Ein- und Ausgabe I/O WS 12/13 IAIK 1

Transkript

1 Ein- und Ausgabe I/O WS 12/13 IAIK 1

2 I/O Überwachung der I/O eine der Hauptaufgaben Kommandos Interrupts Fehlerbehandlung Einfache, einheitliche Schnittstelle zur HW für Applikationen Geräteunabhängigkeit IAIK 2

3 Hardware Aus dem Gesichtspunkt der Programmierung Hängt mit Aufbau und Arbeitsweise der Hardware zusammen IAIK 3

4 Kategorisierung Blockorientierte Geräte (block devices) Speichert Informationen in Blöcken fixer Größe Können unabhängig voneinander gelesen/geschrieben werden Beispiel: Festplatten IAIK 4

5 Kategorisierung Zeichenorientierte Geräte (character devices) Erzeugt und akzeptiert Zeichenströme (character streams) ohne Rücksicht auf Blockstruktur Nicht adressierbar, keine Suchfunktion Beispiel: Drucker, Keyboard, Mäuse, Netzwerk IAIK 5

6 Kategorisierung Sonstige Devices Uhren Bildschirme Allgemeines Modell, erlaubt es Teile des BS geräteunabhängig zu gestalten IAIK 6

7 Controller I/O-Geräte haben mechanische Komponente (Gerät) und elektronische Komponente (Controller) Controller steuert Gerät konvertiert Datenströme IAIK 7

8 Beispiel: Festplatte Festplatte liefert Vorspann, 4096 bit Sektordaten, Prüfsumme Controller konvertiert Daten in Byte-Blöcke, führt eventuell Fehlerkorrektur durch und kopiert Daten in Hauptspeicher IAIK 8

9 Kommunikation mit Controller über Register Beschreiben der Register: Befehle erteilen Auslesen: Statusabfrage Datenpuffer IAIK 9

10 Kommunikation I/O-Befehle und I/O-Ports IN REG, PORT OUT PORT, REG Getrennte I/O- und Datenadressräume IN R1,4 MOV R1,4 IAIK 10

11 Kommunikation Einblenden der Kontrollregister in den Hauptspeicher wie Hauptspeicher angesprochen Memory-Mapped I/O Adressen meist oben im Speicher Kombinationen möglich (Pentium) IAIK 11

12 Vorteile keine speziellen I/O-Befehle, daher in Hochsprache programmierbar Kontrolle über Einbindung virtueller Seiten in Adressraum des Prozesses realisierbar Gerätetreiber unterschiedliche Adressräume Weniger Befehle für zb Tests, da spezielle Speicherbefehle verwendbar IAIK 12

13 Nachteile Cachen muss verhindert werden komplexere Hardware Alle Geräte und Speichermodule müssen alle Speicherzugriffe prüfen was aber, wenn mehrere Busse? schnellere Busse für Memory Standard IAIK 13

14 mehrere Busse nicht alle Speicherzugriffe auf allen Bussen sichtbar Lösung: Filtern von Adressen z.b. Northbridge/Southbridge (Intel) IAIK 14

15 DMA Daten von Controller zeichenweise holen aufwändig DMA: Controller transferiert Daten selbständig ins Memory DMA-Controller (pro Gerät oder zentraler Baustein) hat immer Zugriff auf Systembus IAIK 15

16 DMA IAIK 16

17 Wortweise/Blockweise DMA-Controller bekommt ein Wort vom device benötigt Bus Prozessor muss auf Bus warten cycle-stealing Bus wird belegt, Übertragung durchgeführt, Bus freigegeben burst-mode effizienter, aber Bus länger blockiert IAIK 17

18 fly-by Modus Daten vom Gerät an den Controller (Puffer) von Controller direkt in Hauptspeicher können auch an DMA-Controller geschickt und von diesem an Gerät weitergeleitet werden IAIK 18

