7.1 Geräte im Computer (stark vereinfacht) Kapitel 7 Betrieb von Geräten. Vielfalt der Geräte. Beispiel eines Gerätes: Festplatte

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1 7.1 Geräte im Computer (stark vereinfacht) Kapitel 7 Betrieb von Geräten Geräte unterscheiden sich nach ihrem Zweck, Datenrate, etc. Sie sind i.d. R. über einen Bus und unterschiedliche Steuergeräte/Schnittstellen mit dem Prozessor verbunden Beispiele: Steuergerät/Schnittstelle serielle Schnittstelle parallele Schnittstelle SCSI Gerät Maus, Modem Drucker Festplatte, Scanner Vielfalt der Geräte Device Purpose Partner Data Rate (KB/s) Keyboard input human 0.01 Mouse input human 0.02 Microphone input human 0.02 Scanner input human Voice output output human 0.60 Line printer output human 1.00 Laser Printer output human Graphic display output machine CPU to frame buffer in-/output machine Network/Terminal in-/output machine 0.05 Network/LAN storage machine Optical disk storage machine Magnetic tape storage machine Magnetic disk storage machine Beispiel eines Gerätes: Festplatte Ein Plattenspeicher besteht aus einer oder mehreren Platten oder Scheiben, deren Oberflächen magnetisierbar sind und die mit hoher Geschwindigkeit rotieren (ca U/min). Für jede Oberfläche existiert ein Schreib-/Lesekopf, der hin- und herbewegt wird, um die gesamte Oberfläche zu erreichen. Die Einrichtung, an der die Köpfe befestigt sind, heißt Plattenarm. Besteht der Plattenspeicher aus mehreren Einzelplatten, so hat der Plattenarm die Form eines Kamms. Zylinder Schreib /Leseköpfe Arm Armbewegung 7-3

2 Beispiel eines Gerätes: Festplatte (Forts.) Jede Oberfläche besteht aus konzentrischen Spuren ( ), auf denen die Information aufgezeichnet ist. Jede Spur ist wiederum in mehrere Sektoren (50-200) aufgeteilt. Die Gesamtheit aller Spuren (auf mehreren Scheiben), die mit einer festen Armposition gelesen werden kann, wird auch Zylinder genannt. Zylinder Sektoren Festplatte in Aktion Aufgabe: Lese den Sektor xxx von der Platte yyy. Diese Aufgabe wird in folgenden Schritten erledigt: Die lineare Adresse in die Nummern für Zylinder/Spur/Sektor umrechnen, dabei beachten: äußere Zylinder haben mehr Sektoren a innere, einige fehlerhafte Sektoren sind auf andere ausgelagert Ermitteln, über welchem Zylinder der Kopf momentan steht und dem Kopf die nötigen Impulse geben, damit er zum richtigen Zylinder fäh Das Lesen starten, die gelesenen Bits abspeichern wie sie geliefert werden, ggf. zusätzlich gelieferte Daten (z. B. Prüfsummen zur Fehlerkorrektur) verarbeiten Schließlich die ankommenden Bits als Wörter zusammensetzen und im Hauptspeicher ablegen Alle diese Schritte werden vom Gerät durchgeführt, das hierbei von der Festplatten-Steuereinheit (Controller) gesteuert wird 7-5 Geräte und Steuereinheiten Alle o. g. mechanische Schritte werden von der Steuereinheit des Geräts gesteuert und vom Gerät (mechanischer Teil) durchgeführt Jedes Gerät besitzt eine Steuereinheit (controller) als elektronische Brücke zum BS: sie bekommt die Befehle vom Betriebssystem und führt sie am Gerät aus Steuereinheiten besitzen i.d. R. kleine eingebettete Prozessoren, die speziell für diese Zwecke programmiert sind. Viele Steuereinheiten können zwei/vier/acht identische Geräte verwalten Weil die eigentliche Schnittstelle zum Gerät durch den Controller verdeckt ist, sieht das Betriebssystem nur die Schnittstelle zum Controller und nicht das Gerät selbst Bus (Bidirectional Universal Switch) Ein Bus ist ein Übertragungsmedium, das von mehreren angeschlossen Einheiten gemeinsam benutzt wird. Er besteht aus einer Menge paralleler Leitungen, die in drei Gruppen untergliedert werden können, s. Bild unten. Ansonsten unterscheiden sich Busse erheblich bezüglich der Datenund Adressbreite, der Art der Zugangsregelung, der Anzahl der anschließbaren Geräte u. a. Ein typischer heutiger Systembus (z. B. PCI-Standard Peripheral Control Interconnect) verfügt über Daten- und Adressleitunge und hat eine Bandbreite von 100 bis 500 Mbyte/sec 7-7

