E/A System (I/O Subsystem)

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1 E/A System (I/O Subsystem) SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 1 Magnetplatten System - Disk Subsystem SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 2 Prof. H. D. Clausen 1

2 Zeitlicher Ablauf eines Plattenzugriffs SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 3 RAID Umdrehungsgeschwindigkeit der Platten ist begrenzt: Zur Erhöhung der Geschwindigkeit Parallelität nutzen RAID: redundant array of inexpensive disks redundant: RAID kann durch Redundanz die Zuverlässigkeit erhöhen array: RAID benutzt parallele Anordnung einfacher Platten inexpensive: RAID benutzt einfache und in grosser Stückzahl gefertigte Standartgeräte mit gutem Preis/Leistungsverhältnis SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 4 Prof. H. D. Clausen 2

3 A RAID device SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 5 Design Technik: the power of parallelism Es ist schwierig und teuer, Geräte und Komponenten schneller zu machen z.b. Prozessoren, Platten, Speicher, E/A Geräte Man stösst auf das Gesetz des geringeren Gewinns Law of Diminishing Returns In vielen Situationen kann durch Ausnutzen von Parallelität eine Gewchwindigkeitserhöhung erzielt werden Multiprozessoren, RAID, Mehrfachanordnung von E/A Geräten wie Drucker, Bandgeräte, Platten, etc. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 6 Prof. H. D. Clausen 3

4 Überlapping von Tansfer und Suchen SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 7 SCSI Architektur SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 8 Prof. H. D. Clausen 4

5 Wesentliche Funktionen Gerätetreiber (device drivers) character and block interfaces Doppelpufferung (double buffering) Disk head scheduling batching and aging as solutions to starvation disk models Verallgemeinerte Gerätetreiber (generalized device drivers) disk parititions, RAM disks, pseudo-ttys, etc. Disk caching SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 9 I/O System Architektur Gerätekontroller sind direkt am Bus angeschlossen und repräsentieren das Gerät Geräte-Treiber (device driver / handler) sprechen direkt den Gerätekontroller an und durch sie das Gerät Geräte-Treiber stellen eine gemeinsame, standardisierte Schnittstelle für das restliche Betriebssystem bereit SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 10 Prof. H. D. Clausen 5

6 Direct Memory Access - Direkter Seicherzugriff Used to avoid programmed I/O for large data movement = Vermeiden von programmierter Ein-/Ausgabe für Transfer grösserer Datenmengen Requires DMA controller = erfordert Hardwareunterstützung durch DMA Kontroller Bypasses CPU to transfer data directly between I/O device and memory =umgeht die CPU und überträgt Daten direkt zwischen dem I/O Gerät und dem Speicher SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 11 Six step process to perform DMA transfer SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 12 Prof. H. D. Clausen 6

7 Gerätetreiber (Device Drivers) SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 13 Application I/O Interface Die I/O System Calls fassen die Gerätecharakteristik in generischen Klassen zusammen Die funktionalen Schichten der Gerätetreiber verbergen die spezifischen Unterschiede der Kontroller vor den Funktionen des OS-kernel Geräte unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht Character-stream or block Sequential or random-access Sharable or dedicated Speed of operation read-write, read only, or write only SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 14 Prof. H. D. Clausen 7

8 Interrupt-drive I/O Zyklus SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 15 Typische Treiberschnittstelle Open(int devicenumber): controllers can control more than one device Close(int devicenumber) Read(int devicenumber, int deviceaddress, void * memoryaddress, int length) Write(int devicenumber, int deviceaddress, void * memoryaddress, int length) SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 16 Prof. H. D. Clausen 8

9 Treiber Typen Block or disk device drivers disks have fixed-size, addressable blocks so no length is required, it is always one block Character device drivers these devices deliver a stream of data with no addresses, no no device address is used these devices need a device control command to handle detailed points (like which paper tray to use) SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 17 Device Control Commands Kontrolle des Geräts und nicht Datentransfer Beispiele which paper tray to use in a printer rewind a tape turn of echoing on a terminal ring the bell on a terminal SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 18 Prof. H. D. Clausen 9