19 virtuelle Adressen DMA-Controller verwendet physische Adressen Betriebssystem muss virtuelle Adressen umrechnen IAIK 19

20 warum Puffer im Controller? Prüfsummen Geräte liefern Daten in konstanter Geschwindigkeit Bus könnte aber nicht frei sein! IAIK 20

21 I/O-Design-Kriterien IAIK 21

22 Ziele von I/O-Software Geräteunabhängigkeit Programme sollten mit Daten von Festplatte, Band, CD, Diskette etc und das ohne Änderung sort < input > output egal wo input und output herkommen IAIK 22

23 Ziele von I/O-Software Einheitliches Namensschema unabhängig vom Gerät Unix: alles unter / Fehlerbehandlung möglichst Controller oder das Betriebssystem transiente Fehler transparent IAIK 23

24 I/O-Software synchron/asynchron I/O ist asynchron Software will aber bei read warten bis was da ist Pufferung Daten können nicht immer am Speicherziel abgelegt werden gemeinsam/exklusiv benutzbare Geräte IAIK 24

25 I/O-Durchführung Drei Arten Programmiert mit Interrupts mit DMA IAIK 25

26 Programmierte I/O Prozess will Zeichen am Drucker ausgeben Systemcall Drucker belegt return mit Fehler Prozess blockiert bis Drucker frei (Spooling) IAIK 26

27 Programmierte I/O IAIK 27

28 Programmierte I/O Betriebssystem kopiert Zeichen in Kernel-Puffer leichter adressierbar Warten bis Drucker verfügbar erstes Zeichen in Datenregister des Druckers Drucker bereit für zweites Zeichen? IAIK 28

29 Programmierte I/O IAIK 29

30 Programmierte I/O Nachteil: Prozessor belegt bis Drucken fertig ok, wenn Wartezeit zwischen den einzelnen Zeichen sehr klein Prozessor nichts anderes zu tun (z.b. embedded systems) in komplexeren Systemen nicht ok! IAIK 30

31 Interruptgesteuerte I/O Wartezeit zwischen den Zeichen lang programmierte I/O nicht gut während der Wartezeit soll was anderes getan werden Idee: erstes Zeichen zum Drucker dann Scheduler IAIK 31

32 Interruptgesteuerte I/O Drucker sendet Interrupt wenn für nächstes Zeichen bereit Interruptbehandlungsroutine stellt nächstes Zeichen zur Verfügung IAIK 32

33 Interruptgesteuerte I/O IAIK 33

34 I/O mit DMA Nachteil der Interrupt-Methode: Interrupts kosten Zeit DMA als Alternative DMA-Controller erledigt die Arbeit nur mehr ein Interrupt pro Puffer IAIK 34

35 I/O mit DMA IAIK 35

36 I/O-Schichtenmodell IAIK 36

37 I/O-Schichten IAIK 37

38 Interrupt-Handler Interrupts sollen möglichst unsichtbar bleiben Modell: Prozess blockiert bis Operation beendet und Interrupt auftritt Möglich beispielsweise durch Verwendung von down(s), wait(v) oder receive(m) IAIK 38

39 Interrupt-Handler Interruptbehandlung deblockiert Prozess up(s), signal(v) oder send(m) Ideal, wenn Treiber als Prozess ausgeführt was ist bei Interrupt alles zu tun (Achtung: plattformabhängig!) IAIK 39

40 Interrupt-Handler 1. Sicherung aller Register, die nicht schon durch Hardware gesichert 2. Aufbau des Kontext für Interruptbehandlung (kann initialisieren des TLB, der MMU und der Pagetables bedeuten) 3. Erzeugen eines Stacks für Interruptbehandlungsroutine IAIK 40

41 Interrupt-Handler 1. Kopieren der Register (des unterbrochenen Prozesses) in die Prozesstabelle 2. Interrupt-Controller informieren (interrupts wieder erlauben) 3. Interruptbehandlungsroutine aufrufen (lesen Infos der betroffenen Geräte aus) IAIK 41

42 Interrupt-Handler 1. Nächsten Prozess aussuchen 2. MMU-Kontext für neuen Prozess initialisieren 3. Laden der Prozessregister und PSW 4. Neuen Prozess starten IAIK 42

43 Gerätetreiber Jedes I/O-Geräte benötigt geräteabhängige Steuersoftware Treiber für jedes Betriebssystem unterschiedlich Treiber steuert meist Klasse ähnlicher Geräte IAIK 43

44 Treiber Muss auf HW Zugriff haben können daher normalerweise Teil des Betriebssystems möglich: Treiber im Userspace laufen lassen Systemcalls für Lesen / Schreiben der Geräteregister leider nicht der Fall IAIK 44

45 Gerätetreiber also Teil des Betriebssystems aber von Außenstehenden geschrieben erfordert klares Modell und klare Schnittstellen IAIK 45

46 Modell IAIK 46

47 Gerätetreiber-Kategorien Blockgeräte (block devices) zeichenorientierte Geräte (character devices) oft zwei Standardschnittstellen eine für alle Blockgeräte eine für alle zeichenorientierten Geräte IAIK 47

48 Struktur trad. Unix: eine große Objektdatei alle notwendigen Treiber enthalten neuer Treiber: BS neu übersetzen unpraktisch nicht jeder Benutzer kann das (speziell bei PC s) daher dynamisches Laden nötig IAIK 48

49 Aufgaben eines Treibers Bearbeiten von Schreib- und Lesebefehlen Initialisieren Energiemanagement Ereignisverwaltung IAIK 49

50 Treiberstruktur Prüfen der Eingabeparameter u.u. Übersetzung abstrakter in reelle Werte lineare Blockadresse Kopf/Spur/Sektor prüfen, ob Gerät frei nein: Anfrage speichern ja: prüfen, ob Anfrage durchführbar (z.b. Motor eingeschaltet) IAIK 50

51 Treiberstruktur Kontrolle: Sequenz von Befehlen an Controller schicken Befehl in Steuerregister schreiben dann im Statusregister prüfen, ob Befehl akzeptiert IAIK 51

52 Treiberstruktur Serie von Befehlen: einer nach dem anderen verkettete Liste in Speicher, Controller liest Befehle aus meist: warten, bis Befehl ausgeführt Blockieren manchmal: Befehl gleich erledigt IAIK 52

53 Treiberstruktur Wenn blockiert: irgendwann wieder aufgeweckt Untersuchen, ob Fehler aufgetreten eventuell Daten an aufrufende Software übergeben Statusinfo an Aufrufer übergeben IAIK 53

54 Treiberstruktur Treiber kann durch Interrupt des gesteuerten Geräts unterbrochen werden Treiber wird wieder aufgerufen muss daher reentrant (wiedereintrittsfähig sein) muss erwarten, dass er aufgerufen wird, bevor ein Aufruf beendet ist IAIK 54

55 Sonderfälle Treiber muss mit Entfernen des Gerätes umgehen können aktuelle I/O abbrechen wartende Anfragen entfernen alle Aufrufer informieren neue Geräte können dazukommen IAIK 55

56 Geräteunabhängige SW IAIK 56

57 Geräteunabhängige SW Teile der I/O geräteunabhängig durchführbar Funktionen (typisch) Einheitliches Interface Pufferung Fehlerbericht Anforderung/Freigabe von Geräten geräteunabhängige Blockgröße IAIK 57

58 Schnittstellen Eine Hauptaufgabe: einheitliche Darstellung unterschiedlicher I/O- Geräte und Treiber sonst BS bei jedem neuen Gerät neu anpassen! Interface Treiber/Betriebssystem ein Aspekt davon IAIK 58

