In entrambi i casi i dispositivi vengono comunque trattati alla stregua di indirizzi, con minime

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1 C7. SISTEMI DI I/O Architetture e dispositivi di I/O Vi sono diversi tipi di dispositivi: dispositivi di memorizzazione, dispositivi di trasmissione e interfacce uomo macchina. Nonostante la varietà, ci si può ricondurre ad alcuni concetti di base per capire come siano connessi e come siano controllati. Un dispositivo comunica con un sistema di calcolo inviando segnali e comunicando con il calcolatore tramite un punto di connessione, ovvero una porta. Se uno o più dispositivi usano in comune un insieme di fili, la connessione avviene su un bus. Un bus è un insieme di fili su cui opera un protocollo che specifica i messaggi inviabili attraverso i fili. Una tipica struttura a bus è quella riportata in figura. Si possono distinguere il bus PCI che connette il sottosistema CPU-memoria, il bus di espansione a cui si connettono dispositivi relativamente lenti (tastiera e mouse), il bus SCSI a cui sono collegate unità a disco. I dischi sono collegati al bus SCSI inserito nel relativo controllore, che è un insieme di componenti elettronici (con intelligenza, al contrario della porta) che può far funzionare una porta, un bus o un dispositivo. Per contro, un controllore SCSI non è semplice ed è spesso realizzato come una scheda circuitale semplice che si inserisce nel calcolatore e prende il nome di adattatore. L unità di elaborazione dà comandi e fornisce dati al controllore per portare a termine trasferimenti di I/O tramite uno o più registri per dati e segnali di controllo. La comunicazione con il controllore avviene attraverso la lettura e la scrittura, da parte dell unità di elaborazione, di configurazioni di bit in questi registri (LDR/STR). Questo schema prende il nome di isolated I/O. In alternativa, il controllore può disporre dell I/O mappato in memoria. In questo caso, i registri di controllo del dispositivo si fanno corrispondere a un sottoinsieme dello spazio d indirizzi della CPU, che esegue le richieste di I/O usando le ordinarie istruzioni di trasferimento di dati per leggere e scrivere i registri di controllo del dispositivo (IN/OUT). In entrambi i casi i dispositivi vengono comunque trattati alla stregua di indirizzi, con minime varianti. Interrogazione ciclica Il protocollo completo per l interazione fra la CPU e un controllore può essere intricato, ma si basa sul meccanismo di handshaking, che modella un accordo tra produttore e consumatore mediante un bit di stato occupato. La CPU legge ripetutamente questo bit, finché il dispositivo non ha pronti dei dati e lo pone a 0. In altre parole, la CPU entra in uno stato di attesa attiva o interrogazione ciclica (polling). Se controllore e dispositivo sono veloci, il metodo è ragionevole. In altri casi è più efficiente che il controllore invii un informazione alla CPU solo quando il dispositivo è pronto, meccanismo che sta alla base delle interruzioni.

2 Interruzioni La CPU ha un contatto, detto linea di interruzione, del quale controlla lo stato dopo l esecuzione di ogni istruzione. Quando rileva il segnale di un controllore nella linea di richiesta dell interruzione, la CPU salva lo stato corrente e salta alla routine di gestione dell interruzione che si trova a un indirizzo prefissato di memoria. Il controllore del dispositivo genera un segnale di interruzione della CPU lungo la linea di richiesta delle interruzioni, che la CPU rileva e recapita al gestore delle interruzioni, il quale a sua volta evade il compito corrispondente servendo il dispositivo. Nei sistemi operativi moderni sono necessarie capacità di gestione delle interruzioni più raffinate. Si deve ad esempio disporre di un meccanismo con più livelli di interruzioni, che sia in grado di rilevare un interruzione senza esaminare ciclicamente tutti i dispositivi e che, al bisogno, posponga la gestione dell interruzione. Questi compiti sono assolti dalla CPU e dal controllore delle interruzioni. Nella maggior parte delle CPU è inoltre presente una linea di interruzioni non mascherabili, riservata a errori di memoria non recuperabili e non disattivabile dalla CPU. Il meccanismo delle interruzioni accetta un indirizzo, ovvero un numero che seleziona da un insieme ristretto una specifica procedura di gestione delle interruzioni. Nella maggior parte delle architetture, questo indirizzo è uno scostamento relativo a una tabella detta vettore delle interruzioni, contenente gli indirizzi di memoria degli specifici gestori delle interruzioni. E usato anche per gestire un ampia gamma di eccezioni, come quelle causate da eventuali divisioni per 0, nonché per la gestione di interrupt software o trap. Accesso diretto alla memoria (DMA) Gestire grossi trasferimenti di dati demandando alla CPU le operazioni di gestione a contorno, nell ottica di quello che viene definito I/O programmato, è uno spreco. Per questo, in alcune architetture è presente un unità di elaborazione specializzata detta controllore dell accesso diretto alla memoria (DMA), che si fa carico di gestire alcuni di questi compiti. Per dare avvio a un trasferimento DMA, la CPU scrive in memoria un comando che contiene il puntatore alla locazione dei dati da trasferire, un puntatore alla destinazione e il numero di byte coinvolti. Il controllore DMA agisce quindi direttamente sul bus della memoria, presentando al bus gli indirizzi necessari per eseguire il trasferimento senza l ausilio della CPU. La fine delle operazioni del DMA sarà segnalata da un interrupt. Quando il controllore della DMA prende possesso del bus di memoria, la CPU è temporaneamente impossibilitata ad accedere alla memoria centrale. Questo processo è noto come sottrazione di cicli e può rallentare le computazioni della CPU. Tuttavia, l assegna-

3 mento del lavoro di trasferimento di dati a un controllore DMA migliora in generale le prestazioni complessive del sistema. Interfaccia di I/O per le applicazioni Come fa un applicazione ad aprire un file residente in un disco senza sapere di che disco si tratta? Una soluzione è quella di astrarre le differenze tra i dispositivi di I/O, riconducendosi ad alcuni tipi generali. A ognuno di questi tipi si accede per mezzo di un insieme di funzioni, ovvero un interfaccia. Le differenze vengono incapsulate in moduli del kernel, detti driver dei dispositivi: questi ultimi sono specifici per particolari dispositivi, ma comunicano con l esterno per mezzo delle interfacce uniformi. Lo scopo dello strato dei driver dei dispositivi è dunque quello di nascondere al sottosistema di I/O del kernel le differenze tra i controllori dei dispositivi. Ciò semplifica il lavoro di chi sviluppa il sistema operativo e di chi deve costruire nuovi dispositivi. Tuttavia, ogni sistema operativo ha le sue convenzioni circa l interfaccia. Dispositivi con trasferimento a blocchi o caratteri L interfaccia per i dispositivi a blocchi sintetizza tutti gli aspetti necessari per accedere alle unità a disco e ad altri dispositivi basati sul trasferimento di blocchi di dati. Ci si aspetta che il dispositivo comprenda istruzioni come read(), write() e in alcuni casi seek(). Alcune applicazioni possono trovare più conveniente trattare questi dispositivi come una semplice sequenza lineare di blocchi, invece di usare i meccanismi del file system che introducono overhead risparmiabile: in questo caso si parla di I/O a basso livello. A un livello gerarchico immediatamente superiore di quello dei dispositivi a blocchi si può porre l accesso ai file mappato in memoria, che consente una virtualizzazione dei dispositivi in RAM per questioni di velocità. La tastiera è invece un esempio di dispositivo al quale si accede tramite un interfaccia a flusso di caratteri. Le chiamate di sistema fondamentali per le interfacce di questo tipo permettono a un applicazione di acquisire (get()) o inviare (put()) un carattere.

4 Dispositivi di rete La maggior parte dei sistemi operativi fornisce un interfaccia per l I/O di rete diversa da quella caratterizzata dalle operazioni read(), write() e seek(). Viene dunque fornita l interfaccia socket. I/O bloccante e non bloccante Un altro aspetto delle chiamate di sistema è la scelta fra I/O bloccante e non bloccante. Quando un applicazione impiega una chiamata di sistema bloccante (figura A), si sospende l esecuzione dell applicazione finché l I/O non è completato. E semplice e per questo non sempre adatto allo scopo. Alcuni processi necessitano invece di una forma non bloccante (figura B) di I/O, in cui le chiamate di I/O ritornano man mano che i dati sono pronti e il processo nel frattempo va avanti: un classico esempio è l interazione con il mouse sull interfaccia utente. Una possibile alternativa alle chiamate di sistema non bloccanti è costituita dalle chiamate di sistema asincrone, che restituiscono immediatamente il controllo al chiamante, senza attendere che l I/O sia stato completato. La differenza tra chiamate di sistema non bloccanti e asincrone è che una read() non bloccante restituisce immediatamente il controllo, fornendo i dati che è stato possibile leggere. Una read() asincrona, invece, richiede un trasferimento di cui il sistema garantisce il completamento, ma solo in un momento successivo e non prevedibile. Sottosistema per l I/O del kernel Scheduling di I/O Fare lo scheduling di un insieme di richieste di I/O significa stabilirne un ordine di esecuzione efficace. I kernel che mettono a disposizione l I/O asincrono devono essere in grado di tener traccia di più richieste di I/O contemporaneamente. A questo fine, alcuni sistemi annettono una tabella dello stato dei dispositivi alla coda dei processi in attesa. Gli elementi della tabella, uno per dispositivo di I/O, indicano il tipo, l indirizzo e lo stato del dispositivo: non funzionante, inattivo o occupato. Se il dispositivo è impegnato nel servire una richiesta, il corrispondente elemento della tabella riporterà il tipo della richiesta ed altri parametri a essa relativi. Gestione del buffer In un ipotetico trasferimento di dati tra il modem e il disco bisogna tenere presente che il primo è mille volte più lento del secondo. Per migliorare le prestazioni si può ricorrere

