Sommario. Gestione dell I/O e Scheduling dei Dischi. Categorie di Dispositivi di I/O. Human readable

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1 Sommario Gestione dell I/O e Scheduling dei Dischi Dispositivi di I/O Organizzazione delle funzioni di I/O Problematiche di Progettazione I/O Buffering Disk Scheduling Categorie di Dispositivi di I/O Area problematica nella progettazione di un OS Difficile sviluppare una soluzione omnicomprensiva a causa della diversità dei dispositivi e delle applicazioni Tre Categorie: Dispositivi Human readable Dispositivi Machine readable Dispositivi di Comunicazione Human readable Dispositivi usati per comunicare con l utente Stampanti e Terminali Video display Tastiere Mouse etc

2 Machine readable Usati per comunicare con memorie di massa o sorgenti di informazione esterne Disk drive USB Sensori Controllori Attuatori Comunicazione Usati per comunicare con dispositivi remoti Controllori di linee digitali Modem Differenze tra Dispositivi I/O Differiscono per numerosi aspetti Tasso di trasferimento dati Applicazioni Complessitaà di controllo Modalità di trasferimento Rappresentazione dei dati Condizioni di Errore Tasso di trasferimento dati Enormi differenze tra dispositivo e dispositivo

3 Applicazioni Un disco per la memorizzazione di file necessita di software per la gestione dei file Un Disco per la memorizzazione di pagine di memoria virtuale necessita di hw e sw specifico di supporto Terminali usati da system administrator possono avere diverse priorita rispetto a terminali utente Complessità di controllo Una stampante necessita di un interfaccia relativamente semplice Un disco richiede maggiore complessità di controllo. Diversità in parte bilanciate dalla diversa complessità dei moduli I/O che controllano i dispositivi. Modalità di trasferimento I Dati possono essere transferiti come Flussi (stream) di byte o caratteri (es., terminali I/O) a blocchi (es., dischi). Rappresentazione Dati Diversi schemi di codifica sono usati dai diversi dispositivi, Anche differenti codifiche dei caratteri o schemi di parità.

4 Condizioni di Errore La natura degli errori possibili: Il modo in cui gli errori vengono riportati, Le loro consequenze, Il range di possibili contromisure Sommario Dispositivi di I/O Organizzazione delle funzioni di I/O Problematiche di Progettazione I/O Buffering Disk Scheduling I/O Programmato I/O Interrupt-driven Tecniche di I/O Direct memory access (DMA) Evoluzione dei modelli di I/O 1. Il Processore controlla direttamente un dispositivo periferico 2. Aggiunta di un Controller o modulo di I/O Processore usa I/O programmato senza interrupt Processore non gestisce i dispositivi esterni nei dettagli

5 Evoluzione dei modelli di I/O 3. Controller o modulo di I/O con interrupt Efficienza aumenta: il processore non aspetta il completamento di un operazione di I/O 4. Direct Memory Access Blocchi di dati sono spostati in memoria senza l intervento del processore Processore interviene solo all inizio ed alla fine dell operazione Evoluzione dei modelli di I/O 5. Modulo I/O e un processore dedicato CPU delega al processore I/O l esecuzione di programmi I/O in memoria centrale. 6. Processori I/O Modulo I/O dispone di memoria locale Tipico uso: controllo della comunicazione con terminali interattivi Direct Memory Address Il Processore delega operazioni di I/O al modulo DMA Modulo DMA trasferisce I dati direttamente dalla/nella memoria Al completamento, il modulo DMA invia un interrupt al processore Configurazioni DMA: Bus Singolo DMA puo essere configurato in diversi modi Qui, tutti i moduli condividono lo stesso bus di sistema

6 Configurazioni DMA: DMA e I/O Integrati Configurazioni DMA: I/O Bus Connessione diretta tra DMA e moduli I/O Risultato: riduzione di cicli di bus necessari a completare un operazione Riduce il numero di interfacce per I/O nel modulo DMA Sommario Dispositivi di I/O Organizzazione delle funzioni di I/O Problematiche di Progettazione I/O Buffering Disk Scheduling Scopi: Efficienza I dispositivi di I/O sono molto lenti rispetto alla memoria Multiprogrammazione per avere concorrenza tra processi in I/O e processi in elaborazione I/O non può avanzare al passo della CPU Swapping per includere altri processi pronti Ma swapping implica ulteriori operazioni di I/O

