Input/Output

Input Output
Principi di gestione dell’hardware di I/O Dispositivi di I/O Gestione dei dischi magnetici Altri dispositivi
Principi dell‘hardware di I/O
Dispositivi
Velocità di trasferimento
Keyboard
10 bytes/sec
Mouse
100 bytes/sec
56K modem
7 KB/sec
Scanner at 300 dpi
1 MB/sec
Digital camcorder
3.5 MB/sec
4x Blu-ray disc
18 MB/sec
802.11n Wireless
37.5 MB/sec
USB 2.0
60 MB/sec
FireWire 800
100 MB/sec
Gigabit Ethernet
125 MB/sec
SATA 3 disk drive
600 MB/sec
USB 3.0
625 MB/sec
SCSI Ultra 5 bus
640 MB/sec
Single-lane PCIe 3.0
bus
Thunderbolt 2 bus
985 MB/sec
SONET OC-768
network
5 GB/sec
Sistemi Operativi 15/16
•
L'hardware di I/O può essere descritto a vari
livelli
– Ingegneri elettronici
– Programmatori
– Sistema operativo
•
Quali sono i moduli che gestiscono l'hardware?
– Interfaccia applicativa di I/O
– Sottosistema del kernel per I/O
– Trasformazione di richiesta di I/O in operazioni
hardware
•
Aspetto importante: le prestazioni
2.5 GB/sec
Input Output
2
Dispositivi di I/O
•
Si distinguono due categorie di dispositivi:
1. dispositivi a blocchi
•
•
•
•
•
•
Blocco da 512 byte a 64K
Ogni blocco può essere letto e scritto indipendentemente dagli altri.
Ogni blocco è identificato da un indirizzo
I comandi comprendono read, write, seek
L'accesso ai file viene fatto tramite mappatura in memoria
Ove possibile l’accesso viene fatto a basso livello oppure con un sistema di
file system
2. dispositivi a caratteri
• Un dispositivo a carattere non è indirizzabile e non ha alcuna primitiva di
posizionamento (seek)
• I comandi comprendono get e put
• L'editing di linea è possibile mediante librerie ad hoc
•
•
Non tutti i dispositivi di I/O ricadono in questa tassonomia
(timer, display mappati in memoria)
È fondamentale che il S.O. possa gestire l'I/O
indipendentemente dal dispositivo
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
3
I controllori di dispositivo
•
•
Le unità di I/O: componente elettronica e meccanica
La parte elettronica è gestita dal controllore di
dispositivo o adattatore
• Esempi: controllori
– IDE (Integrated Drive Electronics)
• (P)ATA ((Parallel) AT Attachment)
– SCSI (Small Computer System Interface)
– SATA (Serial Advanced Technology Attachment)
• Spesso i controllori sono integrati sulle schede madri
• Uso di buffer per blocco o sequenze di caratteri
Interfaccia
Controllore-dispositivo
CPU
Memoria
Dischi
Stampante
Controllore
del disco
Controllore
stampante
Altri
controllori
Bus di sistema
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Input Output
4
Tipica struttura del bus di un PC
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
5
I/O
•
•
•
Ogni controllore usa un insieme di registri per comunicare
con la CPU
Su alcuni computer (es. 680x0) i registri sono nel normale
spazio di indirizzamento della memoria (I/O mappato in
memoria)
In altri casi si utilizza uno spazio di indirizzamento separato
– Esiste anche un approccio misto
•
Il S.O effettua l'I/O scrivendo nei registri del controllore
Porte di I/O
Memoria
Buffer di I/O
Memoria
Memoria
Porte di I/O
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
Porte di I/O
6
Accesso diretto in memoria (DMA)
•
•
•
•
Viene usato per evitare l'I/O programmato e per grandi
trasferimenti di dati
Richiede un controller di DMA: si trova concettualmente tra la
CPU e la memoria
Fisicamente è collegato a memoria e CPU tramite bus
Consente di scaricare la CPU dal compito di trasferire dati tra
il dispositivo di I/O e la memoria
Disco
CPU
Controllore
del
disco
Memoria
Valore
del
contatore
Sistemi Operativi 15/16
Buffer
Registri DMA
Indirizzo di memoria
Contatore
Input Output
7
I/O gestito da interrupt
•
•
Al termine di ogni operazione di I/O corrisponde un segnale
rilavato dal controllore di interrupt
Se non vi sono altre interruzioni in corso la richiesta viene
gestita immediatamente, altrimenti viene momentaneamente
ignorata
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
8
I/O programmato
copia_da_utente(buffer, p, contatore);
for(c=0; c<contatore; c++) {
while(*stato_stampante != PRONTO);