10 Einfache und Doppel-Puffer SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 19 Double buffering flow of control SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 20 Prof. H. D. Clausen 10

11 Disk Struktur Disk drives are addressed as large 1-dimensional arrays of logical blocks, where the logical block is the smallest unit of transfer. The 1-dimensional array of logical blocks is mapped into the sectors of the disk sequentially. Sector 0 is the first sector of the first track on the outermost cylinder. Mapping proceeds in order through that track, then the rest of the tracks in that cylinder, and then through the rest of the cylinders from outermost to innermost. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 21 Disk Scheduling The operating system is responsible for using hardware efficiently for the disk drives, this means having a fast access time and disk bandwidth. Access time has two major components Seek time is the time for the disk are to move the heads to the cylinder containing the desired sector. Rotational latency is the additional time waiting for the disk to rotate the desired sector to the disk head. Minimize seek time Seek time seek distance Disk bandwidth is the total number of bytes transferred, divided by the total time between the first request for service and the completion of the last transfer. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 22 Prof. H. D. Clausen 11

12 Disk Scheduling (Cont.) Several algorithms exist to schedule the servicing of disk I/O requests. We illustrate them with a request queue (0-199). 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Head pointer 53 SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 23 Disk Head Scheduling Falls mehrere Anforderungen für Plattenzugriff in der Warteschlange stehen - welcher soll zuerst ausgeführt werden?? Strategien: First-come, first-served (FCFS) Shortest-seek-time-first (SSTF) * kann zum Verhungern (starvation) führen * verlangt nach Erweiterungen (aging, batching) Aufzug Algorithmus (elevator algorithm) SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 24 Prof. H. D. Clausen 12

13 FCFS Queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Head starts at Gesamte Wegstrecke des Schreib-/Lesekopfs = 640 Zylinder. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 25 SSTF Wählt den Request mit der Minimalen Suchzeit (minimum seek time from the current head position). SSTF ist eine Sonderform des SJF scheduling; kann zum Verhungern einzelner Requests führen. Beispiel zeigt Gesamtbewegung von 236 Zylinder. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 26 Prof. H. D. Clausen 13

14 SSTF Queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Head starts at Gesamte Wegstrecke des Schreib-/Lesekopfs = 236 Zylinder. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 27 SCAN die Armbewegung beginnt an einem Rand der Platte in Richtung auf den anderen Rand; alle dazwischenliegenden Requests werden verarbeitet. Am anderen Rand angekommen, wird die Bewegung umgekehrt und auf dem Rückweg werden wieder alle mittlerweile eingetroffenen Requests erledigt. Diese Methode wird oft als Aufzugsalgorithmus bezeichnet (elevator algorithm). Gesamte Kopfbewegung ist 208 Zylinder. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 28 Prof. H. D. Clausen 14

15 SCAN Queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Head starts at Gesamte Wegstrecke des Schreib-/Lesekopfs = 208 Zylinder. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 29 C-SCAN Wie bei SCAN bewegt sich der Kopf zum Rand hin und erledigt alle anliegenden Requests. Wenn er den Rand erreicht, kehrt er sofrt an den anderen Rand zurück ohne anliegende Requests zu verarbeiten und beginnt dann wieder mit einem SCAN. Dieses Verfahren behandelt die Spuren wie eine zusammenhängende Liste (wrap around). Führt zu einer gleichförmigeren Verteilung der mittleren Wartezeiten. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 30 Prof. H. D. Clausen 15

16 SCAN Queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Head starts at SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 31 C-LOOK Modifikation von C-SCAN Der Arm bewegt sich nur bis zum jeweils letzten Request in einer Richtung und dreht dann sofort um ohne bis zum Rand weiterzusuchen. Der SCAN beginnt dann wieder mit dem letzten auf dem Rückweg angetroffenen Request. Dieser Algorithmus vermeidet die jeweils letzten Bewegungen bis zum Rand der Platte. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 32 Prof. H. D. Clausen 16