7 Scopi: Generalità Gestione uniforme dei dispositivi I/O aumenta la semplicità e riduce gli errori Delegare dettagli dei dispositivi alle routine di basso livello Date le differenze tra i dispositivi e difficile ottenere una vera generalità; si può usare una progettazione modulare a livelli delle funzionalità di I/O Progettazione Gerarchica Organizzazione a livelli Ogni livello si serve del livello immediatamente inferiore per funzionalità di livello più basso Fornisce servizi al livello immediatamente superiore Modifiche hanno effetti solo su un livello Dispositivi di periferiche locali I/O logico: Gestisce il dispositivo come una risorsa logica Dispositivo I/O: Converte le operazioni logiche richieste in una sequenza di istruzioni di I/O Scheduling e Controllo Opera l ordinamento e controllo delle vere e proprie operazioni di I/O Porte di Comunicazione Simile alla struttura precedente; il modulo di I/O logico e sostituito da un architettura per la comunicazione, A sua volta strutturata per livelli di funzionalitaà. Esempio: TCP/IP,

8 File System Gestione delle Directory Riguarda le operazioni sui file, copie, cancellazioni, link File System Struttura logica dei file, operazioni quali read, open, write Organizzazione Fisica Converte nomi logici in indirizzi fisici, allocazione, bufferizzazione Sommario Dispositivi di I/O Organizzazione delle funzioni di I/O Problematiche di Progettazione I/O Buffering Disk Scheduling Buffer per I/O I Processi devono attendere il completamento dell I/O prima di continuare Per evitare deadlock alcune pagine devono rimanere in memoria durante I/O In alternativa, è possibile anticipare trasferimenti in memoria e/o posticipare trasferimenti in output rispetto alla richiesta effettiva. Buffer orientato ai Blocchi Informazioni organizzate in blocchi di dimensione fissata Trasferimenti operati per blocchi Riferimenti ai dati mediante numero di blocco Usato per i dischi e USB key

9 Buffer orientato agli Stream Informazioni trasferite come stream di byte Usato per terminali, stampanti, porte di comunicazione, mouse, e altri dispositivi di puntamento, inclusi molti altri dispositivi non di memoria di massa Nessuna Bufferizzazione In assenza di bufferizzazione, il SO accede direttamente al dispositivo come e quando vuole Buffer singolo SO assegna un area di buffer in memoria ad ogni richiesta di I/O Buffer Singolo Orientato ai Blocchi Trasferimenti Input inviati al buffer Terminato il trasferimento di un blocco lo si passa alla memoria utente Il blocco successivo viene caricato nel buffer Read ahead o Input Anticipato Spesso utile, perché molti accessi sono sequenziali (similarità: prepaging)

10 Buffer Singolo vs No Buffer T tempo di trasferimento dal dispositivo C tempo di computazione dell istruzione M tempo di trasferimento dal buffer a MEM Senza buffer T+C Con buffer singolo Max{C,T}+M Buffer Singolo Stream-oriented Trasferimento a linee o a carattere Per terminali bufferizzazione a linee (attende CR) Bufferizzazione a carattere o byteoriented utile per dispositivi e applicazioni con risoluzione più alta dell input anche sensori e controllori Buffer Doppio Usa due buffer di sistema per richiesta Un processo può trasferire dati ad/da un buffer, mentre il SO svuota o riempie l altro buffer Buffer Circolare Più di due buffer in uso Ogni buffer rappresenta un unità del buffer circolare Usato per aumentare il parallelismo delle operazioni di I/O.