*registro_dati_stampante = p[c];
}
ritorna_a_utente();
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
9
I/O guidato dalle interruzioni
// codice chiamata di sistema
copia_da_utente(buffer, p, contatore);
abilita_interruzioni();
while(*stato_stampante != PRONTO);
*registro_dati_stampante = p[0];
Scheduler();
// codice di servizio di ogni interupt
if(contatore == 0) {
sblocca_utente();
} else {
*registro_dati_stampante = p[c];
contatore = contatore – 1;
c = c + 1;
}
acknowledge_interruzione();
ritorna_da_interruzione();
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
10
I/O tramite DMA
// codice chiamata di sistema
copia_da_utente(buffer, p, contatore);
imposta_controllore_DMA();
scheduler();
// codice di servizio interupt
acknowledge_interruzione();
sblocca_utente();
ritorna_da_interruzione();
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
11
Device Driver
•
•
•
•
•
•
Contiene tutto il software dipendente dal dispositivo
Impartisce i comandi al controllore e ne verifica il corretto
funzionamento
Accetta richieste astratte indipendenti dal dispositivo e le
traduce in istruzioni dipendenti
Scrive nei registri del controllore
Il gestore può essere bloccato oppure no. Nel primo caso
viene risvegliato da un interrupt
Dopo il completamento della operazione di I/O il gestore deve
controllare la correttezza dell'operazione
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
12
SW di I/O indipendente dal dispositivo
•
•
•
•
•
•
•
•
Interfacciamento uniforme dei device driver
Assegnamento dei nomi ai dispositivi
Protezione dei dispositivi
Dimensione del blocco indipendente dal dispositivo
Buffering
Allocazione della memoria per i dispositivi a blocchi
Allocazione e rilascio di dispositivi dedicati
Informazioni sugli errori
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
13
Buffering
(a) Input senza uso di buffer
(b) Uso di buffer nello spazio utente
(c) Uso di buffer nello spazio del kernel seguito dalla copia nello
spazio utente
(d) Doppio buffer nel kernel
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
14
Livelli del software di I/O
Livello
Funzioni di I/O
Eseguire chiamate di I/O,
formattazione I/O, spooling
Processi utente
Software indipendente
dal dispositivo
Driver di dispositivo
Gestore delle
interruzioni
Hardware
Richiesta di I/O
Sistemi Operativi 15/16
Gestione dei nomi, protezione,
bufferizzazione, allocazione
Impostazione registri, controllo dello
stato
Attivazione del driver quando l’I/O è
completato
Eseguire le operazioni di I/O
Risposta di I/O
Input Output
15
Clock
•
•
•
•
I clock o timer servono per gestire il timesharing, per la CPU e
per tutta la gestione dei segnali
il software per gestire il clock è considerato un device driver
I clock più semplici sono collegati all'alimentazione (una
interruzione a ogni ciclo di tensione, 50 o 60 Hz)
I clock più complessi sono composti da un oscillatore, un
contatore e un registro di caricamento (per quelli
programmabili)
In genere poi vi è un clock di riserva alimentato a batteria
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
16
Software del clock
•
•
L'hardware genera solo una interruzione ad intervalli definiti
Qualunque altra attività deve essere gestita via software
generalmente il driver del clock gestisce
– L'ora di sistema
– La temporizzazione dei processi
– L'addebito della CPU
– Meccanismi di allarme ed attesa
• La gestione degli allarmi può essere fatta tramite una lista ordinata delle
richieste di clock pendenti
– Funzioni statistiche
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
17
Ora di sistema
•
L'ora di sistema (tempo reale) viene normalmente gestita
tramite un contatore che misura i tick a partire da un istante di
riferimento (per UNIX 1 gennaio 1970)
– con un contatore a 32 bit ed una frequenza di clock di 60Hz in due
anni si ha un overflow per cui in genere si utilizzano due contatori
• contando solo i secondi un contatore è sufficiente per 136 anni, per avere
l'equivalente del millenium bug bisogna aspettare fino al ventiduesimo
