9. Verwaltung von Ein- und Ausgabegeräten

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1 9. Verwaltung von Ein- und Ausgabegeräten 9.1 Ein- und Ausgabegeräte Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte und Anwendungen. Dadurch wird eine konsistente, allgemeingültige Lösung erschwert. Grob lassen sich die externen E/A-Geräte in drei Gruppen unterteilen: - Geräte im Bereich des Mensch-Maschine-Interfaces (z.b. Bildschirm, Tastatur, Maus, Drucker,...) - Geräte im Bereich des Maschinen-Interfaces (z.b. Festplatten- und Bandlaufwerke, Sensoren, Controller,...) - Geräte im Bereich der Datenübertragung (für Datenaustausch mit anderen weiter entfernten Geräten, z.b. Modems) Die einzelnen Geräte unterscheiden sich bezüglich - Datenrate, - Anwendungsbereich, - Komplexität der Steuerung, - Übertragungseinheit, - Datendarstellung und - Fehlerbedingungen. Andere Klassifizierung nach Übertragungseinheit: - Blockorientierte Geräte: Blöcke (zwischen 512 bis Byte) sind direkt addressierbar (z.b. Festplatte, CD-ROMs, USB-Stick), jede Übertragung läuft in Einheiten von einem oder mehreren Blöcken ab - Zeichenorientierte Geräte: Lesen und Schreiben erfolgt in Zeichenströmen (Streams), z.b. Maus, Drucker - Sonstige Geräte: z.b. Systemuhren 9.2 Entwicklungsziele bei der Gestaltung der E/A-Funktion Beim Design der E/A-Funktionalität gilt es einen Kompromiss zwischen zwei unterschiedlichen Zielen zu erreichen: Effizienz: ist wichtig, da die E/A oft einen Engpass darstellt. Sie ist im Vergleich zu Hauptspeicherzugriff und Prozessor extrem langsam. Abhilfe schafft der Mehrprogrammbetrieb, der jedoch auch neue Probleme mitbringt. So bringen mehr Prozesse wieder zusätzliche E/A-Operationen durch neue Auslagerungen. Flexibilität: Sie beinhaltet eine allgemeingültige Behandlung aller Geräte um einen einfacheren Zugriff und geringere Fehlermöglichkeiten zu ermöglichen. Ein Problem ist hierbei die Gerätevielfalt. Abhilfe schafft ein hierarchischer und modularer Aufbau der E/A-Funktion. Es existieren einheitliche Schnittstellen für E/A-Operationen (z.b.: Zugriffsfunktionen wie open, close, lock, unlock, ). 9.3 Flexibilitätserhöhung durch Schichten-Struktur So wie das gesamte Betriebssystem eine Schichtenstruktur aufweist, indem eine hierarchische Ordnung der Funktionen nach ihrer Komplexität, ihrer Zeitskala und ihrem Abstraktionsgrad vorgenommen wurde, ist auch die E/A-Funktion in Schichten aufgebaut.

2 Schichtung der Ein- und Ausgabeverarbeitung, aus P. Mandl: Grundkurs Betriebssysteme Geräteverwaltung Schnittstelle zu den physikalischen Geräten (meist eine Standardschnittstelle, die alle blockorientierten Gerätetreiber unterstützen müssen und eine die zeichenorientierte Gerätetreiber unterstützen müssen) Anwendungsprozesse greifen über diese vordefinierten Schnittstellen mit Hilfe von Systemcalls auf die Geräte zu. Bereitstellung des Spooling-Systems, damit exklusiv zu benutzende Geräte auch im Mehrprogrammbetrieb betrieben werden können o Prozess generiert gesamte zu druckende Datei im Spoolingverzeichnis o Eigentlicher Druck erfolgt, wenn das Gerät frei ist aus diesem Verzeichnis heraus o Spooling gibt es auch bei der Datenübertragung über ein Netzwerk Treiber Der Treiber ist ein Computerprogramm oder modul. Er nutzt Schnittstellen zum Kommunikationsbus oder anderen Kommunikationssystemen, an denen das Gerät angeschlossen ist, um Steuersignale und/oder Daten zum Gerät zu senden bzw. vom Gerät zu empfangen. Auf der anderen Seite stellt er eine Schnittstelle für eine Nutzung dieser Funktionen durch das Betriebssystem oder Anwendungsprogramme bereit.

