Betriebssysteme Teil C: Hardware (Allgemein)

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1 Betriebssysteme Teil C: Hardware (Allgemein)

2 Literatur [C-1] Engelmann, Lutz (Hrsg.): Abitur Informatik Basiswissen Schule. Duden-Verlag, 2003, S.43-53, , , S , [C-2] Hübscher, Heinrich et al.: IT-Handbuch, IT-Systemelektroniker/-in, Fachinformatiker/-in. Westermann, 2. Auflage, 2001, S , 114, 125 [C-3] [C-4] Plate, Jürgen: Einführung Datenverarbeitungssysteme. [C-5] Frielingsdorf, H.; Lintermann, F.-J., Schaefer, U. Schulte- Göcking, W.: Basiswissen IT-Berufe Einfache IT-Systeme. Bildungsverlag EINS, 3. Auflage, 2004, S

3 Übersicht Sinn und Zweck der Schichten Bus Geräte-Register Platten SSD Partitionierung 3

4 Ebenen/Schichten 4

5 Realisierung einer Schicht Übersetzer Ordnet der Sprache Konstrukte einer Sprache auf einer niedrigeren Ebene zu Dadurch "verschwindet" diese Ebene/Schicht Beispiel: Compiler für C, Pascal Interpreter = Programm oder Hardware, was die Semantik von Befehlen realisiert Beispiel: CPU, Java Bytecode-Interpreter Siehe Ausführungszyklus eines Interpreters In der Praxis gibt es häufig Mischformen, z.b. Java: hierbei wird in einen Zwischencode (Byte-Code) übersetzt, der dann interpretiert wird. 5

6 Princeton-Architektur (von Neumann) 6

7 Modell der CPU und der I/O-Geräte 7

8 Register der I/O-Geräte I Diese Register können über den Bus direkt von der CPU gelesen und verändert werden. SR = Status Register zeigt den Zustand des I/O-Vorgangs an, Schnittstelle zum Starten und Stoppen eines I/O-Vorgangs DR = Datenregister enthält nach Einlese-Operation das eingelesene Datum zum Abholen für die CPU bzw. vor Schreiboperation das zu schreibende Datum für das Gerät AR = Adressregister (auch mehrere) enthalten die Adresse im RAM oder auf dem I/O-Gerät. CR = Count Register enthält die Länge des Datenblocks, der während der I/O-Operation behandelt wird. 8

9 Register der I/O-Geräte II Alle Geräte-Register haben Adressen, ganz analog zu Speicherzellen, d.h. der Kommunikationsvorgang zwischen CPU und I/O-Gerät ist analog zum Zugriff auf den RAM. Das Lesen aus einem I/O-Register hat die Bedeutung des Abholens eines Wertes (Einlesen). Das Schreiben in ein I/O-Register bewirkt ein Starten, Stoppen oder ein Senden eines Datenwertes. Die genaue Bedeutung wird individuell durch das Gerät bestimmt. 9

10 Register der I/O-Geräte III Das Geräte-Register kann als eine Speicherzelle aufgefasst werden, in der Daten bzw. Kommandos an das Gerät gelegt werden bzw. einzulesende Daten abgeholt werden. 10

11 Beispiel eines I/O-Gerätes (Drucker) Zuerst wird das zu druckende Byte in das Datenregister geschrieben. Dann wird das Write-Bit gesetzt, was bedeutet, dass der Inhalt des Datenregisters gedruckt wird. Während dessen setzt das Gerät das Busy-Bit auf 1, was bedeutet, dass es beschäftigt ist. Ist der Drucker fertig, wird das Busy-Bit gelöscht und der Ergebnis-Code gesetzt, z.b. auf 0, was bedeutet: alles OK. 11

