Взаимодействие через пространство ввода-вывода

Для обращения программы к пространству ввода-вывода предназначены всего четыре инструкции процессора: IN (ввод из порта в регистр процессора), OUT (вывод в порт из регистра процессора), INS (ввод из порта в элемент строки па­мяти) и OUTS (вывод элемента из строки памяти в порт). Последние две ин­струкции, появившиеся с процессором 80286, могут использоваться с префик­сом повтора REP, что обеспечивает быструю пересылку блоков данных между портом и памятью. Как уже отмечалось, обмен данными с портами, при кото­ром применяют строковые инструкции ввода-вывода, получил название РЮ (Programmed Input/Output — программируемый ввод-вывод).

Разрядность слова, передаваемого за одну инструкцию ввода-вывода, может со­ставлять 8, 16 или 32 бита. В зависимости от выровненности адреса по границе слова и разрядности данных используемой шины это слово может передаваться за один или несколько циклов шины с указанием соответствующего нарастаю­щего адреса в каждом цикле обращения к памяти. Инструкции ввода-вывода порождают шинные циклы обмена, в которых вырабатываются сигналы чтения из порта и записи в порт. Во избежание недоразумений и для экономии шин­ных циклов рекомендуется выравнивать адреса 16-битных портов по границе слова, а 32-битных — по границе двойного слова. Обращение по выровненным адресам выполняется за один цикл системной шины. Обращение по невыров­ненным адресам выполняется за несколько циклов, причем однозначная после­довательность адресов обращений, которая зависит от модели процессора, не гарантируется. Так, одна инструкция вывода слова по нечетному адресу приве­дет к генерации двух смежных шинных циклов записи. При программировании обращений следует учитывать специфику устройств ввода-вывода. Если, на­пример, устройство допускает только 16-разрядные обращения, то старший байт его регистров будет доступен лишь при вводе-выводе слова по четному ад­ресу.

В реальном режиме процессора программе доступно все пространство адресов ввода-вывода. В защищенном режиме инструкции ввода-вывода являются при­вилегированными: возможность их исполнения зависит от текущего уровня привилегий. В защищенном режиме 32-разрядных процессоров (частным слу­чаем которого является и виртуальный режим V86) имеется возможность про­граммно ограничить доступное пространство ввода-вывода, определяя его мак­симальный размер (начиная с нулевого адреса и в пределах 64 Кбайт), а внутри разрешенной области доступ может быть разрешен или запрещен для каждого конкретного адреса. Размер области и карта разрешенных портов ввода-вывода (Ю permission bitmap) задаются операционной системой в дескрипторе сегмен­та состояния задачи (Task State Segment, TSS). Карта разрешений влияет на ис­полнение инструкций ввода-вывода в зависимости от соотношения текущего и требуемого уровней привилегий ввода-вывода. При недостаточных привиле­гиях обращение по неразрешенному адресу вызывает исключение процессора, а поведение его обработчика определяется операционной системой. Возможно снятие задачи-нарушителя (знаменитое сообщение «Приложение... выполнило недопустимую операцию и будет закрыто»). Возможен и другой вариант, когда по обращении к порту монитор операционной системы выполняет некоторые действия, создавая для программы иллюзию реальной операции ввода-вывода. Таким образом, виртуальная машина по операциям ввода-вывода может об­щаться с виртуальными устройствами. Программа, выполняемая на нулевом уровне привилегий, безусловно может обращаться ко всем портам непосредст­венно.

Наиболее корректный (с точки зрения организации ОС) способ общения при­ложения с портами устройства требует помещения инструкций ввода-вывода в драйвер устройства, работающий на уровне привилегий ОС (на нулевом уровне). Обращение к портам непосредственно из приложения возможно, если в карте разрешения портов бит для данного порта сброшен. Если бит установ­лен, то обращение к порту вызывает исключение защиты, которое обрабатывает диспетчер виртуальной машины (Virtual Machine Manager, VMM). В этом слу­чае VMM вызывает процедуру, назначенную для данного порта операционной системой. Это может быть либо специальная процедура виртуального драйвера, установленного для данного порта, либо процедура, заданная по умолчанию. В первом случае ввод-вывод для данного порта доступен приложению только через виртуальный драйвер, вызов которого каждый раз будет приводить к из­держкам переключения задач и смены уровня привилегий (от приложения на уровне 3 к драйверу нулевого уровня). Однако с точки зрения идеологии мно­гозадачности и защиты это — естественное решение, обеспечивающее полную виртуализацию ввода-вывода. Процедура, заданная по умолчанию (в Windows 9х), открывает порт для данного приложения (сбрасывает бит в карте разреше­ний ввода-вывода) и выполняет собственно инструкцию ввода-вывода, возвра­щая приложению результат ввода. Таким образом, приложению Windows 9x станут доступными любые порты, для которых не установлен виртуальный драйвер. Правда, первое обращение к каждому порту произойдет медленно (че­рез исключение), но последующие будут выполняться быстро. Если для взаи­модействия с устройством задержка первого обращения критична, то при ини­циализации приложения можно выполнить «безобидные» обращения по адре­сам всех требуемых портов, чтобы открыть их для дальнейшей непосредствен­ной работы (без издержек).

Заметим, что ОС Windows 9x не особо заботится о виртуализации и защите ввода-вывода: например, в Windows 9x из окна DOS можно обращаться к лю­бым портам, даже к портам устройств, занятых операционной системой. В Windows NT/XP/200x защита ввода-вывода организована строже.

Поиск по сайту: