Интерфейс между программным обеспечением и аппаратурой
6.1. Интерфейс между программным обеспечением и аппаратурой
Фирмы-разработчики аппаратного обеспечения постоянно совершенствуют внешние устройства и другие узлы персонального компьютера. Постоянно появляются новая периферийная аппаратура и новые модификации уже существующих устройств. Старые устройства наделяются новыми возможностями, новые делают такое, о чем раньше не приходилось и мечтать.
Этот процесс можно только приветствовать, однако что делать с уже разработанным программным обеспечением, рассчитанным на старую аппаратуру? Если разработка программного обеспечения была дорогостоящая, если по своим возможностям она еще не устарела, вряд ли целесообразно переделывать все заново только из-за того, что появился новый дисковод с большей емкостью носителя данных или новый принтер, обеспечивающий лучшее качество печати.
Интуитивно ясно, что должна существовать какая-то программная прослойка между аппаратным и программным обеспечением, выполняющая "согласующие" и "унифицирующие" действия. Эта прослойка работает напрямую с аппаратурой, а прикладное (да и системное) программное обеспечение имеет дело только с этой интерфейсной прослойкой.
В разных типах компьютеров и для разных типов операционных систем существуют различные способы устранения зависимости программного обеспечения от аппаратуры. По-видимому, одним из наиболее неудачных следует считать способ, примененный в операционной системе ОС ЕС для ЭВМ ряда ЕС. Для ЭВМ ряда ЕС любое периферийное устройство имеет одинаковый и достаточно сложный аппаратный интерфейс с каналами ЭВМ (канал - это устройство, обеспечивающее ввод/вывод информации в ЭВМ ряда ЕС). Для каждого типа устройства составляются канальные программы (программы, которые будут выполняться каналом). Прикладное программное обеспечение может пользоваться либо вводом/выводом на этом, крайне низком, канальном уровне, либо осуществлять ввод/вывод на уровне так называемых методов доступа. Библиотеки программ методов доступа содержат программы, работающие на канальном уровне. Для любого, даже очень простого нового устройства в этой системе необходим сложный аппаратный интерфейс с каналом. Составление программ своего метода доступа - крайне сложная задача, доступная лишь профессионалам высокого класса. О внесении изменений в существующие программы методов доступа говорить вообще вряд ли стоит, так как они очень сложны, а исходные тексты этих программ, как правило, отсутствуют.
Другой подход используется в операционных системах UNIX и аналогичных ей (XENIX, VENIX и т.д.).
В этих операционных системах для каждого устройства составляется своя программа обслуживания - драйвер. Эта программа выполняет все операции со своим устройством. Сама операционная система имеет дело только с драйвером, а прикладное программное обеспечение для выполнения ввода/вывода вызывает соответствующие модули операционной системы. Такая программная "буферизация" устраняет, с одной стороны, зависимость операционной системы от аппаратуры, с другой - зависимость прикладной программы от операционной системы и от аппаратуры.
Для каждого нового устройства (например, для нового видеоконтроллера) фирма-разработчик поставляет свой драйвер. Если Вы купили новое устройство, Вы просто подключаете новый драйвер к операционной системе и все Ваши любимые старые программы будут теперь работать с новым устройством.
Этот подход имеет тот недостаток, что Вы не сможете легко и свободно переносить Вашу операционную систему с одного типа компьютера на другой, даже совместимый с ним. Драйверы операционной системы UNIX очень сильно привязаны к аппаратуре. На компьютере, который совместим с исходным не полностью, эти драйверы работать не будут.
Обычно операционные системы поставляются с конкретным комплектом драйверов под определенный тип компьютера, и с этим приходится считаться.
Операционная система MS-DOS, работающая на компьютерах фирмы IBM или совместимых с ними, тоже использует механизм драйверов.