12 Datenstrom-Zugriff auf Geräte-Register Mehrere Geräte-Register können jeweils eine eigene Adresse erhalten (dies wurde gerade besprochen). Es können aber auch mehrere Register über eine einzige Adresse angesprochen werden, indem eine bestimmte Zugriffsreihenfolge realisiert wird, z.b.: 1. Zugriff Status-Register 2. Zugriff Daten-Register 3. Zugriff Adresse 4. Zugriff 12

13 Prinzipien von Bussystemen 13

14 Aufbau Adressbus Datenleitungen mit den Adressen der Kommunikationspartner (8 bis 32 Leitungen): Arbeitsspeicher/RAM: Adressen sind die der RAM-Zellen (Bytes, Wörter, Doppelwörter etc.) Adressen von Schnittstellen zur peripheren Geräten: Ports Wird eine Adresse generiert, die zu keinem Partner gehört, gibt es keine Kommunikation Datenbus Datenleitungen mit den zu transportierenden Daten (8 bis 64 Leitungen) Kontrollbus Leitungen, die der Steuerung dienen (Synchronisation, Reset etc.) 14

15 Aufgaben des Kontrollbusses Art der Zugriffs: Auf Arbeitsspeicher/RAM Auf I/O-Gerät Zuteilung des Busses an ein Partner, der dann Master wird: Der Master belegt den Bus und bestimmt Adressen sowie Kommunikationsrichtung Die vom Master angesprochenen Partner sind Slaves, alle anderen sind unbeteiligt. Mitteilung des Wunsches, Master zu werden Mitteilung von Unterbrechungen und Reset-Signale Synchronisation zwischen den Partnern Anzeige, wann die Signale einen stabilen Pegel haben, Takt, Bestätigungen, Flusskontrolle etc. 15

16 Master Wer kann alles Master werden? Alle CPUs - es können mehrere vorhanden sein I/O-Geräte mit der Fähigkeit zum Zugriff auf den Arbeitsspeicher (DMA) Wie lange bleibt ein Master Master? Bis er freiwillig den Bus abgibt Bis der Bus ihm die Kontrolle wieder abnimmt Wie wird ein Partner Master? Eine spezielle Elektronik (Arbiter = Entscheider) teilt den Bus den Partnern zu, wobei gleich berechtigte Prioritäten realisiert werden können, oder: Jeder meldet den Wunsch an und der setzt sich durch, der am nächsten zur CPU im Bus sich befindet (Daisy Chaining) 16

17 Direct Memory Access (DMA) 17

18 Bemerkungen Bei DMA wird das I/O-Gerät Bus-Master und überträgt in Konkurrenz zu CPU seine Daten direkt in den RAM bzw. holt sich seine Daten direkt aus dem RAM. Dies entlastet die CPU sehr stark. Selbstverständlich können mehrere DMA-Geräte parallel arbeiten; dann bemühen sich diese Geräte und die CPU in Konkurrenz um den Bus. Damit I/O-Geräte die CPU nicht besonders stark stören, können für den Zugriff der CPU auf den RAM besondere Datenpfade vorgesehen werden. 18

19 Input/Output - Mit DMA-Gerät 1. Schreibe die RAM-Adresse ins Geräte-Register AR2 2. Schreibe die I/O-Adresse ins Geräte-Register AR1 Das kann eine Nummer eines Blocks auf einer Platte sein. 3. Schreibe die Anzahl der Blöcke bzw. Bytes, die verarbeitet werden sollen, in das Geräte-Register CR 4. Nun starte den Lesevorgang durch Setzen des Read-Bits im Status-Register des Geräts (SR). Dadurch beginnt der Lesevorgang. Oder: Durch Setzen des Schreibbits im Status-Register SR beginnt ein Schreibvorgang. 5. Das Gerät setzt sofort das Busy-Bit und beginnt zu arbeiten. 6. Am Ende wird das Busy-Bit gelöscht und ein Return-Code ins Status- Register SR geschrieben. 19

