Sistemi Operativi. Input/Output

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1 Input/Output 1

2 Dispositivi di I/O Human readable Usati per interagire con esseri umani Stampanti Terminali video Tastiera Topi 2

3 Dispositivi di I/O Machine readable Usati per le comunicazioni tra apparati elettronici Dischi e nastri Sensori Controller 3

4 Dispositivi di I/O Di comunicazione Usati per la connessione tra apparati Schede di rete Modem 4

5 Dispositivi di I/O 5

6 Device Controller I dispositivi di I/O hanno Una componente meccanica Una componente elettronica La componente elettronica viene indicata come device controller Solitamente può gestire più dispositivi Le operazioni svolte dal device controller sono Convertire stringhe di bit in blocchi di byte In un buffer interno Effettuare la correzione di errori Dialogare con la memoria 6

7 Modelli di gestione dell I/O a. Registri di I/O e spazio di memoria separati Istruzioni speciali per accedere ad I/O port b. Memory-mapped I/O Registri di I/O come indirizzi qualunque di memoria c. Sistema ibrido Buffer dati mappati in memoria, registri di controllo come I/O port 7

8 I/O Memory-Mapped a. architettura single-bus b. architettura dual-bus 8

9 I/O Memory-Mapped Vantaggi Usa istruzioni standard Driver scrivibili completamente in C Non richiede meccanismi di protezione ad hoc Lo spazio degli indirizzi di I/O non fa mai parte dello spazio virtuale utente Device diversi su pagine diverse Tutte le istruzioni che operano sulla memoria operano anche sui registri di I/O Svantaggi Il caching deve essere disabilitabile selettivamente Con architetture single bus tutti esaminano tutti gli indirizzi sul bus Con architetture dual bus, si devono filtrare gli indirizzi per i device di I/O 9

10 Direct Memory Access (DMA) 10

11 Interrupt 11 Bus La connessione tra dispositivi e interrupt controller usa linee di interrupt presenti sul bus, invece di linee dedicate

12 Caratteristiche del Software di I/O Indipendenza dai dispositivi I programmi possono accedere ad ogni dispositivo di I/O senza specificare in anticipo il tipo di dispositivo (floppy, hard drive, or CD-ROM) Uniformità dei nomi Il nome di un file o di un dispositivo deve essere indipendenti dalla macchina su cui risiede Gestione degli errori Effettuata il più vicino possibile al dispositivo hw 12

13 Caratteristiche del Software di I/O Trasferimenti sincroni vs. asincroni Trasferimenti a blocchi vs. interrupt-driven Bufferizzazione I dati in arrivo da un device non possono essere salvati direttamente nella loro destinazione finale Device dedicati vs. condivisi I dischi sono condivisi I nastri sono dedicati 13

14 I/O a gestione da programma Stampa di una stringa 14

15 I/O a gestione da programma Scrittura di una stringa con controllo da programma 15

16 I/O Interrupt-Driven Scrittura di una stringa sulla stampante usando I/O interrupt-driven a) Codice eseguito quando viene chiamata la system call print b) Routine di gestione dell interrupt 16

17 I/O mediante DMA Scrittura di una stringa sulla stampante usando DMA a)codice eseguito quando viene chiamata la system call print b)routine di gestione dell interrupt 17

18 Livelli del software di I/O (1) 18

19 Livelli del software di I/O (2) 19

20 Software di I/O Device-Independent (1) Interfaccia uniforme per i device driver Bufferizzazione Segnalazione degli errori Allocazione e rilascio di device dedicati Dimensionamento dei blocchi indipendente dal device Funzionalità svolte dal primo livello di I/O sw 20

21 Software di I/O Device-Independent (2) a. Gestione I/O senza un interfaccia standard verso i driver b. Gestione di I/O con un interfaccia standard verso i driver 21

22 Software di I/O Device-Independent (3) a. Input non bufferizzato b. Bufferizzazione in spazio utente c. Bufferizzazione nel kernel seguita da copia nello spazio utente d. Doppia bufferizzazione nel kernel 22

23 Software di I/O Device-Independent (4) I protocolli di rete possono richiedere doppia bufferizzazione 23

24 Device Driver Le comunicazioni tra i driver e i dispositivi avvengono attraverso il bus 24

25 Interrupt Handler Gli Interrupt handler sono la parte più nascosta dell architettura Un driver, dopo aver avviato un operazione di I/O, si blocca finché un interrupt non notifica il completamento dell operazione La procedura di gestione dell interrupt svolge il suo servizio e al termine sblocca il driver 25

