Ein- und Ausgabe I/O. Kapitel 5 WS 07/08 IAIK 1

Transkript

1 Ein- und Ausgabe I/O Kapitel 5 WS 07/08 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 I/O-Design-Kriterien IAIK 23

8 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 24

9 Ziele von I/O-Software Einheitliches Namensschema unabhängig vom Gerät Unix: alles unter / Fehlerbehandlung möglichst Controller oder das Betriebssystem transiente Fehler transparent IAIK 25

10 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 26

11 I/O-Durchführung Drei Arten Programmiert mit Interrupts mit DMA IAIK 27

12 Programmierte I/O Prozess will Zeichen am Drucker ausgeben Systemcall Drucker belegt return mit Fehler Prozess blockiert bis Drucker frei (Spooling) IAIK 28

13 Programmierte I/O IAIK 29

14 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 30

15 Programmierte I/O IAIK 31

16 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 32

17 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 33

18 Interruptgesteuerte I/O Drucker sendet Interrupt wenn für nächstes Zeichen bereit Interruptbehandlungsroutine stellt nächstes Zeichen zur Verfügung IAIK 34

19 Interruptgesteuerte I/O IAIK 35

20 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 36

21 I/O mit DMA IAIK 37

22 I/O-Schichtenmodell IAIK 38

23 I/O-Schichten IAIK 39

24 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 40

25 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 41

26 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 42

27 Interrupt-Handler 3. Kopieren der Register (des unterbrochenen Prozesses) in die Prozesstabelle 4. Interrupt-Controller informieren (interrupts wieder erlauben) 5. Interruptbehandlungsroutine aufrufen (lesen Infos der betroffenen Geräte aus) IAIK 43

28 Interrupt-Handler 7. Nächsten Prozess aussuchen 8. MMU-Kontext für neuen Prozess initialisieren 9. Laden der Prozessregister und PSW 10.Neuen Prozess starten IAIK 44

29 Gerätetreiber Jedes I/O-Geräte benötigt geräteabhängige Steuersoftware Treiber für jedes Betriebssystem unterschiedlich Treiber steuert meist Klasse ähnlicher Geräte IAIK 45

30 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 46

31 Gerätetreiber also Teil des Betriebssystems aber von Außenstehenden geschrieben erfordert klares Modell und klare Schnittstellen IAIK 47

32 Modell IAIK 48

33 Gerätetreiber-Kategorien Blockgeräte (block devices) zeichenorientierte Geräte (character devices) oft zwei Standardschnittstellen eine für alle Blockgeräte eine für alle zeichenorientierten Geräte IAIK 49

34 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 50

35 Aufgaben eines Treibers Bearbeiten von Schreib- und Lesebefehlen Initialisieren Energiemanagement Ereignisverwaltung IAIK 51

36 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 52

37 Treiberstruktur Kontrolle: Sequenz von Befehlen an Controller schicken Befehl in Steuerregister schreiben dann im Statusregister prüfen, ob Befehl akzeptiert IAIK 53

38 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 54

39 Treiberstruktur Wenn blockiert: irgendwann wieder aufgeweckt Untersuchen, ob Fehler aufgetreten eventuell Daten an aufrufende Software übergeben Statusinfo an Aufrufer übergeben IAIK 55

40 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 56

41 Sonderfälle Treiber muss mit Entfernen des Gerätes umgehen können aktuelle I/O abbrechen wartende Anfragen entfernen alle Aufrufer informieren neue Geräte können dazukommen IAIK 57

42 Geräteunabhängige SW IAIK 58

43 Geräteunabhängige SW Teile der I/O geräteunabhängig durchführbar Funktionen (typisch) Einheitliches Interface Pufferung Fehlerbericht Anforderung/Freigabe von Geräten geräteunabhängige Blockgröße IAIK 59

44 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 60

45 Schnittstellen IAIK 61

46 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 62

47 Pufferung Generell wichtig Beispiel: Prozess will Zeichen von Modem lesen Strategie 1: ein Zeichen anfordern Blockieren IAIK 63