3 Um den Programmierer von lästigen Details zu entlasten, sollen alle gerätespezifischen Handlungen jeweils in einer eigenen Komponente, dem Gerätetreiber zusammengefasst sein. Treiber laufen in Multiuser-Betriebssystem typischerweise im Kernel-Modus Aufgaben von Treibern: o Der Treiber definiert das Gerät und macht es dem BS bekannt Initialisierung des Gerätecontrollers bei Systemstart (in manchen BS können Treiber auch dynamisch installiert werden) o Er stellt logisches Programmiermodell zur Verfügung und übersetzt es in gerätespezifische Anforderungen o Er dient der Pufferung der Daten beim Kopieren von Daten von der Zentrale (Prozessor, Hauptspeicher) zum Gerät (oder umgekehrt) Ohne Pufferung existiert eine enge Bindung der E/A-Operation an das E/A-Gerät. Ein einfaches Übertragen der Daten blockiert in diesem Fall das System. Außerdem gibt es Probleme bei der Auslagerung von Prozessen, die gerade E/A-Operationen tätigen. Hier kann auch eine Verklemmung auftreten. Pufferung von E/A-Aktivitäten fängt Spitzenlastfälle ab und erhöht damit die Performance. o Er übernimmt die Unterbrechungsbehandlung für das Gerät (Treiber enthält die Interrupt Sevice Routine) o Er dient der Koordination der nebenläufigen Zugriffe auf das Gerät

4 9.4 Festplatte Aufbau der Festplatte Kunststoff- bzw. Aluminiumscheiben, heute beidseitig überzogen mit hauchdünner Magnetschicht Schreib-Leseköpfe, einer je Oberfläche, sind auf mechanischem Träger befestigt und mit kleinem Elektromagneten ausgestattet Platten rotieren mit konstanter Geschwindigkeit ( U/min) um die senkrechte Achse (Anzahl der Umdrehungen und Anzahl der Scheiben variiert für einzelne Platten)

5 Herstellerseitig wird Low-Level-Formatierung vorgenommen durch Anlegen von Spuren (konzentrische Kreise, die auf allen Magnetscheiben in der Festplatte gleich sind). Alle Spuren übereinander werden als Zylinder bezeichnet und sind mit einer Stellung der Schreib-Leseköpfe ansprechbar Spuren sind nochmals in den Sektoren aufgeteilt Anfrage erfolgt über vier Koordinaten: Laufwerk, Zylindernummer, Nummer des Schreib-Lesekopfes, Sektornummer Vom Betriebssystem werden nur logische Sektoren in durchnummerierter Reihenfolge adressiert, Mapping zwischen diesen und den Gerätekoordinaten übernimmt der Controller Sektor enthält neben Präambel mit Verwaltungsinformation Nutzerdaten und ECC (Fehlerkorrekturcode) aus P. Mandl: Grundkurs Betriebssysteme 9.5 Scheduling von Festplattenzugriffen Leistungsverhalten des Subsystems Festplatte wichtig für gesamtes Leistungsverhalten eines Computersystems Leistungsparameter der Festplatte wird beeinflusst durch: o Positionierzeit o Rotationsverzögerung o Übertragungszeit 1 T = TS + + 2r b rn T: Gesamtzugriffszeit T s : mittlere Positionierzeit r: Rotationsgeschwindigkeit (U. pro s) b: Anzahl der zu übertragenden Bytes N: Anzahl der Bytes in einer Spur

