Operációs rendszerek MINB240 6. előadás Input és Output Operációs rendszerek MINB240 1 Bevitel-Kivitel Eddig a számítógép agyáról volt szó Processzusok, memória, stb Szükség van eszközökre Adat bevitel és kivitel a számitógépből, -be Perifériák 2 Perifériák csoportosításá, használat szerint Háttértár Merevlemezek, diszkek Optikai lemezek (CD-ROM, DVD) Solid-state lemezek (flash) Megjelenítő, kiviteli eszköz Kijelzők, monitorok Nyomtatók Hangkártyák 3
Perifériák Beviteli eszköz, interface az ember felé Billentyűzet Egér Mikrofon Lapolvasó (Scanner) 4 Perifériák Hálózati eszközök Vezetékes Réz alapú Optikai Vezeték nélküli Infravörös (IrDA) Rádiófrekvenciás (WiFi, Bluetooth) Egyéb periféria Időzítő Véletlenszám generátor Stb. 5 Átviteli sebesség is teljesen különböző lehet Perifériák, adatátvitel 6
Blokkos, karakteres eszközök Blokkos eszköz Információt adott méretű blokkban tárolja, adja át Szokásos méret: 256 byte - 32 KB Az egyes blokkok írhatók, olvashatók a többitől függetlenül Például: lemez Karakteres eszköz Karakterenként írható, olvasható az adat Elejétől történik a keresés 7 Blokkos, karakteres eszközök A határ nem éles Szalagos egység bár blokkokban tárolja az adatot elejétől kell keresni Bizonyos eszközök nem sorolhatók be e két csoportba Óra 8 Perifériák Nagy számú, különböző periféria létezik Különböző tulajdonságok Különböző kezelési mód Különböző adatmennyiség átadása (blokkos, karakteres) Különböző adat reprezentálási módok (kódolás) Különböző hiba kezelés 9
Perifériák Úgy tűnik különböző interface-t igényelnek Minden periféria különböző interface? Sokféle de hasonló interface kód ismétléshez vezethet Kihívás Azonos, hatékony mód a perifériák kezelésére 10 I/O fejlődése 1. Processzor közvetlenül kontrollálja az eszközt 11 I/O fejlődése 2. Eszközkezelő, I/O modul A processzor a modult programozza (megszakítás nélkül) UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter 12
I/O fejlődése 3. A processzor nem tölt időt az I/O műveletre varó várakozással Megszakítás jelzi a művelet végét 13 I/O fejlődése 4. Direct Memory Access, DMA Adat bekerül a memóriába a processzor kezelése nélkül A processzor csak művelet elején és végén játszik szerepet 14 I/O fejlődése 5. Az I/O modulnak saját processzora van Pl. SCSI kontroller 15
I/O fejlődése 6. I/O processzor Önálló processzor, memória, belső busz, stb Egy önálló számítógép Pl. Myrinet 10 gigabit NIC 16 Sínek és buszok Busz A részegységek közötti kapcsolatot biztosítja 17 Sínek és buszok Perifériák nem érhetik el a memóriát Csak programozott I/O lehet Processzor és RAM között gyorsabb lehet az összeköttetés 18
Sínek és buszok Két sínt összevonhatjuk Közös sebesség Processzor órajelét csak a többi periféria gyorsításával lehet elérni 19 Sínek és buszok Két sín, melyeket egy híd köt össze Processzor és RAM között tetszőlegesen gyors lehet az átvitel 20 Sínek és buszok Mai számítógépek hidakat használnak További leágazások lehetésgesek Northbridge: CPU, RAM, grafikus segédprocesszor kapcsolata Southbridge: Northbridge és a többi sín közötti kapcsolat PCI: Periferial Control Interconnect ISA: Industry Standard Architecture (régi) IDE: Integrated Drive Electronics (háttértárak) SCSI: Small Computer System Interface USB: Universal Serial Bus (külső eszközök) FireWire CardBus 21
Sínek és buszok 22 Sínek és buszok Intel IXP420 23 Programozott I/O Minden vezérlő rendelkezik néhány regiszterrel a vezérléshez Állapot bit: jelzi ha műveletet végez Nehány vezérlő adatbufferrel is rendelkezik Framebuffer, video RAM CPU kommunikáció a vezérlőregiszterekkel 1. I/O kapu 2. Memórialeképezésű I/O 24
Programozott I/O, I/O kapu I/O kapuhoz egy 8-16 bites szám van rendelve Utasítás IN REG, PORT : Kiolvassa a portot és a regiszterben tárolja az adatot OUT PORT, REG : A regiszter értékét kiírja a portra (beírja a vezérlőregiszterbe) Memória I/O kapuk 25 Memórialeképezésű I/O Az I/O regiszterek a memória egy részén található Memória Hibrid rendszer (x86) Memória I/O kapuk 26 Programozott I/O Read parancs az I/O modulnak CPU I/O I/O modul státusza I/O CPU nem Készen áll? igen Adat olvasás az I/O modulból hiba I/O CPU Adat írás a memóriába CPU memória nem Végeztünk? igen 27
Programozott I/O Könnyen kivitelezhető, de Terheli a processzort, más feladat nem végezhető Tevékeny várakozás Figyelni kell az állapot bitet Lehet hogy nagyon hosszú ideig kell várni az adatra A státuszregisztert folyamatosan figyelni kell van-e adat 28 Megszakításvezérelt I/O Az eszköz generáljon egy megszakítást ha új adat érkezett Megszakítás hatására a processzor felfüggeszti az aktuális processzust és a megszakításkezelő feldolgozza az adatot Különböző eszközhöz különböző megszakításkezelő kell 29 Megszakításvezérelt I/O 30
Megszakításvezérelt I/O Az operációs rendszer osztja szét a megszakításokat Néha az eszközök osztozni kényszerülnek a megszakításon A megszakításkezelőnek minden eszközt ellenőriznie kell hogy kihez tartozik a megszakítás Mentesíti a processzort a tevékeny várakozástól Az adat bevitelt és kivitelt még mindig a processzor végzi 31 Megszakításvezérelt I/O Read parancs az I/O modulnak I/O modul státusza CPU I/O valami mást csinálhatunk megszakítás I/O CPU Státusz? kész Adat olvasás az I/O modulból hiba I/O CPU Adat írás a memóriába CPU memória nem Végeztünk? igen 32 Megszakítás kezelés Mielőtt a megszakítás feldolgozása megtörténik, az állapotot el kell menteni Regiszter? felülírható? Felhasználói szintű verem? Lehet hogy nem érvényes Kernel verem? Mi a CPU állapota? Pontos és pontatlan megszakítások 33
Pontos megszakítás Egy megszakítás, mely a gépet egy pontosan definiált állapotban hagyja IP elmentve egy ismert helyre Az IP előtti utasításokat teljesen végrehajtotta Az IP utáni utasításokból egyik sem változtat meg semmilyen külsőleg elérhető állapotot Pentium Pro (P2, P3, P4) a visszafelé kompatibilitás miatt ilyen Megszakítás logika nagyon drága Op. rsz. Szempontjából nagyon kedvező 34 Pontatlan megszakítás Pipeline architektúra Utasítások párhuzamos végrehajtása Utasítások sorrenden kívüli végrehajtása A feltételes utasítás sorozat végrehajtása, mielőtt a feltétel eredményét ismernénk Megszakítás esetén a CPU állapotának reprezentálására nem elég az IP Mind ezt visszafejteni nehéz, bonyolult Mindenféle állapotjellemzők elmentése, majd az op. rsz. kitalálja mit kell csinálni. 35 Közvetlen memória-elérés (DMA) Hogy lehet hogy nem a processzor végzi a bevitelt és kivitelt? A periféria közvetlenül elérheti a memóriát és közvetlenül írhat vagy olvashat Direct Memory Access (DMA) 36
DMA 1. CPU beállítja a DMA vezérlőt DMA Lemezvezérlő Meghajtóegység Cím Puffer CPU Számláló Memória 4. Nyugtázás Megszakítás ha kész 2. DMA átvitelt kér 3. adatátvitel Sín 37 DMA CPU beprogramozza a DMA-t (1) Utasítást ad a lemezvezérlőnek, hogy olvasson be adatot a lemezről a pufferbe Ha a puffer tele indulhat a DMA A DMA vezérlő elindítja az átvitelt (2) A lemezvezérlő a pufferből a memóriába másol egy szót (3) Ha az írás készen, a lemezvezérlő nyugtázást küld a DMA-nak (4) 38 DMA A DMA növeli a címet csökkenti a számlálót 2-4 lépések ismétlése amíg a számláló zérus lesz Ha kész, megszakítás jön létre Az adat már a memóriában van, nem kell másolni 39