Однако драйверы MS-DOS не всегда обращаются напрямую к аппаратуре. Обычно они вызывают функции BIOS, и уже BIOS выполняет все действия по вводу/выводу. Конечно, BIOS содержит программы обслуживания только стандартных устройств ввода/вывода, нестандартные устройства обслуживаются драйверами напрямую.
Использование BIOS как дополнительного интерфейса между драйверами стандартных устройств и аппаратурой резко повышает "живучесть" MS-DOS на не вполне совместимых с IBM персональных компьютерах. И это действительно так - самая распространенная на сегодняшний день операционная система MS-DOS версии 3.30 работает на всех компьютерах, хоть сколько-нибудь совместимых с IBM PC.
Это возможно благодаря тому, что производители совместимых компьютеров учитывают в программах BIOS все аппаратные особенности, и DOS "не видит" отличий. А прикладная программа - тем более.
Почему же этот способ не используется в операционных системах UNIX или OS/2? Дело в том, что к сожалению, программы BIOS не являются реентерабельными. Это не имеет значения для однозадачной MS-DOS, а мультизадачные операционные системы вынуждены сами организовывать обслуживание аппаратуры реентерабельным способом. (Существуют еще проблемы разделения ресурсов между параллельно выполняющимися процессами, которые тоже не решаются в рамках BIOS).
Таким образом, независимость аппаратного и программного обеспечения в DOS обеспечивается, с одной стороны, BIOS для стандартных устройств, с другой стороны - драйверами.
Пользователи могут легко дополнять операционную систему своими драйверами, составленными для нестандартных устройств. Возможна также замена стандартных драйверов, замена или расширение функций BIOS.
В разделе, посвященном резидентным программам, мы уже рассказывали о том, как можно организовать обслуживание нестандартных устройств в DOS с помощью TSR-программ. Но это "незаконный" способ с точки зрения DOS, так как при этом DOS не сможет использовать свои стандартные средства ввода/вывода, ориентированные на связь с аппаратурой через драйверы. Поэтому наилучшим способом организации обслуживания аппаратуры является использование драйвера.
6.1. Интерфейс между программным обеспечением и аппаратурой
Фирмы- разработчики аппаратного обеспечения постоянно совершенствуют внешние устройства и другие узлы персонального компьютера. Постоянно появляются новая периферийная аппаратура и новые модификации уже существующих устройств. Старые устройства наделяются новыми возможностями, новые делают такое, о чем раньше не приходилось и мечтать.
Этот процесс можно только приветствовать, однако что делать с уже разработанным программным обеспечением, рассчитанным на старую аппаратуру? Если разработка программного обеспечения была дорогостоящая, если по своим возможностям она еще не устарела, вряд ли целесообразно переделывать все заново только из-за того, что появился новый дисковод с большей емкостью носителя данных или новый принтер, обеспечивающий лучшее качество печати.
Интуитивно ясно, что должна существовать какая-то программная прослойка между аппаратным и программным обеспечением, выполняющая "согласующие" и "унифицирующие" действия. Эта прослойка работает напрямую с аппаратурой, а прикладное (да и системное) программное обеспечение имеет дело только с этой интерфейсной прослойкой.
В разных типах компьютеров и для разных типов операционных систем существуют различные способы устранения зависимости программного обеспечения от аппаратуры. По-видимому, одним из наиболее неудачных следует считать способ, примененный в операционной системе ОС ЕС для ЭВМ ряда ЕС. Для ЭВМ ряда ЕС любое периферийное устройство имеет одинаковый и достаточно сложный аппаратный интерфейс с каналами ЭВМ (канал - это устройство, обеспечивающее ввод/вывод информации в ЭВМ ряда ЕС). Для каждого типа устройства составляются канальные программы (программы, которые будут выполняться каналом). Прикладное программное обеспечение может пользоваться либо вводом/выводом на этом, крайне низком, канальном уровне, либо осуществлять ввод/вывод на уровне так называемых методов доступа. Библиотеки программ методов доступа содержат программы, работающие на канальном уровне. Для любого, даже очень простого нового устройства в этой системе необходим сложный аппаратный интерфейс с каналом. Составление программ своего метода доступа - крайне сложная задача, доступная лишь профессионалам высокого класса. О внесении изменений в существующие программы методов доступа говорить вообще вряд ли стоит, так как они очень сложны, а исходные тексты этих программ, как правило, отсутствуют.
