PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní1
I/O systém
PB153
Operační systémy a jejich
rozhraní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní2
Hardware
HW pro I/O je značně rozmanitý
Existují však určité běžně používané prvky
port
sběrnice (bus)
řadič (host adapter, controller)
I/O zařízení jsou řízeny I/O instrukcemi (IN, OUT)
Adresy I/O zařízení
uváděné přímo v I/O instrukcích (např. IN AL, DX : DX port, AL získaný
bajt)
I/O se mapuje na přístup k paměti (např. grafická karta, videopaměť)
Základní způsoby ovládání I/O
polling, programované I/O operace
* aktivní čekání na konec operace
přerušení
DMA
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní3
Sběrnice PC
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní4
Rozmístění I/O portů v PC
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní5
Techniky provádění I/O
Programovaný I/O (busy-waiting)
opakovaně se ptám na stav zařízení
* připraven
* pracuje
* chyba
I/O řízený přerušením
zahájení I/O pomocí I/O příkazu
paralelní běh I/O s během procesoru
I/O modul oznamuje přerušením konec přenosu
Direct Memory Access (DMA)
kopírování bloků mezi pamětí a I/O zařízením na
principu kradení cyklů paměti
přerušení po přenosu bloku (indikace konce)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní6
Přerušení
Přerušení obsluhuje ovladač přerušení (kód OS)
Maskováním lze některá přerušení ignorovat nebo
oddálit jejich obsluhu
Patřičný ovladač přerušení se vybírá přerušovacím
vektorem
některá přerušení nelze maskovat
přerušení mohou být uspořádána podle priorit
Přerušení se používá i pro řešení výjimek (nejsou
asynchronní)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní7
I/O cyklus řízený přerušením
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní8
Vektor přerušení procesoru
Intel Pentium
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní9
DMA
Přímý přístup do paměti (Direct Memory
Access - DMA)
nahrazuje programovaný I/O při velkých
přesunech dat
vyžaduje speciální DMA řadič
při přenosu dat se obchází procesor, přístup
do paměti zajišťuje přímo DMA řadič
procesor a DMA soutěží o přístup k paměti
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní10
DMA: příklad
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní11
Aplikační rozhraní I/O
Jádro OS se snaží skrýt rozdíly mezi I/O zařízeními
a programátorům poskytuje jednotné rozhraní
Dále vrstva ovladačů ukrývá rozdílnost chování I/O
řadičů i před některými částmi jádra
Některé vlastnosti I/O zařízení
mód přenosu dat: znakové (terminál) / blokové (disk)
způsob přístupu: sekvenční (modem) / přímý (disk)
sdílené/dedikované: klávesnice / páska
rychlost přenosu: vystavení, přenos, ...
read-write, read only, write only
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní12
I/O v jádře a HW
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní13
Bloková a znaková zařízení
Bloková zařízení ­ typicky disk
příkazy: read, write, seek
logický způsob přístupu: obecný I/O nebo souborový
systém
možný přístup formou souboru mapovaného do paměti
Znaková ­ klávesnice, myš, sériový port
příkazy: get, put
nad nimi knihovní podprogramy pro další možnosti (např.
řádková editace)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní14
Síťová zařízení
Přístup k nim se značně liší jak od znakových, tak
od blokových zařízení
proto mívají samostatné rozhraní OS
Unix i Windows obsahující rozhraní nazývané
,,sockets"
separují síťové protokoly od síťových operací
přístup jako k souborům (včetně funkce select)
Existuje celá řada přístupů k síťovým službám
Pipes (roury), FIFOs, streams, queues, mailboxes
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní15
Hodiny a časovače
Poskytují skutečný čas, měří uplynulý čas,
fungují jako časovače
Nízkoúrovňové programování pomocí ioctl
(pod Unixem) umožňuje přístup k časovačům
a hodinám
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní16
Blokující a neblokující I/O
Blokující
z hlediska procesu synchronní
proces čeká na ukončení I/O
snadné použití (programovaní), snadné porozumění (po provedení
operace je hotovo to co jsem požadoval)
někdy však není dostačující (z důvodu efektivity)
Neblokující
řízení se procesu vrací co nejdříve po zadání požadavku
vhodné pro uživatelské rozhraní, bufferovaný I/O
bývá implementováno pomocí vláken
okamžitě vrací počet načtených či zapsaných znaků
Asynchronní
proces běží souběžně s I/O
konec I/O je procesu hlášen signály
obtížné na programovaní, složité používání, ale v případě vhodně
promyšleného programu velice efektivní
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní17
I/O subsystém v jádru
Plánování
některé I/O operace požadují řazení do front
na zařízení
některé OS se snaží o ,,spravedlnost"
Vyrovnání (vyrovnávací paměti), buffering
ukládání dat v paměti v době přenosu k/ze
zařízení
řeší rozdílnost rychlosti
řeší rozdílnost velikosti datových jednotek
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní18
Příklad: Sun Enterprise 6000
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní19
I/O Subsystém v jádru
Caching
rychlá paměť udržuje kopii dat
vždy pouze kopii
caching je klíčem k dosažení vysokého výkonu
Spooling
udržování fronty dat určených k výpis na zařízení
pokud zařízení může vyřizovat požadavky pouze sekvenčně
typicky tiskárna
Rezervace zařízení
exkluzivita přístupu k zařízení pro proces
rezervace / uvolnění ­ volání systému
pozor na uváznutí (deadlock)
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní20
Chybové řízení
Vzpamatování se po poruše při chybě čtení z
disku, zjištění nedostupnosti zařízení, po
náhodné chybě zápisu, ...
Volání požadující I/O operaci získá číslo
chyby
typicky záporná hodnota
Udržuje se záznam o chybách v systému
pro následné analýzy
syslog, events (viewer), ...
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní21
Datové struktury jádra
Jádro udržuje stavovou informaci o komponentách I/O
tabulky otevřených souborů, síťových spojení, stavů
znakových zařízení, ...
Mnoho složitých datových struktur sleduje využívání
vyrovnávacích pamětí, alokaci paměti, změněné a
nezapsané bloky, ...
Některá jádra používají pro implementaci I/O objektově
orientované metody a předávání zpráv
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní22
I/O část jádra UNIXu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní23
Př.: I/O pož.
Příklad čtení souboru z
disku:
1. Zjistíme, které zařízení
obsahuje soubor
2. Převedeme jméno na
reprezentaci na zařízení
3. Fyzicky přečteme data z
disku do bufferu
4. Získaná data
zpřístupníme procesu
5. Vrátíme řízení procesu
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní24
Výkon
I/O je nejvýznamnějším faktorem výkonu
celého systému
CPU musí provádět ovladače a programy I/O
části jádra
při přerušení se přepíná kontext
provádí se kopírování dat
zvláště významný je síťový provoz
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní25
Příklad: Síťová aplikace
PB 153 Operační systémy a jejich rozhraní26
Zvyšování výkonu
Omezujeme počet přepnutí kontextu
Omezujeme zbytečné kopírování dat
Omezujeme počet přerušení tím, že přenášíme
delší bloky
Využíváme všech výhod (funkcí) moderních řadičů
Používáme co nejvíce DMA
Všechny komponenty kombinujeme s cílem
dosažení co nejvyšší propustnosti
CPU, paměť, sběrnice, I/O zařízení