Input/Output

1
Input/Output
2
Livelli del sottosistema di I/O
Modo utente
Software di I/O di livello utente
Software di sistema indipendente dal dispositivo
Modo kernel
Driver dei dispositivi
Gestori delle interruzioni
Hardware
3
I controllori dei dispositivi
Monitor
Bus

• La parte meccanica viene controllata da un
  controllore del dispositivo (device controller) o
  adapter

4
I controllori dei dispositivi (2)

• Esempio di controllore di una porta.

Dati da/per la periferica
Dispositivo
Unità di controllo
porta
Registro/i dati
Registro/i controllo
Controllore I/O
Bus controllo
Operazione / esiti
Bus indirizzi
Bus dati
5
I controllori dei dispositivi (3)

• Problema 1 come si accede ai registri dei
  controllori ?
• Si utilizzano istruzioni assembler speciali per
  lI/O (es. IN, OUT)
• ogni registro dei controllori è contraddistinto
  da un numero di porta di I/O es. IN R0, 4
• Si mappano i registri del controllore su
  particolari indirizzi di memoria, e si utilizzano
  le normali LOAD/STORE (memory mapped I/O)

6
Memory-Mapped I/O

• (a) Spazi di memoria ed I/O separati
• (b) Memory-mapped I/O
• (c) Modello ibrido

7
Accesso diretto alla memoria (DMA)

• Vari tipi di gestione delle interazioni con le
  periferiche
• a controllo di programma il processore esegue
  personalmente tutti i trasferimenti dalla RAM
  alle periferiche e viceversa
• in DMA (Direct Memory Access) linterfaccia può
  accedere direttamente alla RAM
• possibilità di trasferire dati mentre il
  processore elabora
• la periferica avverte quando ha finito con una
  interruzione

8
Accesso diretto alla memoria DMA (2)

• Operazioni effettuate durante un trasferimento
  DMA
• da notare memoria virtuale, pinning

9
Livelli del sottosistema di I/O
Modo utente
Software di I/O di livello utente
Software di sistema indipendente dal dispositivo
Modo kernel
Driver dei dispositivi
Gestori delle interruzioni
Hardware
10
Gestori delle Interruzioni (Interrupt Handlers)

• Tipicamente i driver sono bloccati in attesa che
  arrivi una interruzione dalla periferica che
  stanno controllando
• es il driver si blocca dopo aver iniziato una
  operazione di I/O
• Quando arriva una interruzione
• viene mandato in esecuzione il gestore delle
  interruzioni (GI) di quel tipo (selezionato in
  base al vettore di interruzione)
• GI sblocca il driver utilizzando un opportuno
  meccanismo di IPC

11
Gestori delle Interruzioni (2)

• Abbiamo già visto il meccanismo delle
  interruzioni in dettaglio. Le operazioni
  effettuate dai GI sono
• invocare la routine assembler che salva i
  registri del processo interrotto
• segnalare al controllore delle interruzioni
  quando può inviare una nuova interruzione
• svegliare il driver opportuno
• chiamare lo scheduler
• invocare la routine assembler che carica il nuovo
  processo
• I GI usano uno stack a parte nel kernel

12
Livelli del sottosistema di I/O
Modo utente
Software di I/O di livello utente
Software di sistema indipendente dal dispositivo
Modo kernel
Driver dei dispositivi
Gestori delle interruzioni
Hardware
13
Driver dei Dispositivi (1)
14
Driver dei Dispositivi (2)

• Il driver di un dispositivo è la parte del
  sistema operativo che interagisce con il
  dispositivo
• legge/scrive i registri di controllo
• tratta le caratteristiche a basso livello
• fornisce una interfaccia astratta del dispositivo
  indipendente dai dettagli hw al resto del sistema
  operativo
• tipicamente è sviluppato dal costruttore del
  dispositivo ()

15
Driver dei Dispositivi (3)

• Tipico funzionamento di un driver
• 1. Inizializza il dispositivo
• 2. Accetta richieste di operazioni e ne controlla
  la correttezza
• 3. Gestisce le code delle richieste che non
  possono essere subito servite
• 4. Sceglie la prossima richiesta da servire e la
  traduce in una sequenza S di comandi a basso
  livello da inviare al controllore
• 5. Trasmette i comandi in S al controllore
  eventualmente bloccandosi in attesa del
  completamento dellesecuzione di un comando
• 6. Controlla lesito di ciascun comando gestendo
  eventuali errori
• 7. Invia lesito delloperazione ed eventuali
  dati al richiedente

