อุปกรณ์ชิ้นใดที่สามารถทำหน้าที่เป็นได้ทั้ง Input และ Output

บทที่ 7

การจัดการอุปกรณ์

โดย นาย วีรินทร์ เรือนก้อน  รหัสนักศึกษา 6031280063

การจัดการอุปกรณ์อินพุตเอาต์พุตและสื่อจัดเก็บข้อมูล

     การทำงานของคอมพิวเตอร์ไม่ใช่เป็นการทำงานเฉพาะส่วน  แต่จะต้องมีการติดต่อกับโลกภัยนอก   ซึ่งก็คืออุปกรณ์รอบข้าง(peripheral) ต่างๆ เช่น  หน่วยความจำ และอุปกรณ์ที่ต่อพวงกับคอมพิวเตอร์ที่เป็นได้ทั้งอินพุตและเอาต์พุต (Input/Output)เพื่อให้  การติดต่อกับอุปกรณ์เหล่านี้สามารถดำเนินการร่วมกันได้อย่างเหมาะสม
     โดยทั่วไปประเภทของอุปกรณ์สามารถแบ่งได้  2 ประเภทด้วยกัน  คือ
     1.อุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต(Input Output Device)
     2.สื่อจัดเก็บข้อมูล (Storage Device)

อุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต
     ๐ อุปกรณ์อินพุต (Input Device) คืออุปกรณ์ที่ทำให้คอมพิวเตอร์สามารถรับข้อมูลต่างๆจากภายนอกได้  เช่น  คีย์บอร์ด,เมาส์,สแกนเนอร์,ไมโครโฟน
     ๐ อุปกรณ์เอาต์พุต (Output Device)  คืออุปกรณ์ที่คอมพิวเตอร์ส่งผลและแสดงผลข้อมูลเหล่านั้นออกมา  เช่น  จอภาพ,เครื่องพิมพ์,เสียงจากลำโพง

สื่อจัดเก็บข้อมูล

     สื่อจัดเก็บข้อมูลเป็นอุปกรณ์ที่คอมพิวเตอร์ใช้ในการเก็บข้อมูลต่างๆ  ซึ่งสามารถทำการเรียกข้อมูลขึ้นมาใช้งานได้ในภายหลัง (read/Write Data) อุปกรณ์ดัง กล่าวสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทดังนี้  คืออุปกรณ์ที่เข้าถึงแบบลำดับ  เช่น  เทป  และอุปกรณ์ที่สามารถเข้าถึงได้โดยตรง เช่น ดิสก์  ซีดี

หน้าที่ของโอเอสในการจัดการอุปกรณ์

     หน้าที่พื้นฐานของโอเอสในการจัดการดูแลอุปกรณ์ต่างๆ ในระบบคอมพิวเตอร์เพื่อจัดสรรความต้องการแก่ผู้ใช้  คือ
     1.ติดตามสถานะของอุปกรณ์ทุกชิ้น 
     วิธีที่นิยมใช้คือจะมี  UCB  (Unit  Control  Block) สำหรับอุปกรณ์แต่ละชิ้น  เพื่อเก็บข้อมูลที่สำคัญต่างๆ  ของอุปกรณ์  โดย UCB  จะคล้ายกับ PCB  ของการโปรเซส  ซึ้งถือว่าเป็นโคร้งสร้างข้อมูลชนิดหนึ่ง

