Ein-/Ausgabe und Disk Scheduling. Peter Puschner Institut für Technische Informatik

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1 Ein-/Ausgabe und Disk Scheduling Peter Puschner Institut für Technische Informatik

2 Was interessiert uns? Charakteristika von I/O-Geräten Anforderungen an das I/O-System Realisierung von I/O BS-Mechanismen Pufferung Disk Scheduling Disk Cache R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 2

3 Ein-/Ausgabe perhaps the messiest aspect of OS design... Vielzahl an Gerätearten und Anwendungen 3 Arten von externen I/O-Geräten: Mensch-Interface (z.b.: Anzeige, Tastatur) Maschinen-Interface (elektron. Geräte, z.b.: Datenlaufwerke, Sensoren, Aktuatoren) Kommunikation (für Datenaustausch mit anderen, weiter entfernten Geräten, z.b.: Netzwerk) R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 3

4 Merkmale von I/O-Geräten Datenrate Anwendung (z.b.: Dateiverwaltungs- Layer: Files vs. Sekundärspeicher für VM) Ansteuerungs-Komplexität (z.b. Pollen vs. Interrupt) Transfer-Einheiten (z.b. Zeichen vs. Blöcke) Daten-Repräsentation (z.b. Byte Order, Parität) Fehlerbehandlung (Arten, Auftreten) R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 4

5 I/O-Funktionen Programmed I/O: Task I/O Device Interrupt-driven I/O: Task DMA: Task ISR MEM I/O Device I/O Device R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 5

6 I/O-Funktionen Programmed I/O: Prozess schickt ein I/O- Kommando und wartet mittels Busy-Waiting. Interrupt-driven I/O: Prozess schickt ein I/O- Kommando und arbeitet weiter. Wird durch das I/O-Modul unterbrochen, wenn I/O fertig. Direct Memory Access (DMA): Prozess schickt Kommando an I/O-Modul. Das I/O-Modul kopiert autonom Daten zwischen Speicher und I/O- Modul und unterbricht den Prozess nach Fertigstellung der I/O-Operation. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 6

7 Direct Memory Access (DMA) Kann Aktionen der CPU nachbilden, indem DMA Controller die Kontrolle von Bus übernimmt. Zwei Arten, wann DMA-Transfer gestartet: blockweiser Transfer (ev. parallel mit CPU-Aktivität) DMA erzwingt einzelne Übertragungszyklen am Bus ( cycle stealing ) DMA ist effizient: Kein Kontextwechsel der CPU notwendig Flexibel: DMA-Modul kann mehrere I/O-Module versorgen (mehrere Ports oder eigener I/O-Bus). R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 7

8 I/O Channel I/O Channel ist eine Erweiterung zu DMA Durch Ausführung von I/O-Befehlen komplette Kontrolle über I/O-Operationen I/O-Instruktionen im Hauptspeicher, Abarbeitung durch I/O Prozessor, Interrupt signalisiert Ende Zwei typische Arten von I/O Channels: Selector Channel kann mehrere Geräte verwalten, wobei immer nur eines aktiv ist. Multiplexer Channel kann mehrere Geräte simultan bedienen. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 8

9 Kriterien für OS-Design Kompromiss zwischen widersprechenden Zielen: Effizienz: wichtig, da I/O oft Bottleneck des Systems. Mehr Prozesse bringt ev. Swapping (zusätzl. I/O). ð spricht für gerätespezifische Lösungen Flexibilität: für Einfachheit, geringere Fehlermöglichkeiten von I/O-Operationen, Ersetzbarkeit, Austauschbarkeit von Geräten ð einheitliche Schnittstellen erforderlich (zb: Zugriffsfunktionen wie open, close, lock, unlock, ). R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 9

10 Logische Struktur von I/O Struktur von I/O-Funktionen für Peripheriegeräte (Schichtung gem. Komplexität, Zeitkonstanten, Abstraktion) Ziel: Verbindung von einheitlichem Interface gerätespezifischer Ansteuerung Schichtungsebenen: Logical I/O: logische Bedienung des Gerätes (z.b.: open, close, read, ) Device I/O: Übersetzung von Operationen in Sequenz von I/O- und Kontroll-Kommandos; Pufferung Scheduling and control: Queuing, Verwaltung von I/O- Operationen, Interrupt-Handling, Lesen des I/O-Status. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 10

11 I/O für Geräte mit File System I/O für File System hat die Struktur wie Lokale Peripheriegeräte. Logical I/O besteht aus drei Komponenten: Directory Management: Übersetzung: symbol. Dateinamen Dateireferenzen; Directory-Benutzeroperationen (zb: add, delete, ) File System: behandelt logische Struktur von Dateien, Dateioperationen (zb: open, close, read, write, ) Physical Organisation: Übersetzung von logischen Referenzen in Spuren und Sektoren. R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 11