48 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 64

49 Pufferung Effizienter Nachteile: Pufferspeicher darf nicht ausgelagert sein Seiten locken Wenn zu viele Seiten gelockt Menge der freien Seiten wird kleiner IAIK 65

50 Pufferung Strategie 3: Puffer im Kernelspace Wenn gefüllt: ev. Seite einlagern und Daten in Userspace kopieren IAIK 66

51 Pufferung Problem: Was tun, wenn Daten ankommen, während kopiert wird? Strategie 4: zweiter Puffer im kernel doppelte Pufferung IAIK 67

52 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 68

53 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 69

54 I/O Software im User Space Kleinerer Teil, zt Bibliotheken I/O-Routinen (open, read, write, ) Formatierung (printf) Spooling-Systeme I/O Anforderung I/O-Antwort IAIK 70

55 Devices nur ausgewählte Teile Plattenspeicher Timer Terminals Energieverwaltung IAIK 71

56 Plattenspeicher Wesentliche Eigenschaft: Fehlertoleranz z.t. auf Filesystemebene nötig (plötzliches Abschalten) z.t. auf Hardwareebene IAIK 72

57 RAID Redundant Array of Inexpensive (Independent) Disks (Patterson 1988) mehrere zusammengeschaltete Platten, sieht für das System wie eine physische Festplatte aus IAIK 73

58 RAID 0 Festplatte in Strips zu k Sektoren teilen striping gut bei großen Anfragen Parallele Bearbeitung schneller Nachteil: Fehleranfällig IAIK 74

59 RAID 1 Platten werden dupliziert mirroring gute Ausfallssicherheit mit RAID 0 kombinierbar (RAID 0+1) Strip 0 Strip 3 Strip 0 Strip 3 Strip 1 Strip 4 Strip 1 Strip 4 Strip 2 Strip 5 Strip 2 Strip 5 IAIK 75

60 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 76

61 RAID 5 verhindert Flaschenhals Parity-Platte Parity-Info auf alle Platten verteilt IAIK 77

62 Fehlerbehandlung Festplatten haben Defekte Fehlerhafte Sektoren: read(write(x))!= X Fehlerbehandlung im Controller im Betriebssystem IAIK 88

63 Fehlerbehandlung Controller: Liste fehlerhafter Sektoren auf Festplatte schreiben (Produktion) fehlerhafte Sektoren durch Reservesektoren ersetzen IAIK 89

64 Fehler im Betrieb transiente Fehler verursacht durch feine Staubpartikel erneutes Lesen funktioniert Sektor wird kaputt: auf Reservesektor ausweichen Verwaltung auch im Betriebssysem möglich IAIK 90

65 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 91

66 Stable Storage Eigenschaft: Schreibvorgänge werden korrekt oder nicht ausgeführt IAIK 92

67 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 93

68 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 94

69 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 95

70 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 96

71 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 97

72 Prozessorabstürze IAIK 98

73 Uhren wichtig für Funktion des Betriebssystems Uhrzeit ermöglicht preemption wie Gerätetreiber unterbricht in vorgegebenen Intervallen IAIK 99

74 Uhren-Software Aufgaben Verwalten der Uhrzeit Unterbrechen von Prozessen Buchführung Prozessornutzung Behandlung des alarm-syscalls Timer Profiling etc IAIK 100

75 Uhrzeit Zähler, pro Tick Inkrementieren 32 bit: Laufzeit nur etwa 2 Jahre Lösungen 64 bit: Inkrement aufwändiger Sekundenteile in Hilfszähler, Sekunden in Hauptzähler 136 Jahre Zeit ab Systemstart im Zähler, Basiswert dazuzählen alle 2 Jahre booten notwendig IAIK 101

76 Prozessunterbrechung Uhr mit quantum laden bei jedem tick dekrementieren wenn 0: Scheduler aufrufen IAIK 102

77 Buchführung zweite Uhr für Messungen wenn Prozess unterbrochen: gibt an, wie lange Prozess aktiv war Interruptbehandlungen sind dabei auszublenden Zeitmessung wegen Interrupts nie exakt IAIK 103