DMA Miért kell a puffer? Mielőtt az átvitel megtörténne ellenőrzést lehet végezni az adatot (hibaellenőrző kód) Ha a lemez olvasás megindult, az adatok folyamatosan érkeznek függetlenül attól hogy a vezérlő készen van-e 40 I/O szoftver alapjai Eszközfüggetlen Úgy lehessen programot írni amely bármilyen I/O eszközt el tud érni anélkül hogy ismernénk az eszközt előre Pl. file olvasás floppy-ról, merevlemezről, CD-ROMról, DVD-ről, hálózatról, kazettáról Egységes elnevezés Pl. UNIX alatt minden eszköz egy file /dev/hda1 /dev/audio 41 I/O szoftver alapjai Hibakezelés Kezeljük a hibát a lehető legalacsonyabb szinten Ha az eszköz kezelő olvasási hibát tapasztal, még megpróbálhatja javítani, pl. CRC segítségével Ha nem sikerül, megpróbálhatja újra beolvasni Ha nem sikerül, csak ezután kell a hibaüzenetet átadni magasabb szintre 42
I/O szoftver szintjei Felhasználói I/O szoftware Eszköz független op. rsz. szoftware Eszköz kezelő (Device driver) Megszakítás kezelő Hardware 43 Eszközmeghajtó helye 44 Eszközmeghajtó Eredetileg az eszközmeghajtó bele van fordítva a kernelbe Technikusok végezték az installálást Az eszközök száma ritkán változott Manapság dinamikusan betölthetőek a modulok A tipikus felhasználó szintén nem fordít kernelt Az eszközök száma nagy és változatos, gyakran menet közben is változik 45
Eszközmeghajtó A drivereket kategóriákba sorolják Blokk és karakter alapú Eszközmeghajtó munkája A kéréseket lefordítja eszközfüggetlen interface-en keresztül (open, close, read, write) hardware utasítássorozattá Inicializálja az eszközt bekapcsoláskor és lezárja leállítás során 46 Eszközmeghajtó A kérés elküldése után az eszköz azonnal végez és vissztér a híváshoz, vagy az eszköznek fel kell dolgoznia a kérést így az eszközmeghajtó blokkol Eszközmeghajtó re-entrant Újra be lehet lépni, meg lehet hívni, míg egy másik kérés miatt blokkolva van 47 Eszközfüggetlen szoftware I/O A hasonló eszközök között sok hasonló kódrészlet van Felosztjuk a rendszert Eszközfüggetlen és Eszköz függő részekre Eszközfüggetlen kódrészlet Buffer és buffer cache kezelés Eszköz hozzáférés kezelése Hibajelentés 48
Eszközfüggetlen szoftware I/O 49 Eszközfüggetlen szoftware I/O Felhasználói processzus a) Buffer nélküli input b) Bufferelés a felhasználói processzusban c) Egyszeres bufferelés (single buffer) d) Dupla bufferelés kernel módban 50 Nincs bufferelés A processzus byte-onként, szavanként (word) olvas Minden független rendszerhívás sok időt vesz fel A processzusnak várnia kell minden I/O végrehajtására Sok rövid futása a processzusnak nem hatékony 51
Felhasználói szintű bufferelés Processzus megadja a buffert, hogy hova lehet helyezni az adatokat Egy rendszerhívással egy egész bloknyi adatot lehet beolvasni Hatékonyabb Operációs rendszer Felhasználói processzus I/O eszköz 52 Felhasználói szintű bufferelés Problémák Mi történik ha buffert tartalmazó lapot kiírjuk a merevlemezre (swapped out)? Adatot veszíthetünk Rögzíthetjük a lapot a memóriában Sok I/O-t végző processzus hatására kevés memória lesz elérhető, holtponthoz vezethet 53 Egyszeres bufferelés (single buffer) A felhasználói processzus feldolgoz egy blokkot, amíg egy másikot olvasunk be Swap-olás bekövetkezhet, hiszen az adatok nem felhasználói memóriába íródnak Blokk-orientált Operációs rendszer Felhasználói processzus I/O eszköz 54