59 Schnittstellen IAIK 59

60 Schnittstellen Einheitliche Schnittstellen Treiber leichter einbindbar Abbildung Namen Device allgemein möglich Unix: /dev/xxx special file major/minor device number identifiziert Gerät Schutzmöglichkeit über Standard- File-Mechanismen IAIK 60

61 Pufferung Generell wichtig Beispiel: Prozess will Zeichen von Modem lesen Strategie 1: ein Zeichen anfordern Blockieren IAIK 61

62 Pufferung Problem: pro Zeichen einmal Prozess starten viele Kontextwechsel. Ineffizient Variante 2: Prozess stellt Puffer (n Zeichen) zur Verfügung Lesebefehl für n Zeichen Erst wenn Puffer voll, Prozess aufwecken IAIK 62

63 Pufferung Effizienter Nachteile: Pufferspeicher darf nicht ausgelagert sein Seiten locken Wenn zu viele Seiten gelockt Menge der freien Seiten wird kleiner IAIK 63

64 Pufferung Strategie 3: Puffer im Kernelspace Wenn gefüllt: ev. Seite einlagern und Daten in Userspace kopieren IAIK 64

65 Pufferung Problem: Was tun, wenn Daten ankommen, während kopiert wird? Strategie 4: zweiter Puffer im kernel doppelte Pufferung IAIK 65

66 Pufferung bei Ausgabe N Zeichen an Modem Strategie 1: Prozess blockieren bis Daten weg kann lange dauern! Strategie 2: I/O parallel durchführen wie weiß Prozess, wann I/O fertig ist? Strategie 3: Daten in Kernel-Puffer kopieren und parallel bearbeiten IAIK 66

67 Fehlerbericht Fehler sind bei I/O häufig Viele Fehler gerätespezifisch müssen vom Treiber behandelt werden Wenn Treiber nicht weiß, was zu tun: Fehler an Software weiterreichen IAIK 67

68 I/O Software im User Space Kleinerer Teil, zt Bibliotheken I/O-Routinen (open, read, write, ) Formatierung (printf) Spooling-Systeme IAIK 68

69 Devices nur ausgewählte Teile Plattenspeicher Timer Terminals Energieverwaltung IAIK 69

70 Plattenspeicher Wesentliche Eigenschaft: Fehlertoleranz z.t. auf Filesystemebene nötig (plötzliches Abschalten) z.t. auf Hardwareebene IAIK 70

71 RAID Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks (Patterson 1988) mehrere zusammengeschaltete Platten, sieht für das System wie eine physische Festplatte aus IAIK 71

72 RAID 0 Festplatte in Strips zu k Sektoren teilen striping gut bei großen Anfragen Parallele Bearbeitung schneller Nachteil: Fehleranfällig IAIK 72

73 RAID 1 Platten werden dupliziert mirroring gute Ausfallssicherheit mit RAID 0 kombinierbar (RAID 0+1) IAIK 73

74 RAID 4 XOR mehrerer Strips Paritätsstrip Platte kaputt fehlende Bytes berechenbar Sicherheitsgewinn, kein Performancegewinn Parität muss neu berechnet werden (erfordert lesen der alten Daten und alten Parität) IAIK 74

75 RAID 5 verhindert Flaschenhals Parity-Platte Parity-Info auf alle Platten verteilt IAIK 75

76 Fehlerbehandlung Festplatten haben Defekte Fehlerhafte Sektoren: read(write(x))!= X Fehlerbehandlung im Controller im Betriebssystem IAIK 86

77 Fehlerbehandlung Controller: Liste fehlerhafter Sektoren auf Festplatte schreiben (Produktion) fehlerhafte Sektoren durch Reservesektoren ersetzen IAIK 87

78 Fehler im Betrieb transiente Fehler verursacht durch feine Staubpartikel erneutes Lesen funktioniert Sektor wird kaputt: auf Reservesektor ausweichen Verwaltung auch im Betriebssysem möglich IAIK 88