17 C-LOOK Queue = 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Head starts at SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 33 Der Aufzugalgorithmus Elevator Algorithm 1. Beginn der Bewegung bei Zylinder 0 (Null) in Richtung aufwärts. 2. Sei N der aktuelle Zylinder. 3. Falls die Richtung aufwärts ist, dann wähle den nächsten Request für Zylinder N oder höher; andernfalls else (Richtung ist abwärts ) wähle den nächsten Request für Zylinder N oder niedriger. 4. Falls keine weiteren Request in tdieser Richtung anliegen, drehe die Bewegung um. 5. Ab Schritt 2 wiederholen bis ausgeschaltet wird. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 34 Prof. H. D. Clausen 17

18 Auswahlkriterien für Disk-Scheduling Algorithmen SSTF ist weit verbreitet und ist eine attraktive Lösung SCAN und C-SCAN zeigen bessere Leistung vor allem bei Plattensystemen mit hoher Last. Die Leistung hängt jedoch von der Anzahl und vom Typ der Anforderungen ab. Die vom Betriebssystem verwendete Art der Speicherplatz-Zuteilung (file-allocation method ) beeinflusst das Anforderungsprofil stark. der Disk-scheduling Algorithm sollte unabhängig vom Prozessscheduler des Betriebssystems als eigener Modul realisiert werden. Sowohl SSTF als auch LOOK sind vernünftige Kompromisslösungen (default solutions). SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 35 Device numbers - Gerätenummern The main use of device numbers is to name which device to use (among those controlled by a single controller) But they are often used to convey other information, for example: device 0 rewinds when done, device 8 does not device 0 uses normal-sized paper, device 8 uses legal-sized paper device 0 writes at high density, device 1 at medium density and device 2 at low density SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 36 Prof. H. D. Clausen 18

19 Vereinheitlichung von Dateien und Geräten Unification of files and devices The device driver interface is nearly the same as the file interface = Schnittstelle zum Gerätetreiber ist fast identsich mit der Schnittstelle zur Datei (auf niedriger Ebene!) The I/O system has code to translate from the file interface to the device driver interface, so file commands can be used on devices = das I/O System bietet daher oft eine Übersetzung zwischen der Gerätetreiber-Schnittstelle und der Datei- Schnittstelle an und gestattet dann auch die Ausführung von Dateibefehlen auf Geräten SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 37 File, block, and character interfaces SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 38 Prof. H. D. Clausen 19

20 Generalized device drivers Device drivers can create useful effects they can partition a physical disk into several logical disks (usually called partitions) they can combine several physical disks into a single logical disk they can use RAM to simulate a (very fast) disk they can allow you to read an address space by making it look like a disk they can pretend they are talking to a terminal when they are really talking to a program SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 39 Partitioning a disk SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 40 Prof. H. D. Clausen 20

21 Combining disks SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 41 RAM disk SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 42 Prof. H. D. Clausen 21

22 Physical memory as a disk SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 43 Disk Management Low-level formatting, or physical formatting Dividing a disk into sectors that the disk controller can read and write. To use a disk to hold files, the operating system still needs to record its own data structures on the disk. Partition the disk into one or more groups of cylinders. Logical formatting or making a file system. Boot block initializes system. The bootstrap is stored in ROM. Bootstrap loader program. Methods such as sector sparing used to handle bad blocks. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 44 Prof. H. D. Clausen 22

23 Swap-Space Management Swap-space Virtual memory uses disk space as an extension of main memory. Swap-space can be carved out of the normal file system,or, more commonly, it can be in a separate disk partition. Swap-space management 4.3BSD allocates swap space when process starts; holds text segment (the program) and data segment. Kernel uses swap maps to track swap-space use. Solaris 2 allocates swap space only when a page is forced out of physical memory, not when the virtual memory page is first created. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 45 Disk Reliability Several improvements in disk-use techniques involve the use of multiple disks working cooperatively. Disk striping uses a group of disks as one storage unit. RAID schemes improve performance and improve the reliability of the storage system by storing redundant data. Mirroring or shadowing keeps duplicate of each disk. Block interleaved parity uses much less redundancy. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 46 Prof. H. D. Clausen 23