Другой подход используется в операционных системах UNIX и аналогичных ей (XENIX, VENIX и т.д.).
В этих операционных системах для каждого устройства составляется своя программа обслуживания - драйвер. Эта программа выполняет все операции со своим устройством. Сама операционная система имеет дело только с драйвером, а прикладное программное обеспечение для выполнения ввода/вывода вызывает соответствующие модули операционной системы. Такая программная "буферизация" устраняет, с одной стороны, зависимость операционной системы от аппаратуры, с другой - зависимость прикладной программы от операционной системы и от аппаратуры.
Для каждого нового устройства (например, для нового видеоконтроллера) фирма-разработчик поставляет свой драйвер. Если Вы купили новое устройство, Вы просто подключаете новый драйвер к операционной системе и все Ваши любимые старые программы будут теперь работать с новым устройством.
Этот подход имеет тот недостаток, что Вы не сможете легко и свободно переносить Вашу операционную систему с одного типа компьютера на другой, даже совместимый с ним. Драйверы операционной системы UNIX очень сильно привязаны к аппаратуре. На компьютере, который совместим с исходным не полностью, эти драйверы работать не будут.
Обычно операционные системы поставляются с конкретным комплектом драйверов под определенный тип компьютера, и с этим приходится считаться.
Операционная система MS-DOS, работающая на компьютерах фирмы IBM или совместимых с ними, тоже использует механизм драйверов.
Однако драйверы MS-DOS не всегда обращаются напрямую к аппаратуре. Обычно они вызывают функции BIOS, и уже BIOS выполняет все действия по вводу/выводу. Конечно, BIOS содержит программы обслуживания только стандартных устройств ввода/вывода, нестандартные устройства обслуживаются драйверами напрямую.
Использование BIOS как дополнительного интерфейса между драйверами стандартных устройств и аппаратурой резко повышает "живучесть" MS-DOS на не вполне совместимых с IBM персональных компьютерах. И это действительно так - самая распространенная на сегодняшний день операционная система MS-DOS версии 3.30 работает на всех компьютерах, хоть сколько-нибудь совместимых с IBM PC.
Это возможно благодаря тому, что производители совместимых компьютеров учитывают в программах BIOS все аппаратные особенности, и DOS "не видит" отличий. А прикладная программа - тем более.
Почему же этот способ не используется в операционных системах UNIX или OS/2? Дело в том, что к сожалению, программы BIOS не являются реентерабельными. Это не имеет значения для однозадачной MS-DOS, а мультизадачные операционные системы вынуждены сами организовывать обслуживание аппаратуры реентерабельным способом. (Существуют еще проблемы разделения ресурсов между параллельно выполняющимися процессами, которые тоже не решаются в рамках BIOS).
Таким образом, независимость аппаратного и программного обеспечения в DOS обеспечивается, с одной стороны, BIOS для стандартных устройств, с другой стороны - драйверами.
Пользователи могут легко дополнять операционную систему своими драйверами, составленными для нестандартных устройств. Возможна также замена стандартных драйверов, замена или расширение функций BIOS.
В разделе, посвященном резидентным программам, мы уже рассказывали о том, как можно организовать обслуживание нестандартных устройств в DOS с помощью TSR-программ. Но это "незаконный" способ с точки зрения DOS, так как при этом DOS не сможет использовать свои стандартные средства ввода/вывода, ориентированные на связь с аппаратурой через драйверы. Поэтому наилучшим способом организации обслуживания аппаратуры является использование драйвера.
