Waarom besturingssystemen randapparaten besturen:

* Bronnenbeheer: Een kernfunctie van het besturingssysteem is het beheren van gedeelde bronnen, en randapparatuur is een belangrijke bron. Zonder controle over het besturingssysteem zouden meerdere applicaties tegelijkertijd toegang tot hetzelfde apparaat kunnen proberen, wat kan leiden tot conflicten, gegevenscorruptie en systeeminstabiliteit. Het besturingssysteem arbitreert de toegang en zorgt ervoor dat slechts één proces (of zorgvuldig gecoördineerde processen) tegelijk met een apparaat communiceert.

* Abstractie en standaardisatie: Besturingssystemen bieden een abstractielaag (meestal via apparaatstuurprogramma's) die de complexiteit van de interactie met verschillende hardwareapparaten verbergt. Applicaties hoeven niet de ingewikkelde details te kennen van hoe een specifieke printer of netwerkkaart werkt. Ze communiceren met het besturingssysteem via een gestandaardiseerde API (Application Programming Interface), en het besturingssysteem vertaalt deze verzoeken via het apparaatstuurprogramma in apparaatspecifieke opdrachten. Dit vereenvoudigt de applicatieontwikkeling aanzienlijk en zorgt voor draagbaarheid tussen verschillende hardwareconfiguraties.

* Beveiliging: Directe, onbeperkte toegang tot hardware door applicaties kan leiden tot beveiligingsproblemen. Schadelijke software kan apparaten rechtstreeks manipuleren om de integriteit van het systeem in gevaar te brengen, ongeautoriseerde toegang tot gegevens te verkrijgen of zelfs de hardware te beschadigen. Het besturingssysteem dwingt toegangscontroles en machtigingen af, waardoor wordt beperkt welke applicaties kunnen communiceren met welke apparaten en welke bewerkingen ze kunnen uitvoeren.

* Foutafhandeling en herstel: Randapparatuur kan defect raken of fouten tegenkomen. Het besturingssysteem is verantwoordelijk voor het opsporen en afhandelen van deze fouten, het proberen om correct te herstellen en het indien nodig op de hoogte stellen van de applicatie (of de gebruiker). Zonder betrokkenheid van het besturingssysteem zou een fout in een randapparaat gemakkelijk het hele systeem kunnen laten crashen.

* Systeemstabiliteit: Het besturingssysteem voorkomt dat slecht geschreven applicaties de hardware rechtstreeks verstoren op een manier die het hele systeem zou kunnen destabiliseren. Als een applicatie crasht tijdens directe interactie met een apparaat, kan het apparaat in een inconsistente toestand achterblijven, waardoor opnieuw opstarten nodig is. Het besturingssysteem biedt een meer gecontroleerde omgeving, waardoor het risico op fouten op applicatieniveau die het hele systeem beïnvloeden, tot een minimum wordt beperkt.

Hoe besturingssystemen randapparatuur besturen (verschillende niveaus van "directheid"):

* Apparaatstuurprogramma's: Dit is het belangrijkste onderdeel. Apparaatstuurprogramma's zijn softwaremodules (vaak componenten in de kernelmodus) die generieke OS-opdrachten vertalen in apparaatspecifieke instructies en omgekeerd. Het besturingssysteem gebruikt het stuurprogramma om met de hardware te communiceren.

* Onderbrekingsafhandeling: Randapparatuur signaleert vaak de CPU wanneer ze aandacht nodig hebben (bijvoorbeeld als gegevens gereed zijn, er is een fout opgetreden) met behulp van interrupts. Het besturingssysteem heeft een interrupthandlerroutine die aan elk apparaat is gekoppeld. Wanneer er een interrupt optreedt, schort de CPU zijn huidige taak op, springt naar de interrupthandler, die de bron van de interrupt (het apparaat) bepaalt en passende actie onderneemt (meestal waarbij het stuurprogramma van het apparaat betrokken is).

* Geheugen-toegewezen I/O: Veel apparaten maken gebruik van geheugen-toegewezen I/O. Specifieke geheugenadressen worden toegewezen aan registers binnen het randapparaat. Het besturingssysteem (of een stuurprogramma dat in de kernelmodus draait) kan van deze geheugenadressen lezen of ernaar schrijven om het apparaat te besturen. Dit wordt beschouwd als een relatief 'directe' vorm van controle, maar wordt nog steeds gemedieerd door het besturingssysteem en de driver.

* Directe geheugentoegang (DMA): Sommige apparaten, vooral apparaten die grote hoeveelheden gegevens overbrengen (bijvoorbeeld harde schijven, grafische kaarten), hebben rechtstreeks toegang tot het systeemgeheugen zonder dat de CPU voor elke afzonderlijke byte erbij betrokken hoeft te worden. Het besturingssysteem configureert de DMA-controller met de bron- en bestemmingsgeheugenadressen, de overdrachtsgrootte en andere parameters. Eenmaal geconfigureerd, voert het apparaat de overdracht zelfstandig uit en wordt het besturingssysteem op de hoogte gesteld wanneer de overdracht is voltooid (meestal via een interrupt). DMA vermindert de CPU-belasting en verbetert de prestaties.

* Poorttoegewezen I/O (nu minder gebruikelijk): Sommige oudere systemen gebruikten poort-toegewezen I/O, waarbij apparaten toegankelijk waren via specifieke I/O-poorten. Het besturingssysteem zou speciale instructies kunnen gebruiken (zoals `IN` en `OUT` op x86) om van deze poorten te lezen of ernaar te schrijven. Deze methode is tegenwoordig minder gebruikelijk vanwege de voordelen van memory-mapped I/O.

Samengevat:

Hoewel applicaties doorgaans niet rechtstreeks met hardware communiceren, heeft het besturingssysteem zelf, vooral via apparaatstuurprogramma's, wel een niveau van "directe" controle. Deze controle is essentieel voor het beheer van hulpbronnen, de beveiliging en de stabiliteit en voor het bieden van een consistente en beheerbare interface voor toepassingen om te communiceren met randapparatuur. De mate van "directheid" varieert afhankelijk van de hardwarearchitectuur, het apparaattype en het ontwerp van het besturingssysteem. Het besturingssysteem fungeert als een cruciale tussenpersoon en zorgt ervoor dat randapparatuur efficiënt en veilig wordt gebruikt binnen het totale systeem.