Hatékonyság Egyszeres bufferelés T + C max( T, C) + M T: az eszközről egy blokk átmásolására szánt idő C: egy blokk feldolgozásának ideje M: egy blokknak a kernelből a felhasználói processzusba való átmásolásra fordított idő 55 Dupla bufferelés Két rendszer buffer A processzus kiolvas adatokat a bufferből, amíg az operációs rendszer a másik buffert üríti vagy feltölti Operációs rendszer Felhasználói processzus I/O eszköz 56 Hatékonyság Dupla bufferelés T + C max( T, C + M ) T: az eszközről egy blokk átmásolására szánt idő C: egy blokk feldolgozásának ideje M: egy blokknak a kernelből a felhasználói processzusba való átmásolásra fordított idő 57
Körkörös bufferelés Akkor használják ha az I/O-nak lépést kell tartania a processzusnak Operációs rendszer Felhasználói processzus I/O eszköz 58 Fontos Mindegyik bufferelés esetén figyelembe kell venni a gyártó-fogyasztó problémát, vagy korlátos tároló problémát 59 Röviden összefoglalva I/O kérés I/O válasz Felhasználói I/O szoftware Eszköz független op. rsz. szoftware Eszköz kezelő (Device driver) Megszakítás kezelő Hardware 60
RAM lemez Lemezek RAID Blokkos eszközök 61 Operációs rendszerek MINB240 7. előadás Input és Output II. Operációs rendszerek MINB240 62 Blokkos eszközök RAM lemezek Memória egy részének lefoglalása Lemezhez hasonló használat Nem állandó jellegű tárolás, de rendkívül gyors elérés Hasznos telepítésnél 63
Lemezek RAID Blokkos eszközök 64 Lemezek Logikai felépítés: blokkok egy dimenziós tömbje Fizikai felépítés: 65 Lemezkezelés Lemez hozzáférések sorrendje nagyon fontos Nagy a sebesség különbség a memória és a lemez között Az átviteli sebesség nagyban függ A kérések sorrendjétől -> lemezfej ütemező Az adatok elhelyezésétől a lemezen -> file rendszer A lemezfej ütemezőnek ismernie kell a lemez geometriáját 66
Lemez geometria Fizikai geometria Virtuális geometria A lemez konstans sebességgel forog. Belső zónák rövidebbek, a fej lassabban mozog felettük. Külső zónák nagyobb területűek, több adatot képesek tárolni. 67 Merevlemez művelet A merevlemez egy mozgó eszköz: pontosan kell pozicionálni az olvasáshoz Egy lemez műveletet befolyásol Várakozási idő: a processzus várakozik az eszközre, hogy hozzáférjen Hozzááférési idő: a lemez fej pozicionálás Transzfer idő: szektorok olvasása/írása a fej alatt 68 Alacsony formátum Egy szektor beolvasása után az adatot át kell adni az operációs rendszernek. Ez sajnos időt vesz el és amikor a következő kérés bejön elmulasztja a szektort. No interleaving Interleaving Dupla interleaving 69
Alacsony formátum Modern eszközök nem használják az interleaving technikát, inkább beolvassák az egész track-et az eszközvezérlő cache-ébe 70 Lemezfej ütemező Egy blokk olvasásának, írásának idejét 3 tényező befolyásolja Keresési idő (domináns): T S A fej mozgatása a megfelelő pályára Forgatási késleltetés Forgási sebesség: r 10 000 rpm, egy fordulat 6 ms, átlagos késleltetés 3 ms Aktuális transzfer idő b byte, N byte per sáv b T = r N 71 Lemezfej ütemező Egy lemezhez több I/O kérés is befuthat A kérések véletlenszerű feldolgozása nagyon rossz hatékonysághoz vezet 72