     2.กำหนดอุปกรณ์ให้ใช้งาน
     เป็นการกำหนดว่า  อุปกรณ์ชิ้นใดใครเป็นผู้ใช้งาน   และใช้งานเป็นจำนวนเวลาเท่าใด  โดยมีมาตรการในการกำหนดเพื่อให้การใช้งานอุปกรณ์ที่มีอยู่จำกัดสามารถใช้งานได้เกิดประโยชน์สูงสุดซึ่งมีเทคนิคในการจัดการดังนี้   คือ
     ๐ การยกเข้าให้ (Dedicated  Device)
     เป็นการกำหนดให้อุปกรณ์ถูกใช้ได้โดยโปรเซสเดียว  โปรเซสอื่นๆ  จะเข้ามาขอใช้บริการใดไม่ได้
     ๐ การแบ่งปัน  (Shared  Devicre)
     เป็นการกำหนดให้อุปกรณ์นั้นๆ  สามารถบริการให้กับโปรเซสหลายๆ โปรเซสได้  โดยอุปกรณ์ที่ใช้บริการนั้นต้องปราศจากการครอบครองจากโปรเซสใด ๆ
     ๐ การจำลอง (virtual  Device)
     เป็นการจำลองอุปกรณ์ใดๆ  ให้ดูเหมือนเป็นอุปกรณ์นั้นจริง  เช่น  การจำลองพื้นที่บนดิสก์เป็นหน่วยความจำเพื่อหลอกให้ซีพียูว่ามีหน่วยความจำขนาดใหญ่พอที่จะประมวลผลได้หรือการจำลองหน่วยให้เป็นดิสก์เก็บข้อมูลได้ เป็นต้น

     3.การจัดสรรอุปกรณ์  (Allocate)
     คือการจัดอุปกรณ์ชิ้นนั้นๆ  ให้กับโปรเซสที่ร้องขอบริการ

     4.การเรียกคืน  (Deallocate)
     หลังจากที่โปรเซสครอบครองอุปกรณ์นั้นๆ  เมื่อหมดช่วงเวลาควอนตัมหรือทำงานจนแล้วจบโอเอสจะต้องจัดการ  Deallocate  เพื่อนำอุปกรณ์ถูกครอบครองจากโปรเซสนั้นคืนให้แก่ระบบ  เพื่อแบ่งปันการใช้งานต่อไป

ดีไวซ์ไดร์ฟเวอร์

     อุปกรณ์ภายนอกที่ติดต่อกับคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันมีความหลากหลายและมีการทำงานที่แตกต่างกัน  ดังนั้นโอเอสก็จะต้องมีความรู้ความสามารถในควบคุม  และจัดการกับอุปกรณ์เหล่านั้นได้  เช่น  อุปกรณ์นั้นมีสัณญาณตอบกลับอย่างไร  ตัวอย่างคีย์บอร์ดมีการติดต่อแบบตัวอักษร (character)
ส่วนเมาส์มีการติดต่อในลักษณะเป็นพิกัดตำแหน่งเป็นต้น

     จะทำอย่างไรให้โอเอสมีการอินเตอร์เฟส(Interface)  กับอุปกรณ์เหล่านั้นได้  ในยุคก่อนนั้นเมื่อมีอุปกรณ์  I/O ชนิดใหม่ จะนำ Source  Code  ของโอเอสนั้นมาเพิ่งรูทีนการจัดการกับ I/O นั้นทำการ Re-Compile  จะได้โอเอสเวอร์ชั่นใหม่ที่สามารถจัดการกับ I/O ชนิดนั้นได้  แต่วิธีนี้ในปัจจุบันไม่ใช้กันแล้ว  เนื่องจากเกิดปัญหาที่ยุ่งยากและเป็นหนทางการแก้ไขที่ไม่ดีนัก  โดยในปัจจุบันจะมีวิธีการจัดการกับI/O ในด้านซอฟต์แวร์  คือ
     ๐ ให้โอเอสรู้จักกับ I/O ทุกตัวได้โดยมีมาตรฐานในการติดต่อ
     ๐ในระดับ Software level ใช้คำสั้ง (command)ชุดเดียวกัน

     ดังนั้นโอเอสกับอุปกรณ์ ฮาร์ดแวร์ จะมีกระบวนการเชื่อมต่อกัน เช่น เมื่อ Application program มีการเรียกใช้งานเครื่องพิมพ์ โอเอสจะรู้ได้อย่างไร ว่า  เครื่องพิพ์แต่ละตัวนั้นทำงานอย่างไร โดยการติดต่อนี้จะติดต่อด้วยการขอใช้บริการผ่านทาง System call รู้ทีนต่างๆ ใน Kernel i\o subsystem เพื่อติดต่อใช้งานกับอุปกรณ์เหล่านั้น