16
Driver dei Dispositivi (4)

• Tipicamente le interfacce astratte fornite dai
  driver vengono classificate in due categorie
  principali
• interfacce a blocchi (block-oriented)
• la lettura/scrittura sul dispositivo fisico
  avviene un blocco alla volta,
• tipicamente i dati scritti vengono bufferizzati
  nel SO finchè non si raggiunge lampiezza di un
  blocco
• es dischi, nastri

17
Driver dei Dispositivi (5)

• Tipicamente le interfacce astratte fornite dai
  driver vengono classificate in due categorie
  principali (cont.)
• interfacce a caratteri (character-oriented)
• la lettura/scrittura sul dispositivo fisico
  avviene un carattere alla volta,
• non cè bufferizzazione,
• es tipicamente tastiera, mouse,
• es si possono avere interfacce a caratteri
  anche per dischi, nastri

18
Driver dei Dispositivi (6)

• Alcuni driver possono fornire sia interfaccia a
  caratteri che a blocchi
• es. driver del disco
• Le interfacce fissano un insieme di chiamate di
  funzioni standard fornite da tutti i driver che
  le implementano
• es. tutti i driver che forniscono una interfaccia
  a blocchi forniscono una implementazione di una
  funzione read() per scrivere/leggere blocchi con
  formato fissato

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Livelli del sottosistema di I/O
Modo utente
Software di I/O di livello utente
Software di sistema indipendente dal dispositivo
Modo kernel
Driver dei dispositivi
Gestori delle interruzioni
Hardware
20
Software di I/O Indipendente dal dispositivo (1)

• Funzioni del software di I/O indipendente dal
  dispositivo
• fornire funzionalità di sistema ai driver
  attraverso una interfaccia uniforme
• es. allocazioni di memoria, etc.
• bufferizzare le informazioni
• segnalare, gestire errori
• allocare e rilasciare le risorse
• .

21
Software di I/O Indipendente dal dispositivo (2)

• Accetta le richieste dal livello utente e invoca
  il driver opportuno utilizzando le funzioni di
  interfaccia
• problema come si risale dal nome del
  dispositivo al driver?
• Fornisce un insieme uniforme di funzioni
  invocabili da chi scrive il driver
• allocazione di aree di memoria fisica contigua
  per i buffer
• interazione con il controllore DMA, la MMU

22
Software di I/O Indipendente dal dispositivo (3)

• Gestisce la bufferizzazione dove necessario
• (a) Input non bufferizzato, un interrupt per
  carattere (inefficiente)
• (b) Input bufferizzato in spazio utente, (occupa
  RAM utente)
• (c) Input bufferizzato nel kernel, seguito da una
  copia in spazio utente (se la seconda è lenta si
  possono ancora perdere info)
• (d) Doppia bufferizzazione nel kernel

23
Software di I/O Indipendente dal dispositivo (4)

• La bufferizzazione può portare a molte copie
  durante il cammino dei dati!

24
Livelli del sottosistema di I/O
Modo utente
Software di I/O di livello utente
Software di sistema indipendente dal dispositivo
Modo kernel
Driver dei dispositivi
Gestori delle interruzioni
Hardware
25
Software di I/O in spazio utente

• Funzionalità del software di I/O che gira in
  spazio utente
• librerie linkabili da programmi utente (es.
  stdio, unistd ...)
• passano i parametri alle SC nel modo giusto
• gestiscono la formattazione (es. printf()..)
• spooling
• processo utente (demone di stampa)
• directory di spool (in cui lutente copia il file
  da stampare)

26
Alcuni esempi di dispositivi

• Disco rigido, RAID, video

27
Hardware del disco (1)
Testine (una per superfice)
Braccio (direzioni movimento)
1
Superfici
0

• Struttura di un disco rigido

28
Hardware del disco (2)
settore
Unità minima di informazione leggibile/scrivibile
Ampiezza standard 512 byte
traccia

• Ogni superficie è divisa in tracce concentriche
  (una per ogni possibile posizione della testina)

29
Hardware del disco (3)

• Geometria fisica di un disco con due zone
• Una possibile geometria virtuale per lo stesso
  disco

30
RAID

• Redundant Array of Independent Disks
• Sfrutta il parallelismo per rendere laccesso al
  disco più veloce
• Il controllore RAID mostra larray come un unico
  disco al resto del sistema
• I dati sono distribuiti sui dischi in modo da
  favorire le letture parallele di parti dello
  stesso file
• diverse strategie RAID livello 0, 1, .

