อมูลแบบกำหนดช่วงเวลาได้ (Synchronous) กับกำหนดช่วงเวลาไม่ได้ (Asynchronous)
4.อุปกรณ์ที่สามารถใช้ร่วมกันในช่วงเวลาเดียวกันได้ กับอุปกรณ์ที่ต้องใช้ต่างช่วงเวลากัน
5.ความเร็วที่แตกต่างกันของอุปกรณ์แต่ละประเภท
6.ทิศทางในการถ่ายโอนข้อมูลของอุปกรณ์
คุณลักษณะของอุปกรณ์อินพุต / เอาต์พุต
การกำหนดไดร์เวอร์ต่าง ๆ ที่มีจำนวนจำกัดตามปรเภทของอุปกรณ์เท่านั้น
1.บล็อกดีไวซ์ และคาแรกเตอร์ดีไวซ์ (Block and Character Devices)
-การติดต่อกับอุปกรณ์ที่จัดการในลักษณะของบล็อกข้อมูล จะใช้คำสั่งซึ่งตัวอุปกรณ์เองจะคุ้นเคยกับคำสั่งต่างๆ อยู่แล้ว เช่น การอ่าน, การเขียน, การค้นหา เป็นคำสั่งพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ประเภทดิสก์ และซีดีรอม
-การแอ็กเซสไฟล์แบบการแมพหน่วยความจำ (Memory mapped) สามารถแอ็กเซสได้ในเลเยอร์สูงสุดของไดร์เวอร์ที่ใช้ในอุปกรณ์นั้นๆ
-การแมพหน่อยความจำจะใช้เนื้อที่บนดิสก์เสมือนเนื้อที่ของหน่วยความจำ เมื่อต้องการบล็อกข้อมูลใดก็ทำการโหลดข้อมูลนั้นมาทันที
-การแมพหน่วยความจำเป็นการให้บริการอีกอย่างหนึ่งของ Kernel
-วิธีการเรียกการแมพหน่วยความจำยังสามารถใช้สำหรับจัดสรรเนื้อที่ดิสก์ (swapping) เพื่อให้สะดวกในการค้นหา
2.เน็ตเวิร์คดีไวซ์ (Network Devices)
-การติดต่อกับอุปกรณ์เน็ตเวิร์คจะใช้แอปพลิเคชันชนิดหนึ่งที่มีชื่อว่า “ซ็อกเก็ต” (Socket)
-ใช้โปรแกรมฟังก์ชัน Red-Write-Seek สำหรับติดต่อกับดิสก์
-การใช้ซ็อกเก็ตติดต่อที่เห็นกันโดยทั่วไปในระบบปฏิบัติการหลายตัว เช่น Windows NT, UNIX
-ภายในซ็อกเก็ตมีฟังก์ชันที่ใช้ติดต่อกับ Remote Address ชื่อว่า Select ฟังก์ชัน select เป็นตัวจัดการในการติดต่อประสานงาน รับ-ส่งข้อมูล
-เมื่อระบบเรียกฟังก์ชัน select ฟังก์ชันจะส่งค่าเพื่อแสดงสถานะภาพขณะนั้นกลับไปยังผู้เรียก จากนั้นจะทำการรับ-ส่งข้อมูลกันตามที่เรียกเข้ามา
3.Clock and Timers
-ทำหน้าที่หลัก 3 ประการ คือ
+บอกเวลาปัจจุบัน
+บอกเวลาที่ใช้งานไปแล้ว
+การตั้งเวลา
-3ฟังก์ชันดังกล่าวมีการทำงานที่ต่างกัน
-ฟังก์ชัน Programmable interval timer เป็นฟังก์ชันที่สามารถบอกเวลาที่ข้อมูลถูกอ่านแล้ว และยังสามารถบอกเวลาที่เหลือ เพื่อให้ระบบปฏิบัติการสร้างสัญญาณอินเทอร์รัพต์เมื่อโหลดข้อมูลเสร็จ
-กลไกในเรื่องการกำหนดเวลาเป็นสิ่งสำคัญและจำเป็นในระบบคอมพิวเตอร์ที่มีอุปกรณ์หลายชนิดทำงานร่วมกัน