11 Limiti della Bufferizzazione Buffering riduce accumulo/picchi di I/O. Ovviamente, # richieste molto elevato -> buffer overflow -> nessun vantaggio Con distribuzione omogenea di richieste di I/O elaborazione la bufferizzazione migliora l efficienza del SO e performance dei singoli processi. Sommario Dispositivi di I/O Organizzazione delle funzioni di I/O Problematiche di Progettazione I/O Buffering Disk Scheduling Efficienza dei Dischi: Parametri La durata di una richiesta di I/O su disco può dipendere da molti fattori Un diagramma generale dei tempi di trasferimento per un I/O su disco: Posizionamento delle testine di Lettura/Scrittura A regime, il disco ruota ad una velocità costante La selezione della traccia implica lo spostamento del braccio delle testine radialmente al disco

12 Efficienza dei Dischi: Parametri Tempo di Accesso. Somma di: Tempo di Seek: Il tempo necessario a posizionare la testina sulla traccia desiderata Ritardo di Rotazione o latenza: Il tempo necessario a raggiungere il settore desiderato Tempo di Trasferimento. Il tempo necessario a trasferire i dati dal disco al buffer/ memoria locale Scheduling del Disco Politiche Consideriamo un disco la cui testina si trovi sulla traccia 100. Assumiamo che il disco abbia 200 tracce e che le richieste ricevute indichino le seguenti tracce (nell ordine ricevuto) 55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184. First-in, first-out (FIFO o FCFS) Richieste servite in sequenza Politica Imparziale Nessun vantaggio rispetto a scheduling random, se il numero dei processi e alto Last-in, first-out Utile per sistemi di gestione delle transazioni Il dispositivo viene assegnato all utente che lo ha utilizzato più di recente, questo dovrebbe garantire movimenti della testina di piccola entità tra una richiesta e l altra Possibilità di starvation

13 Shortest Service Time First Serve la richiesta che richiede il minimo movimento delle testine a partire dalla posizione corrente Minimizza localmente il tempo di seek SCAN Il braccio delle testine si muove solo in una direzione, servendo tutte le richieste pendenti fino a raggiungere l ultima traccia, nella direzione corrente, quindi inverte la direzione e ripete C-SCAN Come SCAN, tranne che al ritorno non vengono servite richieste Al raggingimento dell ultima traccia, il braccio ritorna alla prima traccia e ricomincia a scandire le richieste pendenti N-step-SCAN Le richieste sono partizionate in sottosequenze di lunghezza N Le sottosequenze sono servite una alla volta, usado la politica SCAN Mentre si serve una sottosequenza le nuove richieste vengono aggiunte ad altre sottosequenze

14 FSCAN Due sottosequenze Quando la scansione comincia, tutte le richieste sono in un unica coda, con l altra coda vuota. Mentre avviene la scansione ed il servizio di una coda, le nuove richieste vengono aggiunte all altra coda Servizio di una nuova richiesta differito al momento in cui la coda attiva è vuota. Confronti Lista delle richieste: 55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184 Posizione iniziale della testina: traccia 100. Numero tracce: 200 Roadmap I/O Devices Organization of the I/O Function Operating System Design Issues I/O Buffering Disk Scheduling Raid Multiple Disks Disk I/O può migliorare se le operazioni sono distribuite su più testine di lettura/ scrittura O dischi multipli Disk failures e recovery mediante memorizzazione con ridondanza

15 RAID Redundant Array of Independent Disks Set di disk drive visti dal SO come un unico drive logico Dati distribuiti sui dischi fisici La capacità non utilizzata per I dati è usata per informazione ridondante per il recovery da situazioni di errore/failure. RAID 0 - Stripped Non un vero RAID nessuna ridondanza Nessuna possibilitaà di recovery Molto veloce (parallel read/write) RAID 1 - Mirrored Ridondanza = duplicazione Letture in parallelo. Semplice recovery (esistono due copie) RAID 2 (Usa codici di Hamming) Rotazione sincronizzata Uso di data stripping (extremely small) Hamming code correggono errori su un singolo bit e riconscono errori su 2 bit

16 RAID 3 bit-interleaved parity Similar to RAID-2 but uses all parity bits stored on a single drive RAID 4 Block-level parity A bit-by-bit parity strip is calculated across corresponding strips on each data disk The parity bits are stored in the corresponding strip on the parity disk. RAID 5 Block-level Distributed parity Similar to RAID-4 but distributing the parity bits across all drives