Лекция 9 I/O Управление и Disk Scheduling

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

I/O Devices Управлението на I/O е сложна задача на ОС. Необходимо е да е:  Разбираемо за потребителите  РАзбираемо за механизмите (х/с)  Комуникациите и преноса на информация

Устройства с които комуникира потребителя  Video display  Клавиатура  Мишка  Принтери  Скенери  Камери  Плотери

I/O свързани не пряко с потребителя  Свързани са с комуникацията с електрониката  Дискови драйвери  USB драйвер  Сензори  Контролери

Комуникация  Използвате се за връзка с отдалечени устройства  Модеми  Драйвери свързани с комуникациите

Разлики м/у I/O устройства  Различват се в различни области  Скорост на обмен на данни и информация  Приложения  Сложност на управлението и контрола  Единици за трансфер/обмен  Представяне на данните  Условия за грешки

Скорост на обмен на данни

Необходими Приложения  Софтуер за управление на файлове ако са съхранявани на дадено устройство  Диск използван за съхранение на виртуални страници памет се нуждае от специален хардуер и софтуер, за да го поддържат  Терминал използван от системен администратор може да има по-висок приоритет

Слойност на контрола  Принтерът изисква сравнително прост интерфейс за контрол.  Управлението на диска е с по-висока сложност.  Сложността на контрола на устройството е в пряка зависимост от неговата сложност.

Единици на обмен Данните се обменят чрез :  Потоци от битове и символи  По-големи блокове памет

Представяне на данните Различните системи предоставят различни системи за енкодинг на данните, както се поддържат и различни конвенции

Условия на грешка Разглеждаме следните аспекти :  Начина по който се докладват самите грешки  Последствията от тях  Набор от мерки за реакция при грешки

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

Техники зa представяне на I/O  Програмирани I/O  Прекъсване – Продължение I/O  Директен достъп до паметта (DMA)

Еволюция на I/O функции 1. Процесорът пряко контролира периферно устройство 2. Добавят се контролери и I/O модули  Процесор използва програмиран I / O, без да прекъсва  Процесора не е необходимо да управлява директно периферията (детайлите на външните устройства)

еволюция…… 3. Контролери и I/O модули с прекъсвания  Подобрява се бързодействието 4. Директен достъп до паметта  Блок от данни се прехвърлят в паметта, без намесата на процесора  Процесорът се намесва в началото и в края само при работа с I/O

еволюция…… 5. I/O модул се отделя от процесора 6. I/O processor  I/O модул има собствена локална памет  Контрол на комуникациите чрез интерактивни терминали

Директен достъп до паметта  DMA модула трансферира данните към и от паметта  Когато бъде завършен трансфера DMA модул изпраща сигнал за прекъсване на процесора

DMA конфигурация: Single Bus •DMA може да се конфигурира по няколко начина •Всички модули си поделят обща системна шина (Single system bus)

DMA Configurations: Integrated DMA & I/O •Direct Path between DMA and I/O modules •This substantially cuts the required bus cycles

DMA конфигурация: I/O Bus •Намалява броя на I/O интерфейси в DMA модула

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

Цели: ефективност  Устройствата са доста по-бавни от основната памет  Многозадачността позволява да се изчакват процесите и да се изпълняват едни докато други извършват I/O операции  I/O не могат да поддържат скоростта на процесора  Размяната на процеси ускорява

Йерархичен дизайн  ОС е организирана на слоеве  Всеки слой се позовава на следващия по-ниска слой,който изпълнява по- примитивните функции  Предоставя услуга на по-горен слой.  Промени на един слой не трябва да налагат промени в друг

Локално периферно устройство •Logical I/O: •Устройството като логически ресурс •Device I/O: –Преобразува операциите в поредица от I/O инструкции - Планиране и контрол •Реализира се действителния контрол на операциите

Комуникационен порт  ПОдобен на предишния,но логическия слой е заменен с комуникационен  Съдържа няколко слоя.  Пример TCP/IP,

Файлова система  Управление на директории  В зависимост от потребителските операции  Файлова система  Логическа структура и операции  Физическа организация  Конвертира логическите имена във физически адрес

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

I/O Буфериране  Процесите трябва да изчакват I/O операции  За да се избегне мъртва хватка, някои страници трябва да останат в основната памет по време на I / O

Блоково буфериране  Информацията се съхранява във фиксиран размер блокове  Използва се за дискове и USB интерфейс