20 Input/Output - Ohne DMA-Gerät 1. Durch das Beschreiben der Daten- und Adressregister (DR und AR) wird der nächste I/O-Vorgang vorbereitet. 2. Durch das Beschreiben des Statusregisters SR wird der I/O- Vorgang gestartet. 3. Das Gerät arbeitet und zeigt dies durch Setzen des Busy-Bits im Statusregister SR an. Währenddessen kann die CPU dieses Bit abfragen, um das Ende des I/O-Vorgangs festzustellen. 4. Das Gerät beendet seine Arbeit: Das Busy-Bit ist gelöscht und der Status-Code in das Status-Register SR geschrieben. 5. Wenn gelesen wurde: Die CPU holt das Ergebnis vom Gerät ab und schreibt es in den RAM. Wenn geschrieben wurde: Die CPU prüft den Status-Code. 20

21 Modell des RAMs und des I/O-Bereichs I 21

22 Modell des RAMs und des I/O-Bereichs II Spezielle I/O-Instruktionen Die I/O-Register haben spezielle Adressen (Portnummern) z. B. Intel 80x86 22

23 Modell des RAMs und des I/O-Bereichs III Memory Mapped I/O Adressen der I/O-Register befinden sich innerhalb des Bus-Adressraums Zugriff mit normalen Instruktionen, d.h. es gibt keine speziellen I/O- Instruktionen, z. B. MC 680x0 23

24 Modell des RAMs und des I/O-Bereichs IV 24

25 Das Prinzip der magnetischen Platten Geöffnet ohne Gehäuse Siehe: 25

26 Platte - Erläuterungen Aktuator = Kammartiger Arm mit Schreib-/Lese-Köpfen an den Enden, der im schrägen Winkel zum Mittelpunkt der Platte mit einem Linearmotor auf die richtige Spur bewegt wird. Schreib-/Leseköpfe schweben auf Luftkissen sehr dicht über der Oberfläche (ca. 0,0003mm) Im ausgeschalteten Zustand setzen die Köpfe auf einem dafür reservierten Bereich auf oder werden ganz aus dem Plattenbereich herausgezogen. Setzt im Betrieb ein Kopf auf, wird dies Headcrash genannt. Headcrash hat i. d. R. Datenverluste bzw. Beschädigungen des Kopfes zur Folge. 26

27 Spuren, Sektoren und Oberflächen Spur (Track) Spur 0 Spur Max Oberfläche (Surface) Block, Sektor Die Spuren (track) werden von Außen nach Innen von 0 an durchnummeriert. Die Sektoren (sector) innerhalb einer Spur werden von einer Markierung ab nummeriert. Analog gilt dies für Oberflächen (surface). Ein Sektor wird daher mit drei Zahlen eindeutig identifiziert: Oberflächennummer, Spurnummer, Sektornummer 27

28 Formatieren Durch Low-Level-Formatieren wird eine feste Struktur bestehend aus leeren Rahmen innerhalb konzentrischer Kreise auf das Medium gebracht. Jeder dieser Rahmen definiert einen Block. Dort sind in jeder Spur (Track) Kennzeichnungen des Beginns, Synchronisationsbits, Lücken (Gap) sowie Angaben über die Identifizierung der Sektoren enthalten. Bei der High-Level-Formatierung wird ein leeres Dateisystem in die leeren Rahmen/Blöcke der Low-Level-Formatierung geschrieben. Filesystem = Dateisystem = Komplexe Datenstruktur zur Verwaltung und Ablage von Dateien (Files) 28

29 Low Level Format (Prinzip) 29

30 Erläuterungen Es werden Bereiche zur Synchronisation zwischen geschriebenen Bits und der Leseelektronik eingefügt. Synchronisation = Zeitliche Abstimmung (in Gleichtakt kommen) von unabhängigen Funktionseinheiten CRC = Cyclic Redundancy Check (Prüfsumme) Idee der Prüfsummen: Es wird eine mathematische Funktion über alle Bits eines Blocks an Informationen berechnet. Diese Funktion ist so geschickt gewählt, dass sie einen anderen Wert liefert, wenn auch nur wenige Unterschiede an den Informationen vorhanden sind. Beim Schreiben eines Sektors wird der CRC berechnet und geschrieben. Bei jedem Lesen wird er erneut berechnet und mit dem vorher geschriebenen verglichen. Bei Gleichheit: alles ok, sonst Lesefehler. 30