79 Stable Storage (Zuverlässiger Speicher) Festplatten können Fehler machen oder kaputt werden Weder Sicherungen noch RAID schützen vor Abstürzen beim Schreiben Manchmal wichtig, dass Daten nie verloren gehen geht nur mit Einschränkungen. IAIK 89

80 Stable Storage Eigenschaft: Schreibvorgänge werden korrekt oder nicht ausgeführt IAIK 90

81 Voraussetzungen Schreibvorgang korrekt oder falsch Fehler werden beim Lesen erkannt korrekt geschriebener Sektor kann spontan fehlerhaft werden Fehler auf einer Platte auf zweiter Platte frühestens nach Δt (1 Tag) Prozessor kann beliebig ausfallen Speicher kann 100% zuverlässig gemacht werden! IAIK 91

82 Stable Storage Paar identischer Festplatten korresponierende Blöcke bilden zusammen einen fehlerfreien Block kein Fehler: Beide Blöcke gleich Drei Operationen stable write stable read crash recovery IAIK 92

83 stable write Schreiben auf Laufwerk 1 Lesen und Überprüfen ev. bis zu n mal wiederholen eventuell Reservesektor Schreiben auf Laufwerk 2 wie oben, bis funktioniert IAIK 93

84 stable read lies Block von Laufwerk 1 falscher Fehlerkorrekturcode Lesen wiederholen (n mal) immer noch fehlerhaft: von Laufwerk 2 lesen Erinnerung: Annahme, dass nicht 2 Blöcke zum gleichen Zeitpunkt kaputt werden IAIK 94

85 crash recovery Nach Absturz: Durchsuchen beider Festplatten und Vergleich der Blöcke Blöcke ident: passt einer fehlerhaft: durch anderen überschreiben korrekt aber unterschiedlich: Block LW 1 über den von LW2 schreiben IAIK 95

86 Prozessorabstürze IAIK 96

87 Uhren wichtig für Funktion des Betriebssystems Uhrzeit ermöglicht preemption wie Gerätetreiber unterbricht in vorgegebenen Intervallen IAIK 97

88 virtuelle Adressen DMA-Controller verwendet physische Adressen Betriebssystem muss virtuelle Adressen umrechnen IAIK 98

89 warum Puffer im Controller? Prüfsummen Geräte liefern Daten in konstanter Geschwindigkeit Bus könnte aber nicht frei sein! IAIK 99

90 I/O-Design-Kriterien IAIK 100

91 Ziele von I/O-Software Geräteunabhängigkeit Programme sollten mit Daten von Festplatte, Band, CD, Diskette etc und das ohne Änderung sort < input > output egal wo input und output herkommen IAIK 101

92 Ziele von I/O-Software Einheitliches Namensschema unabhängig vom Gerät Unix: alles unter / Fehlerbehandlung möglichst Controller oder das Betriebssystem transiente Fehler transparent IAIK 102

93 I/O-Software synchron/asynchron I/O ist asynchron Software will aber bei read warten bis was da ist Pufferung Daten können nicht immer am Speicherziel abgelegt werden gemeinsam/exklusiv benutzbare Geräte IAIK 103

94 I/O-Durchführung Drei Arten Programmiert mit Interrupts mit DMA IAIK 104

95 Programmierte I/O Prozess will Zeichen am Drucker ausgeben Systemcall Drucker belegt return mit Fehler Prozess blockiert bis Drucker frei (Spooling) IAIK 105

96 Programmierte I/O IAIK 106

97 Programmierte I/O Betriebssystem kopiert Zeichen in Kernel-Puffer leichter adressierbar Warten bis Drucker verfügbar erstes Zeichen in Datenregister des Druckers Drucker bereit für zweites Zeichen? IAIK 107

98 Programmierte I/O IAIK 108

99 Programmierte I/O Nachteil: Prozessor belegt bis Drucken fertig ok, wenn Wartezeit zwischen den einzelnen Zeichen sehr klein Prozessor nichts anderes zu tun (z.b. embedded systems) in komplexeren Systemen nicht ok! IAIK 109