FIFO, First-In-First-Out ütemező Ahogy bejönnek a kérések úgy dolgozzuk fel Fair, igazságos (nincs éheztetés) Hosszú válaszidő, kis sávszélesség Néhány processzusig jó Sok processzus esetén a random felé tart 73 FIFO Fej mozgása: 640 cylinder 74 SSTF, Shortest Seek Time First Az aktuális pozícióból kiindulva a legkevesebb fej mozgatást igénylő kérést szolgálja ki 75
SSTF Fej mozgása: 236 cylinder 76 Elevator, lift algoritmus (SCAN) Pásztázó algoritmus A fej a lemez egyik végétől a másikig halad Az útba eső kéréseket szolgálja ki Sávszélesség nagy, nincs kiéheztetés 77 SCAN Fej mozgása: 208 cylinder 78
C-SCAN Olyan mint a SCAN, de Ahogy a fej az egyik irányba mozog kicsolgálja a kéréseket Ha elér a lemez végére, azonnal az elejére ugrik a fej 79 C-SCAN 80 Egyéb trükkök Kiszolgálási idő csökkentése Az összetartozó adatok legyenek egymás mellett A leggyakrabban használt adatok legyenek a lemez közepén Tároljuk a leggyakoribb adatokat többször Olvassunk, írjunk egyszerre több blokkot Adattömörítés 81
RAID SLED: Single Large Expensive Disk Redundant Array of Inexpensive Disks Olcsó lemezek redundáns tömbje Általában hardware-ben van implementálva Software RAID egyre gyakoribb a modern operációs rendszerekben Lemezek tönkremenetele elleni védelem, redundancia Egy virtuális lemez jön létre, nem kell új interface 82 RAID 0 Diszkeket fűzünk össze Logikai blokkokat felváltva osztjuk ki Párhuzamos I/O műveletek, gyorsabb Nagyobb teljesítmény Nincs redundancia Adatvesztés nő Blokknál nagyobb egység (strip) 83 RAID, virtuális lemez 84
RAID 1 Lemez tükrözés Minden adatot két független lemezen tárolunk Fele tárolókapacitás Adatvesztés esélye csökken Egyszerű, de drága 85 RAID 0+1, 1+0 86 RAID 2, 3 RAID 2 Redundancia Hamming kódolással Memóriához hasonló RAID 3 87
RAID 4 RAID 0-t kiegészítjük egy paritás lemezzel Egy lemez kiesése esetén a paritás lemez és a többi lemez segítségével helyreállítható az adat 88 RAID 4 Előnyök: Viszonylag olcsó Egy blokk olvasásához egy lemez kell Független olvasások, párhuzamosítás Hátrányok Az írás nem párhuzamosítható A paritás lemezt minden írás használja A lemezek igénybevétele nem egyforma 89 RAID 5 RAID 4 javítása A paritás blokkot az adatok közé keverjük A lemezek igénybevétele egyforma 90
RAID 6 Több paritás blokk, több lemezen 91 RAID Magas megbízhatóság: 1, 5, 0+1, 1+0 Nagy teljesítmény: 0, 1, 0+1, 1+0 Alacsony költség: 0, 5 Bármelyik kettőt teljesíthetjük 92 Hajlékony lemez Egyszerűbb szerkezet Egyszerűbb vezérlő Operációs rendszernek több a munkája Nem használnak lemezfej ütemezőt Szigorúan egymás után fogadják és szolgálják ki a kéréseket Cserélhetők (merev lemezzel ellentétben) 93
Hajlékony lemez Többféle lemezformátum van 5.25 hüvelykes lemez 360 Kbyte - 1.2 MB 3.5 hüvelykes lemez 360 Kbyte - 1.44 MB Formátum meghatározás Magasabb számozású szektorok és pályavonalak olvasása (kizárásos alapon) Probléma lehet a hibás szektor 94 Hibakezelés Hibák Programozói hiba Nem létező szektor kérése Hibajavító kód átmeneti hibája Olvasófejen porszem van Hibajavító kód tartós hibája Lemez blokkja fizikailag káros Keresési hiba A 6. Cilinderhez küldött fej a 7. Cilinderhez mozdul Vezérlő hiba Vezérlő elutasítja a parancsok elfogadását 95 Programozói hiba A vezérlők ellenőrzik a paramétereket Elvileg nem kellene előfordulnia Ebben az esetben a legtöbb amit tehetünk, pillanatnyi lemezkérés hibát jelezni Reméljük hogy nem fog túl sokszor előfordulni 96