31 Logische Sektoren (Blöcke) Blöcke = Per Software werden alle Sektoren über die ganze Platte nummeriert und als Blöcke bezeichnet. Block = logischer Sektor Physikalischer Sektor Logischer Sektor Kopf Spur Sektor Block Kopfbezeichnung entspricht Oberflächenbezeichnung Siehe auch: 31

32 Blöcke, Sektoren etc. Die Scheiben heißen auch Platter. 32

33 Zugriffszeit Positionierungszeit = Seek time = Zeitraum, der für das Bewegen des Aktuators von einer zufälligen Spur auf eine neue benötigt wird. Typisch: 2-3ms Latenzzeit = Zeitraum des Wartens bis der gesuchte Sektor am Aktuator "angekommen" ist z. B U/Min. -> 16ms für eine Umdrehung IDE-Platten: U/Min. SCSI-Platten: U/Min. Zugriffszeit = Positionierungszeit + Latenzzeit Typisch: 4-12 ms Die jeweils mittlere Zeit ist der statistische Durchschnitt. Die Performance wird durch Benchmarks bestimmt: dies sind spezielle Programme, die bestimmte als typisch angesehene Benutzungsprofile simulieren. Hauptproblem hierbei: Unklar, was eine typische Benutzung ist 33

34 Ein typische SATA-Laptop-Platte 34

35 Laptop-Platte vs. Memory-Stick (USB 2.0) Access time: 15,9 ms Transfer Rate: 81,9 MB/s Access time: 1,0 ms Transfer Rate: 28 MB/s 35

36 Zonenaufzeichnung (Zone-Recording) Da der Umfang eines Kreissegments am Rande länger als an der Innenseite ist, können am Rande mehr Sektoren liegen als im inneren Bereich. Die Platte wird daher in Zonen mit jeweils eigener Sektorenzahl pro Spur eingeteilt. Dies führt bis zu 30% mehr Kapazität. Der Controller auf der Platte macht die Umrechnung von Sektoren nach logischen Sektoren (Blöcken), so dass die Software, z. B. BIOS, sich nicht darum zu kümmern braucht. Fallbeispiel: Quantum Pro Drive LPS 240AT (veraltet) Kapazität: 240 MB unformatiert, 234 MB formatiert 16 Zonen: Zone 0: 148 Zylinder, Zone 1..14: 112, Zone 15: 102 Zylinder Sektoren pro Zylinder: Zone 0: 87 bis Zone 15: 44 36

37 Bad Sector Mapping Wird vom Controller festgestellt, dass ein Sektor nicht zugreifbar ist (bzw. immer wieder Fehler hat), so wird dieser Sektor durch einen anderen ersetzt. Dazu werden bisher unbenutzte Sektoren aus dafür reservierten Spuren belegt. In einer Tabelle wird vermerkt, welche "guten" Sektoren welche "schlechten" ersetzt haben. Diese Tabelle wird für den Zugriff benutzt. Dieser Mechanismus ist gegenüber der Software transparent und läuft "innerhalb" der Platte ab. Dies ist der Grund, warum Platten schon von der Fabrik her eine Formatierung (low level) bekommen haben und warum diese möglichst nicht überschrieben werden sollte. 37