5 a un meccanismo di doppia bufferizzazione, che svincola il produttore dal consumatore rendendo così meno critico il problema della loro sincronizzazione. Cache Sebbene buffer e cache siano introdotte per velocizzare le prestazioni, bisogna tenere presente che un buffer può contenere dati di cui non esiste un altra copia, mentre una cache, per definizione, mantiene su un mezzo più efficiente una copia di informazioni già memorizzate. Code e uso esclusivo dei dispositivi Una coda di file da stampare (spool) è un buffer contenente dati per un dispositivo che non può accettare flussi di dati intercalati, ad esempio una stampante. Sebbene una stampante possa servire una sola richiesta alla volta, diverse applicazioni devono poter richiedere simultaneamente la stampa di dati, senza che questi si mischino. Protezione dell I/O Un processo utente che cerchi di impartire istruzioni di I/O illegali può disturbare il funzionamento normale di un sistema. Per questo motivo gli utenti non possono impartire in via diretta alcune istruzione, ma dovranno farlo attraverso il sistema operativo. Un programma utente, per eseguire I/O, invoca una system call per chiedere al sistema operativo di svolgere una data operazione nel suo interesse. Il sistema, passando alla modalità privilegiata, verifica che la richiesta sia valida e, in tal caso, esegue l operazione trasferendo il controllo all utente. Power management Non è un concetto strettamente di I/O, ma è ad esso correlato. Computer e dispositivi, infatti, usano energia elettrica per funzionare e generano calore: questo richiede ventilazione frequente. I sistemi operativi possono aiutare a migliorare l uso delle risorse disponibili. Nel cloud computing, ad esempio, le macchine virtuali possono essere spostate tra i server. Nel mobile computing quest esigenza è ancora più marcata, al fine di risparmiare batteria: i componenti che non sono utilizzati in un certo istante vengono spenti. Esiste inoltre una modalità che fa il minimo sindacale : il dispositivo cade in un sonno profondo, ma ha sempre un occhio mezzo aperto per reagire a stimoli esterni (pressione di bottoni, chiamate in arrivo...) Trasformazione delle richieste di I/O in operazioni dei dispositivi Una tipica richiesta bloccante di I/O può consumare un numero spaventoso di operazioni CPU. Nello schema riportato nella pagina successiva è rappresentato un tipico scenario in cui un processo utente richiede un I/O che prima o poi verrà soddisfatto (dati disponibili o output completato). In mezzo ovviamente c è un po di roba. Se la richiesta è soddisfabile subito (grazie a buffer o qualche altro meccanismo simile), il sottosistema kernel dell I/O imbocca una strada veloce, trasferisce i dati e ritorna subito dalla system call. Altrimenti entrano in gioco tutta una serie di meccanismi che coinvolgono device driver, gestore delle interruzioni e device controller al fine di soddisfare la richiesta del processo utente.

6 STREAMS I sistemi basati su UNIX implementano un interessante meccanismo, chiamato STREAMS. Esso consente a un applicazione di assemblare pipeline dinamicamente. Uno stream è una connessione full-duplex tra un device driver e un processo utente e consiste in una testa dello stream che si interfaccia col processo utente, una coda dello stream che controlla il dispositivo e zero o più moduli tra la testa e la coda. Prestazioni I device driver e il codice di I/O del kernel sono sempre software da eseguire, quindi è bene che non siano scritti coi piedi. I sistemi attuali, tuttavia, possono agevolare questo tipo di problematica grazie all esecuzione in multi-core, con alcuni core dedicati prevalentemente ad attività di kernel. Anche interruzioni e azioni di copiatura da dispositivo prevedono dell intervento da parte della CPU, così come la gestione del traffico di rete. Per migliorare le prestazioni in termini di I/O si possono ridurre il numero di context-switch, ridurre il numero di copie di dati (facendo attenzione al fatto che le bufferizzazioni possono comunque dare vantaggio), ridurre gli interrupt cercando di collezionare un certo insieme di dati, usare il DMA quando possibile, mantenere un sistema bilanciato (inutile avere una RAM superperformante con una CPU molto lenta). ***