100 Interruptgesteuerte I/O Wartezeit zwischen den Zeichen lang programmierte I/O nicht gut während der Wartezeit soll was anderes getan werden Idee: erstes Zeichen zum Drucker dann Scheduler IAIK 110

101 Interruptgesteuerte I/O Drucker sendet Interrupt wenn für nächstes Zeichen bereit Interruptbehandlungsroutine stellt nächstes Zeichen zur Verfügung IAIK 111

102 Interruptgesteuerte I/O IAIK 112

103 I/O mit DMA Nachteil der Interrupt-Methode: Interrupts kosten Zeit DMA als Alternative DMA-Controller erledigt die Arbeit nur mehr ein Interrupt pro Puffer IAIK 113

104 I/O mit DMA IAIK 114

105 I/O-Schichtenmodell IAIK 115

106 I/O-Schichten IAIK 116

107 Interrupt-Handler Interrupts sollen möglichst unsichtbar bleiben Modell: Prozess blockiert bis Operation beendet und Interrupt auftritt Möglich beispielsweise durch Verwendung von down(s), wait(v) oder receive(m) IAIK 117

108 Interrupt-Handler Interruptbehandlung deblockiert Prozess up(s), signal(v) oder send(m) Ideal, wenn Treiber als Prozess ausgeführt was ist bei Interrupt alles zu tun (Achtung: plattformabhängig!) IAIK 118

109 Interrupt-Handler 1. Sicherung aller Register, die nicht schon durch Hardware gesichert 2. Aufbau des Kontext für Interruptbehandlung (kann initialisieren des TLB, der MMU und der Pagetables bedeuten) 3. Erzeugen eines Stacks für Interruptbehandlungsroutine IAIK 119

110 Interrupt-Handler 1. Kopieren der Register (des unterbrochenen Prozesses) in die Prozesstabelle 2. Interrupt-Controller informieren (interrupts wieder erlauben) 3. Interruptbehandlungsroutine aufrufen (lesen Infos der betroffenen Geräte aus) IAIK 120

111 Interrupt-Handler 1. Nächsten Prozess aussuchen 2. MMU-Kontext für neuen Prozess initialisieren 3. Laden der Prozessregister und PSW 4. Neuen Prozess starten IAIK 121

112 Gerätetreiber Jedes I/O-Geräte benötigt geräteabhängige Steuersoftware Treiber für jedes Betriebssystem unterschiedlich Treiber steuert meist Klasse ähnlicher Geräte IAIK 122

113 Treiber Muss auf HW Zugriff haben können daher normalerweise Teil des Betriebssystems möglich: Treiber im Userspace laufen lassen Systemcalls für Lesen / Schreiben der Geräteregister leider nicht der Fall IAIK 123

114 Gerätetreiber also Teil des Betriebssystems aber von Außenstehenden geschrieben erfordert klares Modell und klare Schnittstellen IAIK 124

115 Modell IAIK 125

116 Gerätetreiber-Kategorien Blockgeräte (block devices) zeichenorientierte Geräte (character devices) oft zwei Standardschnittstellen eine für alle Blockgeräte eine für alle zeichenorientierten Geräte IAIK 126

117 Struktur trad. Unix: eine große Objektdatei alle notwendigen Treiber enthalten neuer Treiber: BS neu übersetzen unpraktisch nicht jeder Benutzer kann das (speziell bei PC s) daher dynamisches Laden nötig IAIK 127

118 Aufgaben eines Treibers Bearbeiten von Schreib- und Lesebefehlen Initialisieren Energiemanagement Ereignisverwaltung IAIK 128

119 Treiberstruktur Prüfen der Eingabeparameter u.u. Übersetzung abstrakter in reelle Werte lineare Blockadresse Kopf/Spur/Sektor prüfen, ob Gerät frei nein: Anfrage speichern ja: prüfen, ob Anfrage durchführbar (z.b. Motor eingeschaltet) IAIK 129