3 Moderner Intel-PC: Struktur mit mehreren Bussen 7.2 Geräte (Ein- und Ausgabe) vs. Betriebssystem Wir betrachten den Teil des Betriebssystems, der für den Betrieb von Eingabe-/Ausgabegeräten (Peripheriegeräten) zuständig ist, z. B. Tastatur, Bildschirm, Maus Platten- und Bandgeräten Scanner, Drucker Ein Gerät betreiben heißt Steuern Bewegliche Teile: z. B. Schreib/Lesekopf positionieren, Band zurückspulen Betriebsparameter: z. B. Übertragungsrate einstellen, etc. Transportieren Daten zwischen der Zentrale (Prozessor, Hauptspeicher) und dem Gerät zu kopieren, z. B. Gib Zeichen X aus Wir beginnen mit den allgemeinen Anforderungen an die Ein/Ausgabe-Software 7-9 Anforderungen an die Ein/Ausgabe-Software Geräteunabhängigkeit: ein Programm soll mit Dateien auf einer Festplatte oder einem CD-Laufwerk arbeiten, ohne für den jeweiligen Gerätetyp geändert zu werden Einheitliches Benennungsschema: z. B. kann der Inhalt einer Diskette als normales Unterverzeichnis dargestellt werden, transparent für den Benutzer, für den es keinen Unterschied zwischen Dateien auf der Festplatte und der Diskette gibt. Fehlerbehandlung: möglichst nah am Gerät Asynchrone Übertragungsmöglichkeiten: effizienzsteigernde Verzahnung mit anderen Aktivitäten, jedoch transparent für den Benutzer (für ihn sieht alles synchron aus und somit einfach) Puffern von Daten: transparent für den Benutzer Gemeinsame/exklusive Nutzung: das Betriebssystem versteckt vor den Benutzern die dadurch evtl. auftretenden Probleme Drei Arten der Ein/Ausgabe 1. Programmierte Ein/Ausgabe: Benutzerprogramm benutzt einen Systemaufruf Der Aufruf wird vom BS-Kern in einen Prozeduraufruf für den entsprechenden Treiber (Gerätesoftware) umgesetzt Der Treiber führt die Ein/Ausgabe durch und springt zurück BS übergibt die Kontrolle wieder ans Benutzerprogramm Nachteil: CPU ist belegt bis die Arbeit vom Gerät erledigt ist 2. Ein/Ausgabe mit Unterbrechung: Der Treiber beauftragt das Gerät mit der Aufgabe und wartet auf eine Unterbrechung wenn das Gerät fertig ist Die Unterbrechung wird vom Geräte-Controller erzeugt BS erledigt inzwischen andere Aufgaben Nachteil: Zu viele Unterbrechungen, z. B. eine pro gedrucktes Zeichen 3. Ein/Ausgabe durch DMA (Direct Memory Access): Ein spezieller DMA-Chip regelt den Datenfluss Speicher-Controller Die CPU initialisiert den Chip und erteilt ihm die E/A-Aufgabe Sobald der Chip fertig ist, erzeugt er eine Unterbrechung 7-11

