Input/Output

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

I controllori dei dispositivi Monitor Bus La parte meccanica viene controllata da un controllore del dispositivo (device controller) o adapter

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

I controllori dei dispositivi (3) Problema 1 : come si accede ai registri dei controllori ? Si utilizzano istruzioni assembler ‘speciali’ per l’I/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)

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

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) l’interfaccia può accedere direttamente alla RAM possibilità di trasferire dati mentre il processore elabora la periferica avverte quando ha finito con una interruzione

Accesso diretto alla memoria DMA (2) Operazioni effettuate durante un trasferimento DMA da notare: memoria virtuale, pinning

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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

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

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Driver dei Dispositivi (1)

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 (…)

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 dell’esecuzione di un comando 6. Controlla l’esito di ciascun comando gestendo eventuali errori 7. Invia l’esito dell’operazione ed eventuali dati al richiedente

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 l’ampiezza di un blocco es : dischi, nastri …

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 c’è bufferizzazione, es : tipicamente tastiera, mouse, es : si possono avere interfacce a caratteri anche per dischi, nastri

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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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 ….

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

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

Software di I/O Indipendente dal dispositivo (4) La bufferizzazione può portare a molte copie durante il cammino dei dati!

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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 l’utente copia il file da stampare)

Alcuni esempi di dispositivi Disco rigido, RAID, video

Struttura di un disco rigido Hardware del disco (1) Testine (una per superfice) Braccio (direzioni movimento) 1 Superfici Struttura di un disco rigido

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)

Hardware del disco (3) Geometria fisica di un disco con due zone Una possibile geometria virtuale per lo stesso disco

RAID Redundant Array of Independent Disks Sfrutta il parallelismo per rendere l’accesso al disco più veloce Il controllore RAID mostra l’array 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, ….

Ogni strip è una fetta di k Hardware di un RAID Ogni strip è una fetta di k settori consecutivi Dischi di backup Bit di parità

Hardware di un RAID (2) Drive di parità La parità viene calcolata come XOR delle stripe corrispondenti Distribuisce anche le parità

Formattazione del disco Formattazione a basso livello : Struttura di un settore preambolo dati dati ECC 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

Formattazione del disco (2) Una illustrazione del cylinder skew (pendenza del cilindro)

Formattazione del disco (3) Senza Interleaving Singolo Interleaving Doppio 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

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

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 l’ampiezza del blocco? Blocchi piccoli usano meglio lo spazio disco diminuiscono la frammentazione interna Blocchi grandi velocizzano gli accessi diminuiscono seek e rotational delay

Alcuni esempi di dispositivi (2) Disco rigido, RAID

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)

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

Algoritmi di scheduling per il braccio (2) Posizione iniziale Richieste pendenti L’algoritmo di scheduling Shortest Seek First (SSF)

Algoritmi di scheduling per il braccio (3) Posizione iniziale L’algoritmo di scheduling “dell’ascensore”

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

Gestione dello spazio disco (3) Free list Bitmap

Affidabilità di un file system Problemi legati all’hw del disco settori difettosi sostituzione con spare sectors blocchi corrotti raccolti in file fittizi (bad block files)

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

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