-ในคอมพิวเตอร์หลายๆ เครื่องสัญญาณอินเทอร์รัพต์ที่เกิดขึ้น จะถูกแสดงออกมาในช่วงความละเอียด 18-60ครั้ง/วินาที ด้วยตัว clock ของนาฬิกาเอง
-ในขณะที่ซีพียูสามารถเอ็กซิคิวต์คำสั่งต่างๆได้ถึงล้านๆ คำสั่งใน 1 วินาทีแสดงให้เห็นว่าความละเอียดของ clock มีความละเอียดน้อยมากเมื่อเทียบกับซีพียู
-แสดงให้เห็นว่าความละเอียดของ clock มีความละเอียดน้อยมากเมื่อเทียบกับซีพียู
-ปัจจุบันคอมพิวเตอร์บางตัวสามารถใช้ counter clock ซึ่งมีความละเอียดสูงเข้ามาแทน ทำให้สร้างสัญญาณอินเทอร์รัพต์แสดงออกได้ละเอียดมากขึ้น
4.Blocking I/O and Nonblocking I/O
-มี 2 แนวทางในการเรียก System call คือ Blocking I/O และ Nonblocking I/O (Asynchronous)
-เมื่อโปรแกรมใช้ Blocking I/O ระบบที่กำลังทำงานขณะนั้นจะหยุดรอ โปรแกรมจะสั่งให้ระบบย้ายการควบคุมไปที่ผู้เรียก System call ไปทำงานที่ถูกอินเทอร์รัพต์เข้ามาก่อน
-เมื่อทำงานเสร็จโปรแกรมจะย้ายการควบคุมกลับไปยังที่เดิมก่อนที่จะเรียก System call
-ลักษณะการเกิด Blocking ทางกายภาพแล้วช่วงเวลาตั้งแต่การเรียก System call จนกระทั้งกลับเข้าสู่โปรเซสปกติ
-System call แบบ Nonblocking I/O (Asynchronous) มีประโยชน์ยิ่งในด้านความเร็วในระหว่างที่เรียก System call
-ในระหว่างที่เรียก System call งานที่กำลังทำขณะนั้นก็ยังคงดำเนินต่อไปจนกระทั่งเสร็จสิ้น แล้วจึงเรียกอินเทอร์รัพต์ เพื่อนำงานทั้งหมดที่เรียก System call มาเชื่อมเข้าด้วยกัน
-ตัวอย่างของ Nonblocking I/O คือฟังก์ชัน Selectในระบบเน็ตเวิร์ค เมื่อมีการเรียก System call ดัวยฟังก์ชัน Select ระบบไม่สามารถทราบได้ว่าฟังก์ชัน Select จะรีเทิร์นกลับเมื่อไร
-ถ้าเลยเวลาที่กำหนดไปแล้ว แสดงว่า System call ทำงานไม่สำเร็จ
ระบบย่อยอินพุต/เอาต์พุตใน Kernel(I/O Subsystem) Kernel เป็นส่วนที่ติดต่อกับฮาร์ดแวร์ จะมีระบบย่อยอินพุต/เอาต์พุตที่ให้บริการอุปกรณ์ต่าง ๆ ดังนี้
1.การจัดเวลาอินพุต/เอาต์พุต (I/O Scheduling) I/O Scheduling เป็นส่วนหนึ่งของ Kernel ช่วยจัดลำดับขั้นตอนต่างๆ ให้กับซีพียู เพื่อให้ซีพียูทำงานเต็มประสิทธิภาพ ตัวอย่างการบล็อกข้อมูลจากดิสก์ โปรเซสที่ต้องการทำอยู่ 3 โปรเซสด้วยกัน
1.1.บล็อกข้อมูลอยู่ตอนท้ายของโปรเซส
1.2.บล็อกข้อมูลอยู่ตอนต้นของโปรเซส
1.3.บล็อกข้อมูลอยู่ตอนกลางของโปรเซส