4 Drei Arten der Ein/Ausgabe (Forts.) Die drei Arten lassen sich hinsichtlich der Prozessornutzung in zwei Gruppen aufteilen: E/A über den Prozessor (Möglichkeiten 1 und 2 auf der vorigen Folie: Der Prozessor liest oder schreibt byte- oder wortweise die Daten in ein Datenregister der Steuereinheit. Direkter Speicherzugriff (DMA Direct Memory Access, Möglichkeit 3): Die Steuereinheit greift über den Bus selbständig auf den Hauptspeicher zu E/A Steuerung: Auslösung und Reaktion Auslösung (Wie erhält die Steuereinheit ihre Aufträge?): Dazu muss der Prozessor entsprechende Register in der jeweiligen Steuereinheit laden: Art der Operation (z. B. Lesen, Schreiben) Quelle Ziel Status Reaktion Nach Beendigung der E/A muss der Prozessor davon informiert werden. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten: Der Prozessor fragt gelegentlich das Statusregister der Steuereinheit a (Polling, Busy Waiting); wird selten benutzt, da ineffizient Der Prozessor wird durch ein spezielles Signal (Unterbrechung, Interrupt) informiert; dies ist die übliche Vorgehensweise 7-13 Unterbrechungen: Realisierung mit Bus Unterbrechungsbehandlung allgemein Der Bus verfügt über (mindestens) eine Unterbrechungsleitung. Nach jedem Befehl prüft der Prozessor, ob an dieser Leitung ein Signal (physikalisch: Spannung) anliegt. Falls ja, wird sofort eine Prozedur aufgerufen, die die Unterbrechung auswertet und die erforderlichen Aktionen durchführt oder veranlasst. Eine Unterbrechung kann zu jedem Zeitpunkt und in jeder Situation auftreten, insbesondere auch während einer Unterbrechungsbehandlung, d. h. es entsteht eine Art Rekursion! Unterbrechungen werden auch für prozessorinterne Ereignisse benutz bei denen eine sofortige Reaktion erforderlich ist, z. B. Division durch Null, Adressraumverletzung, etc. Zwei Vorgehensweisen bei der rekursiven Behandlung sind zu unterscheiden, die auf den nächsten Folien erläutert werden: Sequentielle Bearbeitung (in Auftrittsreihenfolge) Geschachtelte Bearbeitung (nested interrupt processing) 7-15

5 Sequentielle Unterbrechungsbehandlung Geschachtelte Unterbrechungsbehandlung Weitere Unterbrechungen während der Unterbrechungsbehandlung werden verboten: Unterbrechungssperre setzen (disable interrupt). Das Verbot kann auf bestimmte Unterbrechungstypen beschränkt werden (Maskierung). Beispiel: Die neue Unterbrechung B wird erst bearbeitet, wenn die Bearbeitung der aktuellen Unterbrechung A abgeschlossen ist. Die Unterbrechungen werden je nach Typ in verschiedene Prioritätsklasse eingeteilt. Unterbrechungen höherer Priorität können die Bearbeitung von Unterbrechungen geringerer Priorität unterbrechen Beispiel: Geschachtelte Unterbrechungsbehandlung Ablauf Unterbrechungsbehandlung Der erste Teil entspricht einem normalen Unterprogrammsprung: 1. Retten der Rücksprungadresse, d. h. der Adresse des nächsten Befehl (Befehlszähler + 1) auf den Stapel 2. Laden der Einsprungadresse der Unterbrechungsprozedur in den Befehlszähler Weiter geht es unter der Regie der Unterbrechungsprozedur: 3. Retten aller Registerinhalte auf den Stapel 4. Durchführung der erforderlichen Aktionen entsprechend dem Typ der Unterbrechung 5. Laden der Register vom Stapel (gerettet in Punkt 3) 6. Rücksprung zum unterbrochenen Programm (durch Laden der geretteten Rücksprungadresse in den Befehlszähler) 7-19

6 7.3 Treiber (driver) Grobstruktur eines Treiberprozesses Um den Programmierer von Details verschiedener Geräte zu entlasten, werden diese in einer Komponente zusammengefasst Diese Komponente heißt Treiber (driver), sie bewirkt einen, für den Benutzer transparenten, Datentransport Ein Treiber ist somit geräteabhängige Software, die vom Hersteller für konkreten Gerätetyp und konkretes BS programmiert wird Datentransport Anwendungsprogramm Auftrag Treiber Auftrag Gerätecontroller 7-21 Fehlermeldungen vom Gerät Bei jeder Auftragsdurchführung kann ein Fehler passieren, deshalb liefert das Gerät Anzeigen zurück, die dann individuell behandelt werden müssen (vom BS oder Benutzerprogramm), z. B.: Falsche Transportparameter: Speicheradresse, Spurnummer, etc. Falsche Betriebszustände: Gerät unbekannt, mechanische Verklemmung, etc. Übertragungsfehler: z.b. Paritätsfehler (Paritätsbit gibt an, ob eine gerade oder ungerade Anzahl von 1 in den übertragenen Daten vorkam). Aufzeichnungsfehler: zerstörte Oberfläche, etc. Steuer- und Transportparameter sowie Anzeigen müssen über Gerätegrenzen fließen können. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten: Ablage in Speicherbereichen, die vom Gerät lesbar/schreibbar sind Ablage in Registern im Gerät, lesbar/schreibbar vom Prozessor Verlaufsanalyse: Fehlerbehandlung Bei der Verlaufsanalyse wird der Treiber überprüfen, ob Fehler aufgetreten sind (s. vorherige Folie) und ggf. darauf reagieren Es können drei Klassen von Fehlern unterschieden werden: verzögernd: Kann durch Unterstützung des Bedieners behoben werden. Beispiel: Papierfach leer, kein Datenträger im Laufwerk stochastisch: Zufällig auftretende Störungen können durch Wiederholung überwunden werden. Beispiel: Paritätsfehler, Fristablauf (Time-out), Kollision endgültig: Bei nicht behebbaren Fehlern wird der Auftrag abgewiesen Beispiel: Geräteadresse unbekannt, keine Betriebsspannung 7-23