     ดีไวซ์ไดร์ฟเวอร์หรือตัวขับอุปกรณ์ เป็นซอฟแวร์ชนิดหนึ่งทีทำหน้าทีจัดการเก็บฮาร์ดแวร์ โดยผู้ออกแบบโอเอสนี้ได้ทำการคิดแยกเอาควบคุมติดต่อกับอุปกรณ์ทั้งหลายออกจากตัวโอเอส โปรแกรมที่แยกออกมานี้มีหน้าที่ในการควบคุมติดกับอุปกรณืของมันเองซึ่งอุปกรณ์แต่ละตัวนั้นก็จะมีการควบคุมการติดต่อที่แตกต่างกัน ดังนั้นเมือโอเอสต้องการติดต่อกับอุปกรณ์ชนิดใด ก็จะติดต่อผ่านทางดีไวว์ไดรฟ์เวอร์ชนิดนั้น แล้วดีไวซไดร์ฟเวอร์นี้ก็จะไปติดต่อกับอุปกรณ์นั้นผ่านทางคอนโทรมเลอร์ของอุปกรณ์ชนิดนั้น เพื่อสามารถใช้งานอุปกรณ์เหล่านั้นได้ การติดต่อโอเอสกับอุปกรณ์นั้น จะมีการติดต่อด้วยมาตรฐานหรือรูปแบบด้วยการดังนี้

     จากรูปที่ 4.2 จะแสดงให้เห็นว่า โอเอสจะไม่จำเป็นที่จะต้องรู้ลักษณะการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ เหล่านั้นเลย กล่าวคือจะปล่อยให้เป็นหน้าที่ของตัวดีไวซ์ไดร์ฟเวอร์ของอุปกรณ์ ชิ้นนั้นด้วยโอเอสจะรู้การติดต่อและควบคุมอุปกรณ์ผ่านทางดีไวซ์ไดร์ฟเวอร์เท่านั้น

     ดังนั้นหากมีอุปกรณ์ใหม่ๆที่ต้องการใช้งาน  และโอเอสไม่รู้จักอุปกรณ์เหล่านั้น จึงเป็นสิ่งที่ง่ายมาก เพียงแค่นำโปรแกรมดีไวว์ไดร์ฟเวอร์ ของอุปกรณ์ชิ้นนั้นทำการติดตั้งเพิ่มเข้าไปในระบบ ก็จะได้ฟังก์ชันของรูทีนนั้นออยู่ในส่วนkernel i\o subsystem โดยไม่มีการเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับตัวโอเอสเลย และรูทีนหน้าที่การบริการต่างๆเหล่านี้ ผู้ใช้สามารถเรียกใช้บริการได้โดยผ่านทาง system call

     ยกตัวอย่างเช่น เครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ตรุ่นใหม่ เมื่อต่อกับเครื่องคอมพิวเตอร์เป้นที่เรียบรอยแล้ว จะไม่สามารถใช้งานได้เพราะระบบปิบัติการไม่รู้จักเครื่องพิมพ์รุ่นี้ตัวอย่างในระบบปฎิบัติการวินโดวส์ (windows) เมื่อมีอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์แปลกใหม่ต่อเข้ากับระบบประกอบกับระบบปฎิบัติการวินโดวส์นี้เป็นระบบแบบ plug and playที่สามารถตรวจสอบอุปกรณ์แปลกใหม่เมื่อระบบไม่รู้จักอุปกรณ์นั้นได้โยอัตโนมัติซึ่งจะแสดงข้อความว่ามี new hardware  จากนั้นก้ให้ทำการติดตั้งโปรแกรมดีไวซ์ไดร์ฟเวอร์ เพื่อให้ระบบปฎิบัติการสามารถจัดการกับเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ตรุ่นนั้นได้

I/O Hardware

         โดยพื้นฐานแล้วโอเอสสามารถติดต่อสื่อสารกับ I/O ฮาร์ดแวร์ตามช่องทางต่างๆดังนี้
     ๐ Port เช่น Serial Port, Parallell Port
     ๐ Bus เป็น Share Medium ที่ให้บริการส่งผ่านข้อมูลชนิดต่างๆ ร่วมกัน
     ๐ Controller เป็นอุปกรณ์ที่มีโปรเซสเซอร์ในตัว ทำให้ลดภาระการทำงานของซีพียู โดยซีพียูก็ไม่ต้องทำงานในรายละเอียด เพียงแต่สั่งให้ Controller นั้นทำงานแทน เช่น การ์ด VGA ที่มี Controller ในตัว จะสามารถคำนวณแสดงผลภาพกราฟฟิกที่ละเอียดทางจอภาพได้ เป็นการแบ่งเบาภาระการทำงานด้านการคำนวณให้กับซีพียู การทำงานในลักษณะนี้ CPU ก็จะต้อง Symchronize กับ Controller เหล่านั้นได้