secolo (ma se considero il segno diventa critico il 19 gennaio 2038), in
questo caso il numero di tick del secondo corrente viene misurato a parte
•
Un diverso approccio consiste nel contare i tick, dall'istante di
avvio del sistema
– se il sistema rimane attivo più di due anni si ha overflow
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
18
Dischi magnetici
Struttura
Algoritmi di scheduling
Dischi RAID
CD-Rom
Dischi magnetici
•
È il dispositivo principale di memorizzazione di massa
– memoria non volatile
– ottima capacità a prezzi ragionevoli
– accesso casuale
– tempi di accesso abbastanza lunghi (ordine ms)
•
Dischi a stato solido
– durata di vita più breve
– più costosi
– accesso casuale uniforme
• non hanno bisogno di deframmentazione
– tempi di accesso più brevi (decimi di ms)
– bassa (o nulla) rumorosità
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
20
Schema funzionale di un disco
●
Componenti elettronici (il controller)
● Conversione analogico-digitale dei segnali
● Strutturazione dei dati (byte, word, blocchi)
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
21
Struttura logica di un disco
•
•
•
tracce
cilindri
settori
– all'interno di una traccia
– qualche centinaio sui dischi rigidi
– a dimensione fissa o variabile
•
blocchi
– unità di trasferimento tra disco e memoria
– deve essere compatibile con le dimensioni dei settori
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
22
Esempio floppy
•
•
•
•
•
•
•
•
40 cilindri per disco
2 tracce per cilindro
9 settori per tracce
720 settori per disco
512 byte per settore
360 KB per disco
128 byte per settore
175 KB per disco
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
23
Tempi di accesso a un disco rigido
1)
2)
3)
4)
Tempo di seek

tempo necessario per muovere la testina sul cilindro

alcuni millisecondi (2-10 ms)
Tempo di latenza

tempo necessario affinché il settore sia sotto la testina

dipende dalla velocità di rotazione
7200 rpm (giri al minuto) = 120 rps
1/120 sec/giro = 8.3 ms/giro
Tempo di trasferimento

è proporzionale all'ammontare dell'informazione trasferita

se una traccia ha 100 blocchi, è pari a 1/100 del tempo di
rivoluzione per blocco
Tempo medio di accesso

tempo medio di seek + tempo medio di latenza + tempo medio di
trasferimento
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
26
DMA e accesso ai dischi
•
Un controllore che supporta l'accesso DMA deve avere al suo
interno:
– I registri DMA
– Un buffer
– I controllori più semplici non riescono a gestire l'input e l'output
simultanei: riescono a leggere un blocco ogni due
– Per leggere due settori consecutivi sono necessari due rotazioni
– Si ovvia a questo inconveniente con la tecnica di Interleaving
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
27
Interleaving
•
La numerazione logica dei settori è diversa dall'ordinamento
fisico, saltando un (o più) settore si lascia il tempo per il
trasferimento dati del precedente
6
5
7 0
4 3
1
2
3
6
7 0
2 5
4
1
2
7
5 0
4 1
3
6
Pendenza di cilindro
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
28
Algoritmi di scheduling del disco
•
•
•
Al disco arrivano delle richieste di lettura - scrittura generate
dai processi
Tali operazioni possono essere concorrenti o no
A prescindere dalla concorrenza, occorre stabilire l'ordine con
cui si evadono le richieste al disco
È compito del sistema operativo
Algoritmi possibili:
– First-Come-First-Served (FCFS)
– Shortest Seek Time First (SSTF)
– SCAN
– C-SCAN
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
29
Algoritmo FCFS
•
•
Le richieste sono evase a seconda del loro tempo di arrivo
facilità d'implementazione
– Modellizzazione: coda FIFO o tabelle indicizzate
•
•
non introduce problemi di starvation
performance
– basse prestazioni per accessi frequenti
– è sufficiente per sistemi mono-utente
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
30
Confronto di algoritmi
La valutazione si basa su un modello di richieste
• distanza totale che deve compiere la testina
• tempo richiesto (proporzionale alla distanza)