26 I Dischi 26

27 Dischi - Hardware (1) Evoluzione dei dischi a partire dal dispositivo originale del PC IBM sino al modello Western Digital WD

28 Dischi - Hardware (2) Struttura fisica di un disco magnetico con doppio settore sulle tracce esterne Struttura logica dello stesso dispositivo 28

29 Dischi - Hardware - CD-ROM (3) 29

30 Dischi - Hardware - CD-ROM (4) Layout logico dei dati su un CD-ROM 30

31 Dischi - Hardware - DVD (5) Un DVD a due livelli, a doppio lato 31

32 Dischi - Hardware - RAID (6) Redundant Array of Inexpensive Disks I drive di Backup e parity sono in grigio 32

33 Dischi - Hardware - RAID (7) 33

34 Formattazione dei dischi (1) Settore di un disco 34

35 Formattazione dei dischi (2) Un illustrazione della deformazione dei cilindri (cylinder skew) 35

36 Formattazione dei dischi (3) a. Senza interleaving b. Con interleaving singolo c. Con interleaving doppio 36

37 Algoritmi di scheduling del braccio del disco (1) Il tempo richiesto per leggere o scrivere un blocco del disco è determinato da tre fattori 1. Seek time 2. Rotational delay 3. Actual transfer time Il termine preponderante è il tempo di seek Il controllo degli errori è effettuato dal device controller 37

38 Algoritmi di scheduling del bracccio del disco (2) Shortest Seek First (SSF) Initial position Pending requests 38

39 Algoritmi di scheduling del braccio del disco (3) Algoritmo dell ascensore 39

40 Gestione degli errori a. Una traccia con settore rovinato b. Sostituzione di un settore disponibile con il contenuto del settore rovinato c. Spostamento di tutti i settori per evitare quello rovinato 40

41 I/O in Unix 41

42 Dispositivi Qualunque dispositivo di I/O in Unix e` visto come un file Letto/scritto con read/write File speciali in /dev Block special file Blocchi indirizzabili/accessibili individualmente Character special file Flusso continuo di dati (tastiera, rete, stampante, mouse) 42

43 Driver Ogni file speciale e` associato ad un driver Ogni driver e` associato ad una coppia di numeri <major, minor> associati al device Major device: identifica il driver Minor device: identifica lo specifico device 43

44 Rete BSD4.1 L astrazione che permette di accedere alla rete e` la socket Creata/distrutta dinamicamente Identificata da un intero usato per stabilire la connessione, leggere/scrivere, rilasciare la connessione Tre tipi di comunicazione Reliable connnection-oriented byte stream Reliable connnection-oriented packet stream Unreliable packet trasmission 44

45 Networking via socket 45

46 Implementazione Il major number e` usato come indice nei vettori dei driver bdevsw, cdevsw Il minor number e` passato come parametro al driver così trovato Block device Buffer cache nel kernel per minimizzare il numero di accessi Lista linkata di blocchi Il blocco acceduto piu` di recente e` in testa Il blocco in coda e` selezionato per il rimpiazzamento I blocchi scritti vengono copiati su disco ogni 30s Char device Cooked: C-list di 64 char per elemento filtrati Raw: una carattere alla volta direttamente Da moduli linkati staticamente a moduli caricati dinamicamente 46

47 Implementazione 47

48 I/O in W2K 48

49 Concetti base Framework per la gestione di un ampia varieta` di device I/O manager & pulg-and-play manager & power manager P&PM enumera i device presenti, gli alloca risorse e carica i driver in memoria in base e marca e modello I/O manager gestisce le richieste di blocchi che non possono essere soddisfatte dalla cache Dischi dinamici Su piu` partizioni e dischi fisici Supporto per I/O asincrono > 100 API per I/O e > 1K per la grafica 49

50 W2K API grafiche 50

51 Implementazione Windows driver model Gestione delle richieste entranti di I/O in un formato standard (I/O Request Packet) Object oriented P&P device rimovibili/aggiungibili a caldo Power management Configurabile in termine di uso di risorse Linee di interrupt e porte Rientrante Portabile tra W98 e W2K 51

52 Implementazione 52