31
Hardware di un RAID
Ogni strip è una fetta di k settori consecutivi
Dischi di backup
Bit di parità
32
Hardware di un RAID (2)
Drive di parità
La parità viene calcolata come XOR delle stripe
corrispondenti
Distribuisce anche le parità
33
Formattazione del disco

• Formattazione a basso livello Struttura di un
  settore

ECC
dati
preambolo
dati
Permette alla testina di capire che sta iniziando
un nuovo settore, fornisce il numero del settore
etc
Codici correttori di errore dati in più per
accorgersi se la lettura è andata bene
34
Formattazione del disco (2)
Una illustrazione del cylinder skew (pendenza
del cilindro)
35
Formattazione del disco (3)
Senza Interleaving
Doppio Interleaving
Singolo Interleaving

• Se il controllore dispone di buffer limitato (un
  settore) è necessario tenerne conto nella
  formattazione
• Controllori più moderni hanno buffer di almeno
  una traccia

36
Formattazione del disco (4)

• Partizionamento tipicamente nei PC
• Master Boot Record (settore 0)
• Codice di boot, tabella delle partizioni
• partizione di boot marcata attiva
• Formattazione ad alto livello
• inserisce un file system vuoto nella partizione
• boot block (primo blocco della partizione)
• Al boot
• BIOS carica ed esegue MBR
• caricamento boot block della partizione attiva
• caricamento ed esecuzione SO memorizzato nella
  partizione

37
Gestione dello spazio disco (1)

• Praticamente tutti i file system
• dividono i file in blocchi di ampiezza fissata ed
  eseguono letture e scritture su blocchi o
  multipli
• i blocchi non sono contigui su disco
• Problema 1 come scegliere lampiezza del
  blocco?
• Blocchi piccoli usano meglio lo spazio disco
• diminuiscono la frammentazione interna
• Blocchi grandi velocizzano gli accessi
• diminuiscono seek e rotational delay

38
Alcuni esempi di dispositivi (2)

• Disco rigido, RAID

39
Hardware del disco (2)

• Parametri del floppy disk del PC originale di IBM
  (anni 80) e di un disco rigido Western Digital WD
  18300 (2000)

40
Algoritmi di scheduling per il braccio (1)

• Il tempo necessario per leggere o scrivere un
  blocco è determinato da tre fattori
• Tempo di seek
• Ritardo rotazionale (Rotational Delay)
• Tempo di trasferimento vero e proprio
• Ad una nuova richiesta RD deve essere pagato
  comunque
• Il tempo di seek dipende dalla distanza
• viene ottimizzato dagli alg. di scheduling

41
Algoritmi di scheduling per il braccio (2)
Richieste pendenti
Posizione iniziale

• Lalgoritmo di scheduling Shortest Seek First
  (SSF)

42
Algoritmi di scheduling per il braccio (3)
Posizione iniziale

• Lalgoritmo di scheduling dellascensore

43
Gestione dello spazio disco

• Problema 2 come tenere traccia dei blocchi
  liberi su disco ?
• Free list
• lista concatenata di blocchi pieni di indirizzi
  di blocchi liberi
• Bitmap
• una mappa di bit con un bit per ogni blocco
• es. 0 blocco libero, 1 blocco in uso
• mantiene la contiguità dei blocchi (allocare un
  file su blocchi vicini diminuisce il tempo di
  seek in letture consecutive

44
Gestione dello spazio disco (3)
Bitmap
Free list
45
Affidabilità di un file system

• Problemi legati allhw del disco
• settori difettosi
• sostituzione con spare sectors
• blocchi corrotti
• raccolti in file fittizi (bad block files)

46
Gestione degli errori del disco

• Una traccia con un settore difettoso
• Sostituzione del settore difettoso con un settore
  di riserva
• Slittamento dei settori per evitare quello
  difettoso

47
Affidabilità di un file system (2)

• Backup periodici
• copia delle informazioni del FS per poterle
  utilizzare in caso di
• crash del disco, alluvioni etc ...
• cancellazioni accidentali
• backup fisico
• si copiano tutti i blocchi del disco (su tape o
  altro)
• backup logico
• si copiano file e directory modificati dopo una
  certa data