7 Treiber als Teil des BS-Kerns Um Zugriff auf die Hardware und die Register des Controllers zu haben, wird ein Treiber im Kern des BS platziert (Nachteil: fehlerhafte Treiber verursachen oft Systemabstürze): in Unix: eingebunden in den Kern in Windows: die Treibernamen sind in einer Kerndatei geschrieben Neue Möglichkeit: Hot-Plug (Laden des Treibers zur Laufzeit) Bei zeichenweise arbeitenden Geräten (z. B. Maus, Drucker) nimmt der Treiber oft eine sog. Blockung bzw. Entblockung vor: eine Menge Zeichen zu einem Block zusammenfassen bzw. einen Block in einzelne Zeichen zerlegen 7.4 Strategien beim Plattentreiber Ein Treiber kann Aufträge von vielen Benutzerprozessen entgegennehmen, die sich an seinem Eingangskanal stauen. Aufträge werden i.d. R. in der Ankunftsreihenfolge (FCFS) bearbeite Ausnahme: Plattentreiber, Details siehe nächste Folien 7-25 Plattenspeicher anschaulich (Wdh.) Kenngrößen für Festplatte Zylinder Schreib /Leseköpfe Arm Armbewegung Die Bedienzeit t serv eines Plattenauftrags (op, n, s) zum Lesen/Schreiben von Sektor s auf Spur n setzt sich additiv aus folgenden Teilen zusammen: Armpositionierzeit t pos Zeit, die benötigt wird, um den Plattenarm aus seiner aktuellen Position in die Position n zu bringen (Bereich 5 10 ms). Latenzzeit t lat Wartezeit, bis der gewünschte Sektor unter dem Lesekopf erscheint (Bereich < 100µs). Schreib/Lesezeit t read Zeit für Schreiben/Lesen des Sektors Transferzeit t trans Zeit für die Blockübertragung in den Hauptspeicher Zur Bedienzeit t serv kommt noch die Wartezeit t wait hinzu (bedingt durch andere Aufträge), um die gesamte Antwortzeit t resp zu ergeben: 7-27

8 Strategien für Plattenspeicher Beispiel FCFS 1. Ankunftsreihenfolge (FCFS): Bearbeitung der Aufträge in der Reihenfolge ihrer Ankunft 2. Minimale Suchzeit (SSTF = shortest seek time first): Auftrag mit der kürzesten Armpositionierzeit zuerst 3. Fahrstuhlstrategie (SCAN): Wie SSTF, aber jeweils in eine Richtung 4. Zyklische Fahrstuhlstrategie (SCAN-C): Wie SCAN, jedoch nach jedem Durchlauf Rücksprung auf Zylinder 0 Aufträge in der Warteschlange (Spurnummer): 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Aktuelle Kopfposition: 53 Ablauf: 7-29 Beispiel SSTF Aufträge in der Warteschlange (Spurnummer): 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Aktuelle Kopfposition: 53 Beispiel SCAN ( Fahrstuhlstrategie ) Aufträge in der Warteschlange (Spurnummer): 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Aktuelle Kopfposition: 53 Aktuelle Richtung: abwärts 7-31