24 Stable-Storage Implementation Write-ahead log scheme requires stable storage. To implement stable storage: Replicate information on more than one nonvolatile storage media with independent failure modes. Update information in a controlled manner to ensure that we can recover the stable data after any failure during data transfer or recovery. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 47 Tertiäre Speichergeräte Low cost is the defining characteristic of tertiary storage. = geringe Gerätekosten Generally, tertiary storage is built using removable media = (de)montierbare Datenträger Common examples of removable media are floppy disks and CD-ROMs; other types are available. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 48 Prof. H. D. Clausen 24

25 Removable Disks Floppy disk thin flexible disk coated with magnetic material, enclosed in a protective plastic case. Most floppies hold about 1 MB; similar technology is used for removable disks that hold more than 1 GB. Removable magnetic disks can be nearly as fast as hard disks, but they are at a greater risk of damage from exposure. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 49 Removable Disks (Cont.) A magneto-optic disk records data on a rigid platter coated with magnetic material. Laser heat is used to amplify a large, weak magnetic field to record a bit. Laser light is also used to read data (Kerr effect). The magneto-optic head flies much farther from the disk surface than a magnetic disk head, and the magnetic material is covered with a protective layer of plastic or glass; resistant to head crashes. Optical disks do not use magnetism; they employ special materials that are altered by laser light. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 50 Prof. H. D. Clausen 25

26 A program simulating a terminal SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 51 Disk caching - Schattenspeicher Memory is about 50,000 times faster than disk, that is the reason for RAM disks But we can selectively keep parts of the disk in a memory buffer (a disk cache) locality makes this work very well Disk caching is very effective we rarely need to read data twice in modern OSs but disk caching is not effective for writes SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 52 Prof. H. D. Clausen 26

27 Disk caching flow of control Last SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 53 Two-level device driver SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 54 Prof. H. D. Clausen 27

28 SCSI device drivers SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 55 Block and Character Devices Block devices include disk drives Commands include read, write, seek Raw I/O or file-system access Memory-mapped file access possible Character devices include keyboards, mice, serial ports Commands include get, put Libraries layered on top allow line editing SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 56 Prof. H. D. Clausen 28

29 Network Devices Varying enough from block and character to have own interface Unix and Windows/NT include socket interface Separates network protocol from network operation Includes select functionality Approaches vary widely (pipes, FIFOs, streams, queues, mailboxes) SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 57 Clocks and Timers Provide current time, elapsed time, timer if programmable interval time used for timings, periodic interrupts ioctl (on UNIX) covers odd aspects of I/O such as clocks and timers SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 58 Prof. H. D. Clausen 29

30 Blocking and Nonblocking I/O Blocking - process suspended until I/O completed Easy to use and understand Insufficient for some needs Nonblocking - I/O call returns as much as available User interface, data copy (buffered I/O) Implemented via multi-threading Returns quickly with count of bytes read or written Asynchronous - process runs while I/O executes Difficult to use I/O subsystem signals process when I/O completed SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 59 Kernel I/O Subsystem Scheduling Some I/O request ordering via per-device queue Some OSs try fairness Buffering - store data in memory while transferring between devices To cope with device speed mismatch To cope with device transfer size mismatch To maintain copy semantics SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 60 Prof. H. D. Clausen 30

31 Kernel I/O Subsystem Caching - fast memory holding copy of data Always just a copy Key to performance Spooling - hold output for a device If device can serve only one request at a time i.e., Printing Device reservation - provides exclusive access to a device System calls for allocation and deallocation Watch out for deadlock SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 61 Error Handling OS can recover from disk read, device unavailable, transient write failures Most return an error number or code when I/O request fails System error logs hold problem reports SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 62 Prof. H. D. Clausen 31

32 Kernel Data Structures Kernel keeps state info for I/O components, including open file tables, network connections, character device state Many, many complex data structures to track buffers, memory allocation, dirty blocks Some use object-oriented methods and message passing to implement I/O SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 63 I/O Requests to Hardware Operations Consider reading a file from disk for a process Determine device holding file Translate name to device representation Physically read data from disk into buffer Make data available to requesting process Return control to process SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 64 Prof. H. D. Clausen 32