120 Treiberstruktur Kontrolle: Sequenz von Befehlen an Controller schicken Befehl in Steuerregister schreiben dann im Statusregister prüfen, ob Befehl akzeptiert IAIK 130

121 Treiberstruktur Serie von Befehlen: einer nach dem anderen verkettete Liste in Speicher, Controller liest Befehle aus meist: warten, bis Befehl ausgeführt Blockieren manchmal: Befehl gleich erledigt IAIK 131

122 Treiberstruktur Wenn blockiert: irgendwann wieder aufgeweckt Untersuchen, ob Fehler aufgetreten eventuell Daten an aufrufende Software übergeben Statusinfo an Aufrufer übergeben IAIK 132

123 Treiberstruktur Treiber kann durch Interrupt des gesteuerten Geräts unterbrochen werden Treiber wird wieder aufgerufen muss daher reentrant (wiedereintrittsfähig sein) muss erwarten, dass er aufgerufen wird, bevor ein Aufruf beendet ist IAIK 133

124 Sonderfälle Treiber muss mit Entfernen des Gerätes umgehen können aktuelle I/O abbrechen wartende Anfragen entfernen alle Aufrufer informieren neue Geräte können dazukommen IAIK 134

125 Geräteunabhängige SW IAIK 135

126 Geräteunabhängige SW Teile der I/O geräteunabhängig durchführbar Funktionen (typisch) Einheitliches Interface Pufferung Fehlerbericht Anforderung/Freigabe von Geräten geräteunabhängige Blockgröße IAIK 136

127 Schnittstellen Eine Hauptaufgabe: einheitliche Darstellung unterschiedlicher I/O- Geräte und Treiber sonst BS bei jedem neuen Gerät neu anpassen! Interface Treiber/Betriebssystem ein Aspekt davon IAIK 137

128 Schnittstellen IAIK 138

129 Schnittstellen Einheitliche Schnittstellen Treiber leichter einbindbar Abbildung Namen Device allgemein möglich Unix: /dev/xxx special file major/minor device number identifiziert Gerät Schutzmöglichkeit über Standard- File-Mechanismen IAIK 139

130 Pufferung Generell wichtig Beispiel: Prozess will Zeichen von Modem lesen Strategie 1: ein Zeichen anfordern Blockieren IAIK 140

131 Pufferung Problem: pro Zeichen einmal Prozess starten viele Kontextwechsel. Ineffizient Variante 2: Prozess stellt Puffer (n Zeichen) zur Verfügung Lesebefehl für n Zeichen Erst wenn Puffer voll, Prozess aufwecken IAIK 141

132 Pufferung Effizienter Nachteile: Pufferspeicher darf nicht ausgelagert sein Seiten locken Wenn zu viele Seiten gelockt Menge der freien Seiten wird kleiner IAIK 142

133 Pufferung Strategie 3: Puffer im Kernelspace Wenn gefüllt: ev. Seite einlagern und Daten in Userspace kopieren IAIK 143

134 Pufferung Problem: Was tun, wenn Daten ankommen, während kopiert wird? Strategie 4: zweiter Puffer im kernel doppelte Pufferung IAIK 144

135 Pufferung bei Ausgabe N Zeichen an Modem Strategie 1: Prozess blockieren bis Daten weg kann lange dauern! Strategie 2: I/O parallel durchführen wie weiß Prozess, wann I/O fertig ist? Strategie 3: Daten in Kernel-Puffer kopieren und parallel bearbeiten IAIK 145

136 Fehlerbericht Fehler sind bei I/O häufig Viele Fehler gerätespezifisch müssen vom Treiber behandelt werden Wenn Treiber nicht weiß, was zu tun: Fehler an Software weiterreichen IAIK 146

