1/32
PB153
OPERAČNÍ SYSTÉMY
A JEJICH ROZHRANÍ
I/O systém
10
2/32
 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
HARDWARE
3/32
SBĚRNICE PC
monitor processor
graphics
controller
bridge/memory
controller SCSI controller
cache
memory
disk
disk
disk
disk
disk disk
diskdisk
PCI bus
expansion bus
keyboardexpansion bus
interface
parralel
port
serial
port
IDE disk controller
SCSIbus
4/32
 I/O port se obvykle skládá ze 4 registrů
● Data-in
● Čtení vstupu od zařízení
● Data-out
● Pro zápis výstupu do zařízení
● Status
● Aktuální stav (data připravena, chyba, …)
● Control
● Ovládání zařízení, konfigurace, příkazy,…
I/O PORTY
5/32
 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)
TECHNIKY PROVÁDĚNÍ I/O
6/32
 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)
PŘERUŠENÍ
7/32
 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
DMA
8/32
 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
APLIKAČNÍ ROZHRANÍ I/O
9/32
I/O V JÁDŘE A HW
SCSI
devices
keyboard mouse … PCI bus
floppy-
disk
drives
ATAPI
devices
(disks,
tapes,
drives)
SCSI
device
controller
keyboard
device
controller
mouse
device
controller
PCI bus
device
controller
floppy
device
controller
ATAPI
device
controller
…
SCSI
device
driver
keyboard
device
driver
mouse
device
driver
PCI bus
device
driver
floppy
device
driver
ATAPI
device
driver
…
kernel I/O subsystem
kernel
softwarehardware
10/32
 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)
BLOKOVÁ A ZNAKOVÁ ZAŘÍZENÍ
11/32
 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
SÍŤOVÁ ZAŘÍZENÍ
12/32
 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
BLOKUJÍCÍ A NEBLOKUJÍCÍ I/O
13/32
 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
I/O SUBSYSTÉM V JÁDRU
14/32
 Caching
● rychlá paměť udržuje kopii dat
● vždy pouze kopii
● caching je klíčem k dosažení vysokého výkonu
 Spooling
● udržování fronty dat určených k výpisu 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)
I/O SUBSYSTÉM V JÁDRU
15/32
 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), ...
CHYBOVÉ ŘÍZENÍ
16/32
 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
VÝKON
17/32
 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
ZVYŠOVÁNÍ VÝKONU
18/32
Výukovou pomůcku zpracovalo
Servisní středisko pro e-learning na MU
http://is.muni.cz/stech/