2.การใช้บัฟเฟอร์ บัฟเฟอร์เป็นหน่วยความจำประเภทหนึ่งที่ใช้เก็บข้อมูลขณะที่มีการถ่ายโอนข้อมูลกันระหว่างอุปกรณ์ทั้งสองชนิด ที่มาของการสร้างบัฟเฟอร์มีเหตุผล 3 ประการคือ
2.1.สำหรับอุปกรณ์ที่มีความเร็วที่แตกต่างกันมากๆ จะช่วยให้อุปกรณ์มีความเร็วมากไม่ต้องเสียเวลาคอย
2.2.การใช้บัฟเฟอร์เพื่อปรับปรุงอุปกรณ์ที่มีความสามารถในการถ่ายโอนข้อมูลที่มีขนาดต่างกันให้สามารถทำงานควบคู่กันได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2.3.ใช้สำหรับทำการแบ็คอัพข้อมูลซึ่งมักจะใช้เป็นประจำในคอมพิวเตอร์เป็นการป้องกันการสูญหายของข้อมูล ทำให้อุปกรณ์ต่างๆ เป็นอิสระในขณะที่มีการจัดสรรเนื้อที่บนดิสก์ให้เป็นระเบียบ
3.การใช้แคช แคช คือ หน่วยความจำประเภทหนึ่งที่มีความเร็วสูงมาก การเข้าถึงข้อมูลในแคชสามารถทำได้รวดเร็วกว่าในดิสก์ จุดประสงค์ในการใช้แคช สำหรับอุปกรณ์มีจุดประสงค์เดียวกันกับบัฟเฟอร์ คือไว้สำหรับทำแบ็คอัพ แคชมีราคาแพงกว่าบัฟเฟอร์ ดังนั้นการทำแบ็คอัพเนื้อที่มากๆ จึงจำเป็นต้องใช้บัฟเฟอร์แทน
4.สพูลลิ่งและการสงวนดีไวซ์ (Spooling and Device Reservation) สพูล (Spool) คือบัฟเฟอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้สำหรับเก็บข้อมูลมากๆ ไว้รวมกัน ตัวอย่างได้แก่ เครื่องพิมพ์ ระบบปฏิบัติการจะใช้สพูลลิ่งเข้ามาจัดการข้อมูล แล้วนำไปเก็บในสพูลตามลำดับที่ส่งเข้ามา สพูลจะเป็นตัวที่ทำหน้าที่จัดคิวให้กับเครื่องพิมพ์ไม่ให้ปะปนกัน งานต่างๆที่เก็บอยู่ในสพูล ผู้ใช้สามารถควบคุมผ่านระบบปฏิบัติการ ให้สามารถยกเลิกการพิมพ์งานใดๆ ได้ หรือแม้กระทั่งจัดลำดับการพิมพ์ใหม่ได้เช่นกัน
5.Error Handling ตัวระบบปฏิบัติการทำหน้าที่ประสานการติดต่อระหว่างอุปกรณ์กับแอปพลิเคชันต่างๆ ของผู้ใช้ ทำให้ระบบปฏิบัติการมีความสามารถในการป้องกันความเสียหายที่อาจจะเกิดขึ้นได้สำหรับอุปกรณ์โดยเฉพาะดิสก์ สาเหตุที่ทำให้เกิดความล้มเหลวในขณะอ่านข้อมูลจากดิสก์ เช่น อุปกรณ์ชำรุด ระบบคอมพิวเตอร์เกิดโอเวอร์โหลดขึ้น หากเกิดปัญหาจากอุปกรณ์ หรือแอปพลิเคชัน ระบบปฏิบัติการสามารถฟ้องข้อผิดพลาดได้ แต่ถ้าเกิดขึ้นในตัวระบบปฏิบัติการเอง ไม่สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้เมื่ออุปกรณ์เรียก System call ระบบจะส่งค่าขนาด 1 บิต กลับมาเพื่อเป็นการตอบรับ
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น