• tempi di latenza e di trasferimento vengono ignorati
– perché non possono essere sotto il controllo del S.O
– dipendono dall'hardware e dall'ammontare dei dati trasferiti
Occorre conoscere le condizioni iniziali
• posizione iniziale
• direzione di spostamento
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
31
Algoritmo FCFS
sequenza di riferimento: 39 11 75 50 85 52 66
• condizioni iniziali: traccia 45, velocità 10 tracce/ms in
direzione di tracce crescenti
0
11
39 45 50 52 66
+
+
75
28
+
25
Sequenza di riferimento:+
35
39 11 75 50 85 52 66
Movimenti della testina 205
+
33
14 +
Input Output
99
Distanza Tempo
+
6
64
Sistemi Operativi 15/16
85
+
6
0.6
34
3.4
98
9.8
123
12.3
158
15.8
191
19.1
205
20.5
32
Algoritmo SSTF
•
si evade la richiesta che richiede il tempo di seek inferiore a
partire dalla posizione corrente
– di solito si comporta meglio del FCFS
– si può verificare la starvation: le richieste lontane dal centro
ottengono un pessimo servizio
0
11
39 45 50 52 66
+
5
Sequenza di riferimento:
39 11 75 50 85 52 66
+
+2
+
99
5
7
13
20
47
+
9
56
+ 10
+
66
140
74
Movimenti totali della testina: 140
+
Sistemi Operativi 15/16
85
Distanza
27
Sequenza di servizio:
50 52 39 66 75 85 11
75
Input Output
33
Algoritmo dell’ascensore (SCAN)
•
•
la testina si muove da un'estremità all'altra del disco,
una variante (LOOK) non sposta la testina fino alla fine ma
solo se necessario per soddisfare le richieste pendenti,
altrimenti inverte subito il movimento della testina
esiste un limite superiore al movimento della testina:
– uno spostamento di due volte il numero di tracce necessariamente
permette di soddisfare qualunque coda di richieste
•
performance molto buone per carichi elevati
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
34
Algoritmo SCAN
0
11
39
45
+
5
50 52
66
75
+
2 +
5
7
+
Sequenza di riferimento:
39 11 75 50 85 52 66
21
9
Movimento totale della testina 142
Sistemi Operativi 15/16
40
+
14
60
+
30
+
10
46
+
99
Distanza
14
28
85
+
54
86
114
114
142
Sequenza di servizio:
50 52 66 75 85 39 11
Input Output
35
Algoritmo C-SCAN
•
•
La scansione è sempre nella stessa direzione
Tempi di attesa più uniformi rispetto allo SCAN
– Esiste la variante C-LOOK
0
11
39 45
+
5
50 52
66
75
85
99
Distanza
+
2 +
14
Sequenza di riferimento:
39 11 75 50 85 52 66
Movimento totale della testina 192
5
7
+
21
9
+
10
30
40
+
14
+
11
+
28
Sistemi Operativi 15/16
+
99
Sequenza di servizio:
50 52 66 75 85 11 39
Input Output
+
54
153
164
192
36
Scelta di un algoritmo
•
•
•
•
•
•
Le prestazioni dipendono dal numero e dal tipo di richieste
È una grande semplificazione alcuni algoritmi di basso livello
sono implementati dal controller quindi sfuggono dal
controllo del SO
La posizione dei blocchi indice sono importanti
Le informazioni più utilizzate sono messe nelle tracce centrali
L'allocazione di file influenza le prestazioni
Può essere utile mettere in cache una traccia intera
– vantaggio: si ottimizzano le prestazioni (meno trasferimenti)
– la cache può essere gestita dal dispositivo o dal sistema
operativo
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
37
Gestione degli errori su disco
•
Generalmente è il driver del disco che gestisce gli errori che
possono essere:
– errori di programmazione (richiesta di settori inesistenti)
– errori di checksum (transitori)
– errori di checksum (permanenti)
– errori di posizionamento (recalibrate)
•
Gestione dei settori danneggiati
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
39
RAID
•
Redundant Array of Independent/Inexpensive Disk
– più dischi sono combinati in unico disco logico gestito dal
sistema operativo
– ogni disco contiene una fetta (strip) dei dati
RAID può essere realizzato a livello di SO o di dispositivo
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
40
RAID 0 (non-ridondante)
•
•
Alta capacità di trasferimento dati, se i trasferimenti
riguardano grandi quantità di dati logici contigui
Basso tempo di risposta, se il numero di richieste è alto per
piccole quantità di dati
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