Hibajavító kód hibája Időleges Porszemek Ha hiba nem szűnik meg, hibás blokk Kerülni kell a használatát Állomány mely tartalmazza a hibás blokkokat Foglalásnál már nem próbálkozunk többet Olvasás még mindig problémás lehet Biztonsági mentésnél» Ne sávonként mentsünk» Állományonkénti olvasás biztonságosabb 97 Hibajavító kód hibája Hibás szektor Egy üres szektor használata Szektorok eltolása 98 Keresési hiba Általában mechanikus hiba Általában a vezérlő javítja a hibát Beállítja a hiba bitet Megpróbálja újra kalibrálni az eszközt Ha nem oldja meg a problémát, javítani kell az eszközt 99
Vezérlési hiba A vezérlő egy önálló kis számítógép Váratlan események Végtelen vezérlő ciklus Elveszít egy pályavonalat A legrosszabb esetre egy speciális áramkör Arra utasítja a vezérlőt, hogy mindent felejtsen el és újra állítsa be magát 100 Terminálok Régebben a számítógéppel terminálokon keresztül kommunikáltak a felhasználók Képernyő + billentyűzet + vezeték Csoportosítás Tárcímleképzéses csatoló Elektronikailag a számítógép része RS-232 szabványt használó, soros vonallal kapcsolódik Hálózati csatolón keresztül kommunikál 101 Tárcímleképzéses terminál 102
Tárcímleképzéses terminál A legegyszerűbb képernyő üzemmód Karakteres 25 x 80 1 byte - ASCII karakter 1 byte - karakter attribútuma 4000 byte Video memória Grafikus Pixel alapú 103 Tárcímleképzéses terminál A billentyűzet teljesen elvált Soros vagy párhuzamos vonalon kommunikál Minden billentyű leütéskor a CPU-hoz egy megszakítés érkezik Az I/O kapu kiolvasásával kapjuk meg a leütött karaktert 104 RS-232 terminálok Egy olyan eszköz, mely billentyűzetből és megjelenítőből áll soros vonalon bitenként kommunikál Csatlakozó 9 vagy 25 tűs Bitenként kell elküldeni a karaktereket Stop bit Start bit Paritás bit 105
Hálózati terminálok X Window System 106 Órajel megszakítás Az op. rsz. beállíthatja Programozható órák CPU felé (megszakítás) Impulzusok Számláló mely minden Impulzusnál csökken Zérus esetén, megszakítés és újratöltés Programozható kezdeti érték 107 Órák Linux alatt Real-Time Clock (RTC) CPU-tól független CPU Cycle Counter Idő múlásának nyilvántartása (gettimeofday) Időmérés Kernel Clock megszakítást generál fix intervallumokban 108
Óra szoftver Idő karbantartása Processzus csak a megadott ideig fusson CPU kihasználtság nyilvántartása alarm() rendszerhívás kezelése Watchdog időzítők Profilozás, statisztika 109 Alarm Több időzítő szimulálása egy órával Időzítés: 4203, 4207, 4213, 4215, 4216 Minden órajel csökkenti a Next signal számlálót Ha zérus lesz Elküldi a jelzést A lista elejéről betölti a következő számláló értéket 110 Unix 1970 jan 1 -től Windows 1980 jan 1 -től Idő karbantartása 111
Power management Energia egyre inkább probléma a hadrware tervezők számára Hosszú élettartamú akkumulátorok mobil eszközökhöz Hő kezelése Operációs rendszer tudja mi történik a gépen Jelentős szerep az energiakezelésben Kikapcsolhat egységeket Csökkentheti a teljesítményt (energia takarékosság) 112 Fogyasztási statisztika 113 Power management Lemeznél Időbe telik a leállítás és a felpörgetés Segít Bufferelés, RAM lemez Képernyőnél mely rész háttérvilágítását lehet lekapcsolni 114
Power management CPU alvó állapotba helyezhető Megszakítás ébreszti (a) a CPU teljes sebességen fut (b) a CPU fele sebességen fut Negyes akkor fogyasztás 115 ACPI Advanced Configuration and Power Interface Intel, Microsoft, Toshiba fejlesztette Definiál Hardware regisztereket Szilikonban implementálva BIOS interface Rendszer és eszköz állapotokat ACPI Thermal model 116 ACPI 117