33 Lebenszyklus eines I/O Request SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 65 Performanz - Leistung I/O a major factor in system performance Demands CPU to execute device driver, kernel I/O code Context switches due to interrupts Data copying Network traffic especially stressful SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 66 Prof. H. D. Clausen 33

34 Intercomputer communications SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 67 Leistungsverbesserungen Reduce number of context switches Reduce data copying Reduce interrupts by using large transfers, smart controllers, polling Use DMA Balance CPU, memory, bus, and I/O performance for highest throughput SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 68 Prof. H. D. Clausen 34

35 Operating System Issues Major OS jobs are to manage physical devices and to present a virtual machine abstraction to applications For hard disks, the OS provides two abstraction: Raw device an array of data blocks. File system the OS queues and schedules the interleaved requests from several applications. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 69 Application Interface Most OSs handle removable disks almost exactly like fixed disks a new cartridge is formatted and an empty file system is generated on the disk. Tapes are presented as a raw storage medium, i.e., and application does not not open a file on the tape, it opens the whole tape drive as a raw device. Usually the tape drive is reserved for the exclusive use of that application. Since the OS does not provide file system services, the application must decide how to use the array of blocks. Since every application makes up its own rules for how to organize a tape, a tape full of data can generally only be used by the program that created it. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 70 Prof. H. D. Clausen 35

36 File Naming The issue of naming files on removable media is especially difficult when we want to write data on a removable cartridge on one computer, and then use the cartridge in another computer. Contemporary OSs generally leave the name space problem unsolved for removable media, and depend on applications and users to figure out how to access and interpret the data. Some kinds of removable media (e.g., CDs) are so well standardized that all computers use them the same way. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 71 Hierarchical Storage Management (HSM) A hierarchical storage system extends the storage hierarchy beyond primary memory and secondary storage to incorporate tertiary storage usually implemented as a jukebox of tapes or removable disks. Usually incorporate tertiary storage by extending the file system. Small and frequently used files remain on disk. Large, old, inactive files are archived to the jukebox. HSM is usually found in supercomputing centers and other large installaitons that have enormous volumes of data. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 72 Prof. H. D. Clausen 36

37 Geschwindigkeit Two aspects of speed in tertiary storage are bandwidth and latency. Bandwidth is measured in bytes per second. Sustained bandwidth average data rate during a large transfer; # of bytes/transfer time. Data rate when the data stream is actually flowing. Effective bandwidth average over the entire I/O time, including seek or locate, and cartridge switching. Drive s overall data rate. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 73 Geschwindigkeit - 2 Access latency amount of time needed to locate data. Access time for a disk move the arm to the selected cylinder and wait for the rotational latency; < 35 milliseconds. Access on tape requires winding the tape reels until the selected block reaches the tape head; tens or hundreds of seconds. Generally say that random access within a tape cartridge is about a thousand times slower than random access on disk. The low cost of tertiary storage is a result of having many cheap cartridges share a few expensive drives. A removable library is best devoted to the storage of infrequently used data, because the library can only satisfy a relatively small number of I/O requests per hour. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 74 Prof. H. D. Clausen 37

38 Zuverlässigkeit Reliability A fixed disk drive is likely to be more reliable than a removable disk or tape drive. An optical cartridge is likely to be more reliable than a magnetic disk or tape. A head crash in a fixed hard disk generally destroys the data, whereas the failure of a tape drive or optical disk drive often leaves the data cartridge unharmed. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 75 Kosten Main memory is much more expensive than disk storage The cost per megabyte of hard disk storage is competitive with magnetic tape if only one tape is used per drive. The cheapest tape drives and the cheapest disk drives have had about the same storage capacity over the years. Tertiary storage gives a cost savings only when the number of cartridges is considerably larger than the number of drives. SS2001 Prof. H. D. Clausen - unisal 76 Prof. H. D. Clausen 38

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