Uttalandet om att operativsystem adresserar perifera enheter "direkt" är lite av en överförenkling. Medan OS i slutändan kontrollerar kringutrustning, gör det inte alltid på ett rått, bit-för-bit-sätt. Nivån på direkthet varierar, men här är en uppdelning av varför OS -kontroll är nödvändig och hur den i allmänhet fungerar:
Varför operativsystem kontrollerar perifera enheter:
* Resurshantering: En kärnfunktion för operativsystemet är att hantera delade resurser, och kringutrustning är nyckelresurser. Utan OS -kontroll kan flera applikationer försöka komma åt samma enhet samtidigt, vilket leder till konflikter, datakorruption och systeminstabilitet. OS -skiljerats åtkomst och säkerställer att endast en process (eller noggrant samordnade processer) interagerar med en enhet åt gången.
* abstraktion och standardisering: Operativsystem tillhandahåller ett abstraktionslager (vanligtvis genom enhetsdrivare) som döljer komplexiteten i att interagera med olika hårdvaruenheter. Applikationer behöver inte veta de komplicerade detaljerna om hur en specifik skrivare eller nätverkskort fungerar. De kommunicerar med operativsystemet med ett standardiserat API (applikationsprogrammeringsgränssnitt), och OS, via enhetsdrivrutinen, översätter dessa förfrågningar till enhetsspecifika kommandon. Detta förenklar applikationsutvecklingen avsevärt och säkerställer portabilitet mellan olika hårdvarukonfigurationer.
* Säkerhet: Direkt, obegränsad tillgång till hårdvara genom applikationer kan leda till säkerhetssårbarheter. Skadlig programvara kan direkt manipulera enheter för att kompromissa med systemets integritet, få obehörig åtkomst till data eller till och med skada hårdvaran. OS verkställer åtkomstkontroller och behörigheter och begränsar vilka applikationer som kan interagera med vilka enheter och vilka operationer de kan utföra.
* Felhantering och återhämtning: Perifera enheter kan misslyckas eller stöta på fel. OS ansvarar för att upptäcka och hantera dessa fel, försöka återställa graciöst och meddela applikationen (eller användaren) vid behov. Utan OS -engagemang kan ett fel i en perifer enhet lätt krascha hela systemet.
* Systemstabilitet: OS förhindrar att dåligt skriftliga applikationer direkt stör hårdvara på ett sätt som kan destabilisera hela systemet. Om en applikation kraschar medan den interagerar direkt med en enhet, kan den lämna enheten i ett inkonsekvent tillstånd, vilket kräver omstart. OS tillhandahåller en mer kontrollerad miljö, vilket minimerar risken för applikationsnivåfel som påverkar hela systemet.
Hur operativsystem kontrollerar kringutrustning (varierande nivåer av "direkthet"):
* enhetsdrivare: Detta är nyckelkomponenten. Enhetsdrivare är mjukvarumoduler (ofta kärnläge-komponenter) som översätter generiska OS-kommandon till enhetsspecifika instruktioner och vice versa. OS använder föraren för att kommunicera med hårdvaran.
* Avbrottshantering: Periepherals signalerar ofta CPU när de behöver uppmärksamhet (t.ex. data är redo, ett fel inträffade) med användning av avbrott. OS har en avbrottshanterarrutin associerad med varje enhet. När ett avbrott inträffar avbryter CPU sin nuvarande uppgift, hoppar till avbrottshanteraren, som bestämmer källan till avbrottet (enheten) och vidtar lämpliga åtgärder (vanligtvis involverar enhetsdrivrutinen).
* Memory-mappat I/O: Många enheter använder minneskartade I/O. Specifika minnesadresser mappas till register inom den perifera enheten. OS (eller en drivrutin som kör i kärnläge) kan läsa från eller skriva till dessa minnesadresser för att styra enheten. Detta anses vara en relativt "direkt" form av kontroll, men det är fortfarande medierat av operativsystemet och föraren.
* Direktminnesåtkomst (DMA): Vissa enheter, särskilt de som överför stora mängder data (t.ex. hårddiskar, grafikkort), kan direkt komma åt systemminnet utan att involvera CPU för varje byte. OS konfigurerar DMA -styrenheten med käll- och destinationsminnesadresser, överföringsstorlek och andra parametrar. När den har konfigurerats utför enheten överföringen oberoende och operativsystemet meddelas när överföringen är klar (vanligtvis via ett avbrott). DMA minskar CPU -belastningen och förbättrar prestandan.
* Port-mappade I/O (mindre vanligt nu): Vissa äldre system använde port-mappade I/O, där enheter nåddes via specifika I/O-portar. OS kan använda specialinstruktioner (som "in" och "ut" på x86) för att läsa från eller skriva till dessa portar. Denna metod är mindre vanlig nu på grund av fördelarna med Memory Mapped I/O.
Sammanfattningsvis:
Även om applikationer vanligtvis inte interagerar direkt med hårdvara, har operativsystemet, särskilt genom enhetsdrivrutiner, en nivå av "direkt" kontroll. Denna kontroll är avgörande för resurshantering, säkerhet, stabilitet och att tillhandahålla ett konsekvent och hanterbart gränssnitt för applikationer för att interagera med kringutrustning. Graden av "direkthet" varierar beroende på hårdvaruarkitektur, enhetstypen och utformningen av operativsystemet. OS fungerar som en avgörande mellanhand och säkerställer att perifera enheter används effektivt och säkert inom det övergripande systemet.