12 Blocking vs. Non-Blocking I/O Blocking I/O Prozess wird von Zustand Running in die Wait Queue gestellt und blockiert. Non-Blocking I/O I/O Operation wird sofort fertiggestellt, kein Wait, Return Status liefert Feedback über Operation (z.b. Anzahl der übertragenen Bytes). R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 12

13 Synchrone vs. Asynchrone I/O requesting process waiting device driver interrupt handler hardware data transfer Synchronous I/O (blocking or non-blocking) requesting process device driver 1 2 interrupt handler hardware data transfer Asynchronous I/O R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 13

14 Synchroner I/O Request I/O request satisfyable? no request to dev. driver block process issue commands to controller, configure controller monitor device for I/O completion yes user process kernel I/O sys. kernel I/O sys. device driver interrupt handler device controller I/O complete copy data to process, return exit code indicate state change to I/O system receive int., input: store data in driver buffer; unblock driver I/O completed, generate interrupt R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 14

15 I/O und BS-Parallelität Szenario: Prozess will eine Datenmenge von der Platte in den Datenbereich seines VM kopieren 1.) Absetzen des I/O Kommandos, 2.) Wait Prozessverzögerung durch Warten auf I/O Seiteneffekt zu Mid-term Scheduling (Swapping) Datenbereich für I/O kann nicht ausgelagert werden, damit Konsistenz gewährleistet bleibt möglicher Deadlock: Prozess wird nach Absetzen einer I/O Operation blockiert, vor Start der I/O suspendiert Prozess blockiert, auf Fertigstellung der I/O wartend I/O blockiert, bis Prozess wieder eingelagert wird R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 15

16 Puffern von I/O-Anfragen Puffer: Zwischenspeicher für Daten bei I/O-Transfer Reduktion des Overheads: Zusammenfassung von low-level I/O-Operationen Entkopplung BS Prozess BS: Entkopplung I/O Swapping Abfangen von Spitzenlastfällen (mehrere Puffer) Achtung: Langzeit-Performance nie besser als Device Performance Kosten: Speicher, Puffermanagement (Zuordnung: Puffer Prozesse) R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 16

17 Puffern von I/O-Anfragen (2) Benutzer-Prozess BS I/O-Gerät kein: einfach: doppelt: Ringform: In Move Move Move In In In R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 17

18 Disk I/O Scheduling Seek Time T S : benötigte Zeit, um Disk-Arm zur gewünschten Spur zu bewegen (Mittelwert). Rotational Delay T RD : Zeitverzögerung, bis Anfang des gesuchten Sektors gefunden (im Mittel: halbe Umdrehungszeit der Disk) Transfer Time T TF : benötigte Zeit zum Übertragen der Daten. ð Average Access Time T A : benötigte Zeit für Datenzugriff (Mittelwert) R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 18

19 Charakteristische I/O-Zeiten b Anzahl der zu übertragenden Bytes N Anzahl der Bytes pro Spur r Umdrehungsgeschwindigkeit [U/sec] T A = T T RD TF T S 1 = 2 r b = r N + T + RD Wichtig: Organisation der Daten auf der Platte!!! R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 19 T TF

20 Strategien des Disk Scheduling Ziel: Ordnung von Disk-I/O Requests zur Minimierung der Seek Time T S Priority First-In, First-Out (FIFO) Last-In, First-Out (LIFO) Shortest Service Time First (SSTF) SCAN (Elevator Alg.) C-Scan N-step-SCAN und FSCAN RAID (Redundant Array of Independent Disks): Beschleunigung und Fehlertoleranz R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 20

21 Disk Cache Ähnliches Prinzip wie Memory Cache Puffer im Hauptspeicher für Sektoren einer Disk Beruht auf Lokalität der Daten Austauschstrategien: Least Recently Used (LRU) Least Frequently Used (LFU) Frequency-Based Replacement (Verbesserung von LFU) Austausch im Cache bei Bedarf oder im Voraus R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 21

22 Frequency-Based Replacement 1. Variante: New Section Old Section MRU LRU Re-Reference: count=count Re-Reference: count=count+1 Miss, count=1 replace block with smallest count 2. Variante: New Section Middle Section Old Section MRU LRU R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 22

23 Zusammenfassung I/O ist ein Service des BS zum Zugriff auf externe Geräte oder Ports des Prozessors. Design von I/O ist Kompromiss zwischen Effizienz und Flexibilität Schichtung der SW des I/O Systems Puffern erhöht Performance und Flexibilität Disk Scheduling und Caching zur Erhöhung der durchschnittlichen Zugriffsgeschwindigkeit R. Kirner, P. Puschner, TU Wien Vorlesung Betriebssysteme, I/O; WS 13/14 23