第８回入出力制御デバイスコントローラ  ポーリングと割込み  入出力の方式  − −  PIO DMA 入出力のためのソフトウェア技法入出力ハードウェア CPU 主記憶システムバスディスクコントローラ磁気ディスクビデオコントローラプリンタドライバ入出力制御とデバイスコントローラ     入出力装置を制御することは、OSの重要な役割の一つ CPU（メインプロセッサ）は、デバイスコントローラを介して入出力制御を行う OSの入出力装置を担当するソフトをデバイスドライバと呼ぶデバイスコントローラ − − − − 特定の型の入出力装置に対する操作インターフェースをCPU上のソフトウェアに提供データレジスタ ... 転送するデータを一時的に格納するレジスタ状態レジスタ ... 入出力の結果をCPU（プログラム）から参照できるようにするための状態レジスタ入出力ポート ... プログラムから制御するための   インターフェースメモリマップト入出力（memory-mapped I/O) 分離入出力（isolated I/O) デバイスコントローラによる入出力装置の動き（入力の場合） 1. 2. 3. プログラムが入出力ポートを通じてデバイスコントローラに入出力装置から、デバイスコントローラにデータをデータレジスタに読み出す指令を出すデータの読み出しが完了すると、状態レジスタに完了の状態がセットされる CPUは状態レジスタを参照し、入力が正常に行われたかを調べ、データをデータレジスタから取り出すデバイスコントローラにおける入出力装置の動作（出力） 1. 2. 3. CPUはデバイスコントローラのデータレジスタに出力データを入れ、これを装置に書き込むように指令状態レジスタに出力の結果がセットされる CPUは、状態レジスタをチェックし、出力が正常に完了したかを調べる入出力の並列処理    入出力装置の動作は、CPUの処理速度に比べ、桁違いに遅い CPUが、入出力動作の完了を待ち続けるのは大変なオーバヘッドとなるデバイスコントローラが入出力を行っている間、 CPUは他の処理（他の実行可能プロセス）を行う −  処理のオーバラッピング・並列化入出力の完了を知る方法が鍵 − − ポーリング割込みポーリング      デバイスコントローラに入出力動作の完了を示すフラグを用意 CPUは、入出力操作と並列で他のプロセスを処理周期的にこのフラグを見に行き、動作完了をチェックする周期短 ⇒ CPUの時間のほとんどがフラグチェックに費やされてしまう周期長 ⇒ 入出力装置が遊んでしまう CPU 起動周期的に完了フラグをチェック後処理入出力装置プロセスA プロセスB 割込み処理   ポーリングは、フラグチェックに要する時間が無駄である入出力の完了を割込みによって、CPUに通知する − − 割込みハンドラ割込みベクタ起動 CPU 後処理入出力装置完了を割込みで通知プロセスA プロセスB 入出力の方式  PIO（Programmed I/O) ... CPUと入出力装置のデータ転送をCPUが行う − −  キーボードやシリアルプリンタなどの1Byte単位の低速な入出力装置によく使われるディスプレイ ... ビデオRAMに表示したデータを書き込む DMA（Direct Memory Access） ... DMAコントローラと呼ばれる専用のハードウェアがCPUと独立してデータ転送を行う − − 一度に大量のデータをブロック単位で転送するのに適している DMAコントローラは、CPUに比べて高い優先度でシステムバスを獲得できる DMA転送による入出力例：ディスクに対するアクセス src_addr, dest_addr CPU DMA コントローラ counter バイト数 dest_addr src_addr Read/Write src_addr 完了割込み DMA転送 dest_addr 入出力要求主記憶転送停止命令システムバスバッファディスクコントローラディスク入出力装置の分類（Unix）  キャラクタ型端末 ... 1文字単位の入出力を行う装置 − −  キーボード、シリアル回線 cf). /dev 以下でls –l すると crwx------ などのようにモード表記の一番左がcとなっている装置ブロック型端末 ... ブロックを単位として入出力を行う装置 − − 磁気ディスク、磁気テープ cf). /dev 以下でls –l すると brwx------ などのようにモード表記の一番左がbとなっている装置入出力のためのソフトウェア技法    バッファリング ... 入出力とプロセッサの処理をオーバラップさせるために、入出力用にバッファと呼ばれる一時記憶領域に入出力データを蓄積する技法キャッシング ... 一度利用されたデータを主記憶（キャッシュ）上に一時的に格納し、再利用時のデータアクセスの高速化を実現するスプーリング ... 急を要さない入出力を専用のプロセス（スプーラという）に依頼し、入出力を一元管理する手法 − プリンタなどによく利用されているバッファリング     データを受け渡しする者同士の速度差を緩和する（バッファ→ 緩衝器という意味）入出力装置とバッファは、ブロック単位で転送バッファとプログラムは、レコード単位もしくは、バイト単位で受け渡しブロッキング ... 複数のレコードを１つのブロックにまとめて出力する − − − −   入出力の回数を減らせるブロッキング係数n ... １つのブロックがn個のレコードを含むレコード一つあたりの準備操作の時間は1/n になるレコード間ギャップ(IRG), ブロック間ギャップ(IBG) ... ブロックが小さいと、ギャップ領域大となり、使用効率落ちる。デブロッキング ... バッファに読み込んだブロックを複数のレコードに分割して、プログラムに渡すダブルバッファリング ... 作業用バッファと、転送用バッファの２つを1組にして使用する − − プログラムは、作業用バッファに対して入出力操作を行う作業用バッファと転送用バッファのコピーがOSによって行われる端末入出力制御  キー入力の流れ 1. 2. 3. 4. キーボードからの文字入力は、割込みにより通知される押されたキーのコードを入力ポートから取り出す ASCIIコードなどの文字コードに変換 SHIFTやCTRLなどのキーが押された状態をチェック  5.  大文字、小文字、制御文字の解釈主記憶上のバッファに格納されるエコー(echo) ... デバイスドライバが、入力した文字を一文字ずつ画面に表示する − エコーさせるかどうかは、ソフトウェアが指定する端末入出力の手法文字単位の入出力 ... 1文字ずつ転送し、文字単位でエコー  行あるいは画面単位の入出力 ... バッファを持ち、行単位あるいは画面単位で転送し、局所的にエコーを返す  − ↵キーが押されると、バッファがフラッシュされるなど端末入出力のモード標準モード(canonical mode) ... 個々の文字の解釈をユーザプログラムではなく、デバイスドライバが行う  生モード(raw mode) ... 個々の文字の解釈をユーザプログラムが行い、デバイスドライバは生データを渡すのみ  入出力を行うソフトウェアの階層ユーザプログラム入出力ライブラリディレクトリ管理装置に依存しないファイル管理バッファ管理デバイスドライバ装置依存割込みハンドラ