38 Solid State Disk (SSD) Weiterentwicklung der Memory-Stick-Technologie zur Platte Bauformen: 2,5"- und 3,5"-Platten, aber auch als PCIe-Karten Lebensdauer einer Zelle Lesen: unbegrenzt Schreiben: x bei MLC bis x bei SLC Durch Verlagern der Adressen der Zellen wird eine gleich-mäßige Belastung erzeugt. Trotzdem: Um Faktor weniger Schreibzyklen als bei einer herkömmlichen Platte. Für die Zellen stehen folgende Arten zur Verfügung: Multi-Level-Cell (MLC): mehrere Bits pro Zelle Single-Level-Cell (SLC): 1 Bit pro Zelle Statt Solid State Disk wird auch von Solid State Drive gesprochen, beide Begriffe sind verbreitet. 38

39 Links und weitere Informationen zu SSD [SSD1] [SSD2] [SSD3] [SSD4] Siehe: 39

40 Performanz und andere Aspekte Steigerung der Anwendungsperformanz bis zu Faktor 3-4 Aber: Möglichst nicht defragmentieren Dies ist nicht nur unnötig, sondern aufgrund der Schreibvorgänge der Lebensdauer der SSD nicht zuträglich. Reduktion des Energieverbrauchs um fast Faktor 10: Längere Akku-Laufzeit Weniger Abwärme Es gibt aber sehr schnelle SSDs, die genauso viel Energie verbrauchen wie die sparsamsten Platten. Nahezu unempfindlich gegenüber Stößen In der Größe beschränkt und teuer im Vergleich zu Platten 40

41 Performanz SATA-Platte vs. SSD Access time: 18,8 ms Transfer Rate: 49,6 MB/s Access time: 0,2 ms Transfer Rate: 184,7 MB/s 41

42 Partitionen I Einteilung einer großen Platte in mehrere logische Platten, die jeweils Partitionen genannt werden. Ein Tabelle der Zylinderbereiche der Partitionen befindet sich vorne im Bootbereich, d.h. im Block 0. Dort liegt auch der Code des ersten Booters Das Root-Filesystem ist das, was während des Bootens zum Laden des Betriebssystems benutzt wird und daher das erste Dateisystems ist, auf das zugegriffen wird. 42

43 Partitionen II Eine Partition besteht aus einer Zylindergruppe. Gründe für das Partitionieren: Ein Hardware-Fehler wirkt sich nur auf die betroffenen Partitionen aus, alle anderen Bereiche bleiben intakt. Durch die Begrenzung auf einen Bereich reduzieren sich die Entfernungen der Kopfbewegungen (kürzere Positionierungszeit). 43

44 Beispiel: PC-Microsoft-System I Im 1. Block gibt es den Master-Boot-Record (MBR), der vier Deskriptoren für Partitionen hat. Die Einträge in dieser Partitionstabelle enthalten die Größe sowie die Startblocknummer der Partitionen des Mediums. Siehe: Primäre Partitionen = Partitionen, deren Deskriptoren im MBR liegen 44

45 Beispiel: PC-Microsoft-System II Um mehr als vier Partitionen zu erhalten, werden die Boot- Sektoren der Partitionen selbst zur Beschreibung benutzt. Diese "lokalen" Boot-Sektoren sind linear miteinander verkettet, so dass lediglich ein Eintrag im MBR über die erste sekundäre Partition reicht. Sekundäre Partitionen = Partitionen, deren Deskriptoren nicht im MBR, sondern im eigenen Boot-Sektor liegen Aus der Sicht des MBR liegen alle sekundären Partitionen in einem Behälter, der den hintersten zu benutzten Eintrag im MBR belegt. Siehe: 45

46 Empfehlungen Beispiel für Windows Partition C: Nur Betriebssystem und installierte Software Partition D: Daten Partition E: Backup (Kopie von Daten) Immer möglichst Daten (das sind die wichtigsten Dinge) und Software trennen. Denken Sie immer an Backups. Legen Sie immer regelmäßig Backups an! 46

47 Beispiele einer Partitionierung I Einfache Windows 2000-Installation 47

48 Beispiele einer Partitionierung II Dual-Boot-System mit Windows XP und Linux auf einer Platte 48

49 Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung... 49