Sistemi Operativi - Gestione I/O

SO = Interfaccia tra utenti e dispositivi di Input/Output

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Tanti dispositivi I/O --> ​sottosistema I/O suddiviso in driver (uno per ciascuna periferica), programmi che consentono al SO di scambiare informazioni con i dispositivi hardware collegati

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I driver rendono uniforme la gestione di ​ogni dispositivo da parte delle applicazioni e del SO

• nascondere i dettagli di ciascun dispositivo

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• ​distinguere dispositivi fisici (routine di basso livello) da dispositivi logici (canali -> funzioni di alto livello)

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• associare ​un dispositivo fisico a uno logico​

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• ​consentire ai processi di interagire con i dispositivi logici

• di ingresso e puntamento​

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• di memorizzazione

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• ​di collegamento

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• multimediali​

• sistema I/O condiviso --> gestione concorrenza

• equità nell'accesso alla periferica --> ottimizzazione throughput

• ​gestione delle interruzioni

• ​verifica permessi di accesso ai singoli dispositivi

• ​procedure specifiche complesse per gestire le operazioni di basso livello

Comunicazione: la porta

Trasmissione: il bus

​Un bus fisico

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Tre bus logici:

• ​ABUS

• DBUS

• CBUS​

Interfaccia: il controller

​Componenti elettronici che possono operare su una porta, un bus o una periferica --> adattamento logico ed elettrico tra periferiche e calcolatore

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Tre registri:

• SREG

• CREG

• DREG​

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​Isolated I/O

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Spazio degli indirizzi ​dei registri del controller diverso da quello della memoria centrale

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Apposite istruzioni I/O per ​manipolare i registri a cui sono associati specifici indirizzi di 8/16 bit

​Memory-mapped I/O

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La CPU esegue le richieste di I/O utilizzando le istruzioni standard di trasferimento dati in memoria centrale

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Registri <--> Memoria centrale​

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Spazio di indirizzamento ridotto ​per la memoria e possibilità di utilizzare istruzioni e modi di indirizzamento utilizzabili già per la memoria

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​Comunicazione tra controller e driver​

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​Bilanciare costo/prestazioni

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Prestazioni:

• ​tempo di reazione

• velocità trasferimento dei dati

• ​efficienza nell'uso della CPU

​I/O a controllo di programma: la CPU inizia, dirige e termina le operazioni I/O​

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Il processore interroga periodicamente tutte le periferiche per capire se ci sono dati da leggere o se è possibile scrivere su di esse (polling)

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Interazione tra protocollo e controller attraverso handshaking​

1. il computer continu​a a leggere il bit busy del dispositivo finché non è = 0

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2. ​il processore specifica il comando da eseguire sulla periferica nel registro di controllo e setta il bit command-ready su 1

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3. il controller mette a 1 il bit busy ed esegue il comando

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4. ​tutti i dati vengono scambiati tramite una porta di lettura/scrittura

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5. ​terminata l'esecuzione, vengono azzerati entrambi i bit

Vantaggi: semplicità, flessibilità e basso costo. ​Utilizzabile per sistemi piccoli

Svantaggi: ​scarso sfruttamento della CPU, gestione dispositivi demandata alla CPU --> spreca tantissimo tempo per il polling, tempo di risposta altissimi

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​Esempio: processore a 500 MHz e 400 cicli di clock per il polling

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Mouse: ​polling 30 volte/secondo --> (30*400)/(500*10⁶)=0.002%

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​Hard disk: blocchi di 16 byte a 8 MB/s --> ((8/16)*400)/(500*10⁶) = 40%

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La procedura di lettura è eseguita solo quando la periferica è pronta --> non si perde tempo con il busy waiting

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La periferica avverte il processore ​di essere disponibile inviando un segnale di interrupt

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Gestione asincrona delle operazioni di I/O​: la CPU risponde alla richiesta di interruzione sospendendo il processo che stava eseguendo

Uno dei metodi di rilevazione di interrupt

1. ​la CPU verifica lo stato delle linee di richiesta dopo l'esecuzione di ogni istruzione

2. ​se il controller ha mandato un segnale INTREQ, allora salva PC e PSW e passa in modalità kernel

3. il controllo passa alla specifica ​procedura di gestione dell'interrupt (Interrupt Service Routine) e context switch

4. eseguite le operazioni di I/O viene ripristinato lo stato precedente all'interrupt ed eseguita l'istruzione contenuta nel Program Counter

Problemi

1. ​identificare la periferica e attivare la specifica ISR

2. ​stabilire un tempo limite per servire l'ISR

3. ​se ci sono più richieste, introdurre livelli di priorità

4. ​che cosa succede se si riceve interrupt mentre si serve un'altra ISR?

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Vantaggi​: più efficiente del polling e gestione trasparente

​Svantaggi: overhead CPU dovuto anche ai tempi di context switch

Modalità efficiente per periferiche che scambiano grandi quantità di dati (HD)

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​Interfaccia diretta tra periferica e memoria centrale attraverso il DMA Controller (DMAC) che trasferisce direttamente dati tra periferica e memoria centrale usando il bus e invia interrupt a trasferimento completato

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​Velocità di trasferimento non più vincolata al tempo di risposta della CPU

​Istruzioni di I/O NON eseguite dalla CPU

• indirizzo base: ​indirizzo di memoria in cui trasferire dati

• ​porta periferica: indirizzo porta dove leggere/scrivere dati

• lunghezza: del blocco di dati​

• controllo: campi codici errore​ e di inizio/fine trasferimento

• dato: registro tampone, opzionale

I/O Scheduling

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​Trovare un ordine efficiente di gestione delle chiamate di I/O migliorando le prestazioni globali del sistema --> una coda per ogni processo e si sceglie quale richiesta soddisfare (in base a priorità e durata operazione)

Buffering

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​Alcune aree di memoria (buffer) in cui memorizzare temporaneamente i dati prima di trasferirli ai processi (in caso di input) o ai dispositivi (in caso di output)

Perché?

1. ​gestire la differenza di velocità tra produttore e consumatore dei dati

2. ​gestire l'eventuale differenza di dimensione dei blocchi di dati

3. ​semantica della copia: copia dei dati su dispositivo = copia dei dati presenti in memoria

Caching

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Cache = zona di memoria veloce che conserva copie dei dati recentemente utilizzati --> la CPU evita un altro accesso alla memoria secondaria

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Cache vs Buffer

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Nella cache c'è una copia dell'informazione, nel buffer c'è l'unica istanza dell'informazione​

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Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line)

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Spool = buffer su memoria di massa per dispositivi di output non condivisibili

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​Assegnare a ogni processo che richiede di usare il dispositivo di I/O un dispositivo virtuale (file su disco)

Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line)

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1. Ogni processo ottiene subito l'accesso al dispositivo virtuale

2. I dati vengono trasferiti al dispositivo virtuale e NON al dispositivo fisico

3. Quando il processo chiude il dispositivo virtuale, il file viene inserito in coda tra quelli che saranno serviti, uno alla volta, dal dispositivo fisico

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Lo spooler è un processo di sistema, l'unico programma che ha accesso diretto alla periferica e gestisce la coda di attesa dei processi