     กฎของ ดร.จอห์น ฟอน นอยมานน์ กล่าวว่า ข้อมูลต่างๆ ในหน่วยความจำต้องสามารถ Addressable ได้ นั่นหมายความว่า การอ้างอิงข้อมูลหรืออุปกรณ์ใดๆ ก็ตามจะต้องมีแอดเดรส (Address) ในการอ้างอิง ดังนั้น I/O จะต้องมีแอดเดรสในซีพียูอ้างอิงในหน่วยความจำ ซึ่งซีพียูก็จะมีกลวิธีต่างๆ ในการอ้างอิง I/O Address เหล่านี้ ได้ 2 วิธีด้วยกัน คือ
     1.Direct I/O Instruction
     คือการติดต่อด้วยการใช้คำสั่ง (command) ที่แตกต่างกัน สมมุติว่ามี Address จำนวน 16 เส้น (4 บิต) ดังนั้น
     ๐ หน่วยความจำมี Address ตั้งแต่ 0-15
     ๐ I/O ก็มี Address ตั้งแต่ 0-15 เช่นกัน

     จากรูปที่ 4.5 จะเห็นได้ว่าหน่วยความจำและ I/O ต่างก็มีจำนวนและหมายเลข Address ที่เหมือนกัน แต่จะแยกความแตกต่างกันตรงที่ ถ้าซีพียูมีการร้องขอหน่วยความจำ จะใช้คำสั่ง Load/Store แต่ถ้าซีพียูร้องขอ I/O จะใช้คำสั่ง IN/OUT ดังนั้นทำให้สามารถแยกการทำงานด้วยการส่ง Signal หรือสัญญาณที่มีความแตกต่างกัน เช่น ซีพียู มีการอ้างอิง Address ในตำแหน่งที่ 8 ในตำแหน่งที่ 8 นี้ ทั้งหน่วยความจำปละ I/O ต่างก็มีหมายเลข Address นี้ แต่จะรู้ว่าเป็นคำสั่งของใครนั้นจะมีสัญญาณที่บ่งบอกถึงความแตกต่างว่าคำสั่งนี้เป็นของหน่วยความจำหรือคำสั่งนี้เป็นของ I/O ดังนั้นแบบ Direct I/O Instruction นี้จะใช้คำสั่งที่แตกต่างในการควบคุมการใช้งาน

         2. Memory-mapped I/O
     วิธีนี้จะมีการจัดแบ่ง Address ที่แตกต่างจากข้างต้น คือ หมายเลข Address จะแยกแบ่งส่วนการใช้งาน เช่น จำนวน Address ตั้งแต่ 0-15 นี้ จะมีการแบ่งแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง เช่น ในตำแหน่งที่ 0 ถึง 10 นี้เป็นของหน่วยความจำ ส่วน 11 ถึง 15 นี้เป็นของ I/O ดังนั้นในลักษณะนี้จะไม่ต้องใช้คำสั่ง (Command) ที่แตกต่าง เพราะว่าตำแหน่งของแต่ละ Address นั้นได้มีการอ้างอิงอุปกรณ์ใดๆ ที่แน่นอนแล้ว เช่น มีการอ้างอิง Address ในตำแหน่งที่ 14 ก็หมายถึง Address ของ I/O นั่นเอง

อ้างอิงที่มา : https://sites.google.com/site/rabbpdibatikar1/i-o-hardware

ข้อใดเป็นอุปกรณ์อินพุตทั้งหมด

Input output ทําหน้าที่อะไร

ข้อใดเป็นอุปกรณ์ที่สามารถเป็นได้ทั้งอุปกรณ์รับและแสดงผลข้อมูล

Input คืออะไร มีอะไรบ้าง