Буфериране на потоци  Обменната информация е потоци данни  Използва се за терминали, принтери, комуникационни портове, мишки и други устройства,както и повечето други устройства, които не са за вторично съхранение

Без буфер  ОС директно достъпва устройството от което се нуждае

Единичен Буфер  Операционна система възлага на буфер в основната памет за I / операция

Блоков единичен буфер  Блокът се премества в потребителското пространство, когато е необходимо  Следващият блок се премества в буфера  най -често разумно предположение тъй като данните са обикновено с последователен достъп

Двоен Буфер  Използват се 2 системни буфера вместо един  Един процес може да трансферира данни към или от един буфер, докато операционната система или изпразва запълва други буфер

Кръгов буфер  Използват се повече от 2 буфера  Всеки отделен буфер е една единица в кръговия буфер  Използва се когато при фходно изходна операция е необходимо да се запази процеса

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

Параметри на производителност на диск  Параметрите зависят от много неща  Диаграма на трансфер на данни при I/O

Позициониране на главата при R/W  Когато се извършва операция на диска той се върти с постоянна скорост.

Параметри при дискове  Времето за достъп е сума от:  Seek time: Времето за позициониране на главата на диска  Забавяне при въртене  Transfer Time : време необходимо за прехвърляне на данни

First-in, first-out (FIFO)  Последователни процеси  Random scheduling

Last-in, first-out  Добре е за системи за обработка на транзакции  Устройството се дава на най-новия потребител,

Shortest Service Time First  Избира се заявка, която изисква най- малкото движение на главата на диск от сегашната си позиция  Избира се мин. Време за търсене

SCAN  Главата се движи само в една посока докато не удовлетвори всички заявки и после се връща обратно

C-SCAN  Ограничава сканирането в 1 посока  След като е посетена последната писта от заявката, главата се връща в началото.

Performance Compared Comparison of Disk Scheduling Algorithms

Disk Scheduling Algorithms

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

Множество дискове  Води до увеличаване на производителността Информацията може да бъде възстановена

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

Диск Кеш  Буфер в основната памет за дискови сектори  Съдържа копие на някои сектори на диска  Когато I / O искане е за определен сектор,  извършва се проверка за да се определи дали е в сектора на дисковия кеш.  съществуват редица начини да се пренесат на кеш паметта

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

Devices are Files  Each I/O device is associated with a special file  Managed by the file system  Provides a clean uniform interface to users and processes.  To access a device, read and write requests are made for the special file associated with the device.

UNIX SVR4 I/O  Each individual device is associated with a special file  Two types of I/O  Buffered  Unbuffered

Buffer Cache  Three lists are maintained  Free List  Device List  Driver I/O Queue

Character Cache  Used by character oriented devices  E.g. terminals and printers  Either written by the I/O device and read by the process or vice versa  Producer/consumer model used

Unbuffered I/O  Unbuffered I/O is simply DMA between device and process  Fastest method  Process is locked in main memory and can’t be swapped out  Device is tied to process and unavailable for other processes

I/O for Device Types

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

Linux/Unix Similarities  Linux and Unix (e.g. SVR4) are very similar in I/O terms  The Linux kernel associates a special file with each I/O device driver.  Block, character, and network devices are recognized.

Deadline scheduler  Uses three queues  Incoming requests  Read requests go to the tail of a FIFO queue  Write requests go to the tail of a FIFO queue  Each request has an expiration time

Linux Page Cache  Linux 2.4 and later, a single unified page cache for all traffic between disk and main memory  Benefits:  Dirty pages can be collected and written out efficiently  Pages in the page cache are likely to be referenced again due to temporal locality

Roadmap  I/O Devices  Organization of the I/O Function  Operating System Design Issues  I/O Buffering  Disk Scheduling  Raid  Disk Cache  UNIX SVR4 I/O  LINUX I/O  Windows I/O

Windows I/O Manager  The I/O manager is responsible for all I/O for the operating system  It provides a uniform interface that all types of drivers can call.

Windows I/O  The I/O manager works closely with:  Cache manager – handles all file caching  File system drivers - routes I/O requests for file system volumes to the appropriate software driver for that volume.  Network drivers - implemented as software drivers rather than part of the Windows Executive.  Hardware device drivers

Asynchronous and Synchronous I/O  Windows offers two modes of I/O operation:  asynchronous and synchronous.  Asynchronous mode is used whenever possible to optimize application performance.

SSD