42
RAID 1 (mirrored)
•
•
•
presenta il vantaggio collaterale di permettere una velocità
di lettura doppia
le operazioni di scrittura sono doppie, ma parallele
è facile sostituire componenti difettose
Disco 0
Disco 1
Backup
Backup
Dati
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
Dati
43
RAID 2
•
•
•
Memorizzazione ridondante tramite un codice Hamming
Buon trasferimento di dati, scarsa frequenza di accesso
I dischi spesso sono sincronizzati
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
44
RAID 3
•
•
Un solo bit di parità
Buon trasferimento di dati, scarsa frequenza di accesso
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
45
RAID 4
•
•
•
Parità di blocco (come RAID 0 + parità)
Trasferimento di dati non ottimo
Possibile collo di bottiglia sul disco di parità
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
46
RAID 5
•
La parità è distribuita
RAID 6 – aggiunge maggiore ridondanza, può
gestire guasti su più dischi
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
47
RAID 0 + 1
•
•
Il livello 0 fornisce le prestazioni
Il livello 1 l'affidabilità
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
48
RAID 1 + 0
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
49
Struttura di un CD o CD-ROM
Velocità costante
lungo la spirale
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
52
Struttura logica dei dati
2048 byte su 7203 (588*98/8)
153600 byte/s (X1)
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
53
Esercizi
Scheduling del disco
Scheduling del disco
Analizzare la successione di accessi alle tracce con gli algoritmi
SSTF, SCAN, C-LOOK
20, 51, 8, 75, 37, 96
posizione iniziale 65, verso le tracce alte, il numero totale di
tracce è 100.
Valutare il tempo necessario per l'evasione delle richieste, se
sono necessari 0.1 ms per lo spostamento da una traccia a
quella contigua.
Cosa cambia se dopo 3 ms arrivano le seguenti richieste?
35, 83
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
56
Scheduling del disco
FCFS: (65,) 20, 51, 8, 75, 37, 96, [35, 83]
SSTF: (65,) 75, 96, [83], 51, 37, [35], 20, 8
SCAN: (65,) 75, 96, 99, [83], 51, 37, [35], 20, 8
C-SCAN: (65,) 75, 96, 99, 0, 8, 20, [35], 37, 51, [83]
LOOK: (65,) 75, 96, [83], 51, 37, [35], 20, 8
C-LOOK: (65,) 75, 96, 8, 20, [35], 37, 51, [83]
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
57
Scheduling del disco
FCFS: (65,) 20, 51, 8, 75, 37, 96, [35, 83]
SSTF: (65,) 75, 96, [83], 51, 37, [35], 20, 8
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
59
Scheduling del disco
SCAN: (65,) 75, 96, 99, [83], 51, 37, [35], 20, 8
LOOK: (65,) 75, 96, [83], 51, 37, [35], 20, 8
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
60
Scheduling del disco
C-SCAN: (65,) 75, 96, 99, 0, 8, 20, [35], 37, 51, [83]
C-LOOK: (65,) 75, 96, 8, 20, [35], 37, 51, [83]
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
61
Scheduling del disco
Analizzare la successione di accessi con l'algoritmo SSTF
45 61 31 55 91 98 34
posizione iniziale 40, il numero totale di tracce è 100.
Valutare il tempo necessario per l'evasione delle richieste, se
sono necessari 0.1 ms per lo spostamento da una traccia a
quella contigua.
Cosa cambia se dopo 2 ms arriva la richiesta 70?
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
62
Scheduling del disco
SSTF: (40,) 45 55 61 34 31 91 98
SSTF: (40,) 45 55 61 70 91 98 34 31 (considerando 70)
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
63
Scheduling del disco
Schedulazione del disco: analizzare la successione di accessi
alle tracce con gli algoritmi SSTF, LOOK
159, 97, 183, 49, 128, 7, 130, 32, 120
posizione iniziale 69, il movimento è verso le tracce alte, le tracce
sono numerate da 0 a 199.
Valutare il tempo necessario per l'evasione delle richieste, se è
necessario un tempo di 0.1 ms per lo spostamento da una traccia
a quella contigua, le ultime 3 richieste arrivano dopo 6ms.
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
64
Scheduling del disco
159, 97, 183, 49, 128, 7 - 130, 32, 120
Sistemi Operativi 15/16
Input Output
65