6 Strategien zur Steuerung des Zugriffs auf Festplatten Ziel: Verbesserung des Leistungsverhaltens durch Reduktion der durchschnittlichen Positionierzeit Zuteilung nach wahlfreiem Zugriff: schlechtestes Leistungsverhalten = Maßstab zum Vergleich der anderen Techniken FIFO (First In First Out): fairste Strategie SSTF (Shortest Service Time First): Wahl des Auftrages, der von der aktuellen Position des Plattenarms die geringste Bewegung erfordert SCAN: systematische Bewegung des Plattenarms in abwechselnder Richtung und Abarbeitung der Aufträge auf dem Weg C-SCAN: systematische Bewegung des Plattenarms in nur eine Richtung und Abarbeitung der Aufträge auf dem Weg Beispiel Warteschlange: Spuren 55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, Geräteanbindung In Unix und Linux Behandlung der Geräte als Spezialdateien (liegen in speziellen Systemverzeichnissen /dev) Kommunikation von CPU mit den Geräten heute über Memory-Mapped E/A Abbildung der Kontrollregister und der E/A-Pufferbereiche der Gerätecontroller auf Adressen im virtuellen Adressraum, jedem Gerät wird spezielle Adresse zugewiesen (Überwachung und Vergabe der Adressen durch das BS um Konflikte zu vermeiden)

7 aus P. Mandl: Grundkurs Betriebssysteme Bei Adressierung eines Datenregisters wird die Adresse wie normale Hauptspeicheradresse auf den Adressbus gelegt, über zusätzliche Signalleitung wird angegeben, dass es sich um Geräteadresse handelt, Anfrage wird dann vom Gerät beantwortet Für schnellen Zugriff der Geräte auf den Hauptspeicher gibt es noch DMA (Direct Memory Access), wo ganze Datenblöcke zwischen dem Gerätecontroller und dem Hauptspeicher transportiert werden DMA-Zugriffe können parallel zur CPU-Bearbeitung ausgeführt werden 9.7 RAID (Redundant Array of Independent Disks) In einem RAID-System werden mehrere physikalische Festplatten eines Computers zu einem einzigen logischen Laufwerk verbunden. In dem System werden redundante Informationen gezielt erzeugt, damit beim Ausfall einzelner Komponenten das RAID-System als Ganzes seine Funktionalität beibehält. Neben der Erhöhung der Ausfallsicherheit wird eine Leistungssteigerung erreicht, da eine parallele Bearbeitung von E/A-Aufträgen ermöglicht wird. Außerdem kann der Austausch von Festplatten und die Erhöhung der Speicherkapazität während des Systembetriebs vorgenommen werden. Die sieben unterschiedlichen RAID-Level spezifizieren, wie die Festplatten in dem konkreten Fall zusammenwirken. Die gebräuchlichsten RAID-Level sind RAID 0, RAID 1 und RAID 5. RAID 0 Hier ist keine Redundanz zur Leistungssteigerung vorgesehen. Der parallele Zugriff wird durch die Unterteilung des logischen Speicherplatzes in Bänder (stripes) und die Verteilung von jeweils n aufeinander folgenden Bändern auf den n Festplatten des Diskarrays ermöglicht.

8 RAID 1 Es wird Redundanz erzeugt, indem alle Daten dupliziert werden. Vorteile: - Der Leseauftrag kann von einer der Platten bedient werden. Die Auswahl richtet sich nach der Positionierzeit und der Rotationsverzögerung. - Die Aktualisierung beim Schreiben kann ohne Berechnungen und parallel erfolgen. - Die Daten sind auch bei Ausfall einer Platte verfügbar. - Nach einem Ausfall der Daten ist die Wiederherstellung einfach. RAID 5 Bei dieser Variante wird eine gesteigerte Performance beim Lesen der Daten als auch deren Redundanz bei relativ geringen Kosten erreicht. Dadurch ist dies die beliebteste RAID-Variante. Es erfolgt kein Duplizieren der Daten mehr. Zur Gewährleistung der Ausfallsicherheit wird die Berechnung eines Paritätsbandes zur Informationskontrolle mittels Hamming-Code für die entsprechenden Bänder auf den Datenplatten genutzt. Die Verteilung der Paritätsinformation erfolgt auf unterschiedlichen Platten, um eine unabhängige Zugriffstechnik und damit die parallele Bearbeitung von E/A-Aufträgen zu ermöglichen

9 Die Berechnung der Parität erfordert leistungsfähige RAID-Controller und führt beim Schreiben zu einer Verminderung der Datentransferrate im Vergleich zu den anderen beiden häufig genutzten RAID-Leveln. Die Datensicherheit ist hier beim Ausfall von maximal einer Platte gewährleistet, wobei die Restauration der Daten aufwändiger ist.

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