137 I/O Software im User Space Kleinerer Teil, zt Bibliotheken I/O-Routinen (open, read, write, ) Formatierung (printf) Spooling-Systeme IAIK 147

138 Devices nur ausgewählte Teile Plattenspeicher Timer Terminals Energieverwaltung IAIK 148

139 Plattenspeicher Wesentliche Eigenschaft: Fehlertoleranz z.t. auf Filesystemebene nötig (plötzliches Abschalten) z.t. auf Hardwareebene IAIK 149

140 RAID Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks (Patterson 1988) mehrere zusammengeschaltete Platten, sieht für das System wie eine physische Festplatte aus IAIK 150

141 RAID 0 Festplatte in Strips zu k Sektoren teilen striping gut bei großen Anfragen Parallele Bearbeitung schneller Nachteil: Fehleranfällig IAIK 151

142 RAID 1 Platten werden dupliziert mirroring gute Ausfallssicherheit mit RAID 0 kombinierbar (RAID 0+1) IAIK 152

143 RAID 4 XOR mehrerer Strips Paritätsstrip Platte kaputt fehlende Bytes berechenbar Sicherheitsgewinn, kein Performancegewinn Parität muss neu berechnet werden (erfordert lesen der alten Daten und alten Parität) IAIK 153

144 RAID 5 verhindert Flaschenhals Parity-Platte Parity-Info auf alle Platten verteilt IAIK 154

145 Fehlerbehandlung Festplatten haben Defekte Fehlerhafte Sektoren: read(write(x))!= X Fehlerbehandlung im Controller im Betriebssystem IAIK 165

146 Fehlerbehandlung Controller: Liste fehlerhafter Sektoren auf Festplatte schreiben (Produktion) fehlerhafte Sektoren durch Reservesektoren ersetzen IAIK 166

147 Fehler im Betrieb transiente Fehler verursacht durch feine Staubpartikel erneutes Lesen funktioniert Sektor wird kaputt: auf Reservesektor ausweichen Verwaltung auch im Betriebssysem möglich IAIK 167

148 Stable Storage (Zuverlässiger Speicher) Festplatten können Fehler machen oder kaputt werden Weder Sicherungen noch RAID schützen vor Abstürzen beim Schreiben Manchmal wichtig, dass Daten nie verloren gehen geht nur mit Einschränkungen. IAIK 168

149 Stable Storage Eigenschaft: Schreibvorgänge werden korrekt oder nicht ausgeführt IAIK 169

150 Voraussetzungen Schreibvorgang korrekt oder falsch Fehler werden beim Lesen erkannt korrekt geschriebener Sektor kann spontan fehlerhaft werden Fehler auf einer Platte auf zweiter Platte frühestens nach Δt (1 Tag) Prozessor kann beliebig ausfallen Speicher kann 100% zuverlässig gemacht werden! IAIK 170

151 Stable Storage Paar identischer Festplatten korresponierende Blöcke bilden zusammen einen fehlerfreien Block kein Fehler: Beide Blöcke gleich Drei Operationen stable write stable read crash recovery IAIK 171

152 stable write Schreiben auf Laufwerk 1 Lesen und Überprüfen ev. bis zu n mal wiederholen eventuell Reservesektor Schreiben auf Laufwerk 2 wie oben, bis funktioniert IAIK 172

153 stable read lies Block von Laufwerk 1 falscher Fehlerkorrekturcode Lesen wiederholen (n mal) immer noch fehlerhaft: von Laufwerk 2 lesen Erinnerung: Annahme, dass nicht 2 Blöcke zum gleichen Zeitpunkt kaputt werden IAIK 173

154 crash recovery Nach Absturz: Durchsuchen beider Festplatten und Vergleich der Blöcke Blöcke ident: passt einer fehlerhaft: durch anderen überschreiben korrekt aber unterschiedlich: Block LW 1 über den von LW2 schreiben IAIK 174

155 Prozessorabstürze IAIK 175