9 Beispiel SCAN-C Strategien: Analyse Aufträge in der Warteschlange (Spurnummer): 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Aktuelle Kopfposition: 53, Richtung: aufwärts 7-33 FCFS erfordert im Mittel (Gleichverteilung) ein Überfahren von 1/3 der Spuren. SCAN, SCAN-C, SSTF bringen vor allem bei starker Last klare Vorteile, denn im Grenzfall ist nur eine Spur weit zu springen. SCAN und SSTF benachteiligen die Randspuren. SSTF ist i. A. am schnellsten, kann jedoch zum Verhungern von Aufträgen führen. Realisierung von Nicht-FCFS-Strategien Parallelität im Treiber: Beispiel SCAN Erfordert die Zwischenspeicherung von Aufträgen beim Aufruf am Treibereingang (Empfangen). Benötigt einen puffernden Kanal zwischen Benutzerprogramm und Treiber in den Treibern selbst, d. h. alle ankommende Aufträge in den Treiber übernehmen und dort zwischenspeichern Zwischenspeicherung im Treiber selbst erfordert Parallelität zwischen Auftragsannahme und Auftragsbearbeitung; sonst werden während der Abarbeitung keine Aufträge angenommen werden können Sammeln und Abarbeiten sind hier nebenläufig! 7-35

10 7.5 RAID: Motivation RAID: Allgemeine Prinzipien Entwicklung: Plattenzugriffszeiten haben sich relativ zu Prozessorzykluszeiten und Hauptspeicherzugriffszeiten nur geringfügig verbessert: die aktuelle Diskrepanz beträgt etwa 10 6 (msec vs. nsec)! Gleichzeitig sind Speicherkapazitäten gestiegen und Kosten gesunken Idee: durch massiven Einsatz billiger Platten mittels Parallelität einen Leistungszuwachs zu erzielen. RAID (Redundant Array of Independent Disks) ist ein standardisiertes Schema zur Organisation von Dateisystemen auf mehreren Platten. Ursprünglich wurde RAID als Redundant Array of Inexpensive Disks bezeichnet, die Industrie wollte jedoch ihre Platten nicht als billig bezeichnen :-) Aufbau: RAID ist eine Menge physikalischer Platten, die sich dem Benutzer al ein logisches Gerät darstellen und somit keine Änderungen beim Programmieren erfordern Die Daten sind über mehrere physikalische Platten verteilt, dies verspricht höhere Geschwindigkeit durch parallele Verarbeitung Redundante Plattenkapazität wird zur Speicherung von Paritätsbits (Anzahl 1 gerade/ungerade) verwendet (s. nächste Folien). Große Anzahlen von Platten bedeuten hohe Wahrscheinlichkeit von Ausfällen, daher ausfalltolerante Realisierung notwendig RAID unterscheidet 7 verschiedene Schemata (RAID Level 0-6), beschrieben auf den folgenden Folien Anmerkung: Levels bedeuten hier keine richtige Hierarchie 7-37 RAID Level 0 ( non redundant ) Daten aufgeteilt in Strips (z. B. Sektoren oder Blöcke) Strips werden reihum (Round Robin) auf die Platten verteilt Eine E/A-Anfrage, die mehrere Strips betrifft, wird vom Controller in mehrere Kommandos aufgeteilt, die parallel ausgeführt werden RAID 0 arbeitet gut mit großen Anfragen und schlecht mit kleinen (z. B. bestehenden aus nur einem Sektor) Beachte: Mittlere Ausfallzeit eines aus k Platten bestehenden RAID ist k mal kürzer als die eines SLED (Single Large Expensive Disk), da der Ausfall einer Platte das gesamte System unbrauchbar macht! RAID Level 1 ( mirrored ) Organisation wie RAID Level 0, aber Ausfalltoleranz durch komplett Spiegelung aller Daten Beim Schreiben werden beide Kopien geschrieben, beim Lesen kann jede der beiden Kopien benutzt werden, d. h. nur die Lesegeschwindigkeit verdoppelt sich Die Ausfallsicherheit wird verdoppelt, da der Ausfall einer Platte toleriert werden kann Kostspielig, da doppelter Platzbedarf 7-39

11 RAID Level 2 bis 6 RAID Level 2: Strips sind klein im Vergleich zu RAID 0 oder 1, typischerweise ein Byte oder ein Wort. Fehlerkorrigierende Codes (z. B. Hamming-Codes) werden berechnet und auf redundanten Platten (Anzahl logarithmisch) gespeichert, um Ausfälle von Platten ohne vollständige Replikation aller Daten tolerieren zu können. Beispiel: CM-2 Computer von Thinking Machines Ltd. arbeitet für 32-Bit Worte mit 39 Festplatten gleichzeitig (1 Bit/Platte), mit einem enormen Gesamtdurchsatz RAID Level 3 bis 6: gleiches Prinzip aber Unterschiede bei fehlerkorrigierenden Codes (Parität) und unterschiedliche Verteilungsstrategien (mehr Details in [Stallings],[Tanenbaum]) 7-41