Vstup/Výstup

Transkript

Vstup/Výstup

ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ
Vstup-výstup
Input-Output
Přehled a obsluha
České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická
Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 12
Ver.1.00
2010
Operační systém (Operating System)
•
Operační systém je software který [1]:
• pro uživatelské programy vytváří lepší, jednodušší, přehlednější základnu
pro efektivní využití počítače,
• spravuje všechny prostředky (resources) počítače.
•
Prostředky (resources) počítače:
• Procesory
• Operační paměť (Main Memory)
• Disky
• Tiskárny
• Klávesnice
• Myš
• Síťové adaptéry
• … různá další vstupní a výstupní zařízení (Devices)
[1] Tanenbaum, A: Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 2008
Y38ÚOS Úvod do operačních systémů 12 - Vstup - výstup
2
Komponenty počítačového systému
CPU, Memory
I/O Devices
3
Komponenty operačního systému
4
Metody obsluhy I/O zařízení
•
Způsob obsluhy I/O zařízení
• Polling – Programové testování stavového bitu „Ready/Busy“
• Interrupt Driven – Obsluha pomocí přerušení
• DMA Driven – Obsluha přímým přístupem do paměti
•
Způsob adresování I/O zařízení:
• I/O mapped
• Memory mapped
5
Propojení bloků počítače – Bus (společná sběrnice)
6
Paměti počítače
Common
Bus
XTAL
Clock
CPU
Program
Memory
MAIN
MEMORY
BIOS
Operating
System
PROGRAM
INSTRUCTIONS
Application
Program
BUS
MASTER
CPU - SYNCHRONOUS FINITE
STATE MACHINE (FSA, FSM)
SEQUENTIAL PROGRAM PROCESSING
(ONE INSTRUCTION AT A TIME)
PROGRAM
VARIABLES
&
PROGRAM
STACK
Data
Memory
CD/DVD
Output
COMMON DATA PATH
(BIDIRECTIONAL)
HDD
I/O
Channels
Input
EXTERNAL
MEMORY
FLASH
Corsair
7
Rozdělení společné sběrnice
8
Požadavky pro volání procedury
Návratová adresa
9
Princip volání procedury (Procedure Call)
Zásobník
(návratových
adres)
Ukazatel
zásobníku
10
Sdílené prostředky (sdílí je procedury)
11
Asynchronní akce – hardwareové (hw) volání procedury
Žádosti
o přerušení
Řadič přerušení
12
Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR)
Kontrolní seznam 1
Check list No.1
Asynchronní akce
• Systém přerušení
• Hardwarové volání procedury
• Předdefinovaná cílová adresa
• Vektor přerušení
• Tabulka vektorů přerušení
• Asynchronní žádost o přerušení
• Řadič přerušení
• Vstupy žádostí o přerušení
• Asynchronní událost
• Žádost o přerušení do CPU
• Potvrzení žádosti od CPU
Asynchronous actions
• Interrupt system
• Hardware procedure call
• Predefined target address
• Interrupt vector
• Interrupt vector table
• Asynchronous interrupt request
• Interrupt controller
• Interrupt request inputs
• Interrupt event
• CPU interrupt request
• CPU interrupt acknowledge
13
Asynchronní akce – hw volání procedury (ISR).
Kontrolní seznam 2
Check list No.2
Asynchronní akce - pokrač.
• Instrukce je nepřerušitelná
• Reakční doba přerušení
• Priorita přerušení
• Statická priorita přerušení
• Dynamická priorita přerušení
• Programová priorita přerušení
• Typy přerušení
• Maskovatelné přerušení
• Nemaskovatelné
• Programové (ladící) přerušení
• Program řízený událostmi
Asynchronous actions – cont'd
• Instruction is uninterruptable
• Interrupt latency
• Interrupt priority
• Static interrupt priority
• Dynamic interrupt priority
• Software interrupt priority
• Interrupt types
• Maskable interrupt
• Nonmaskable interrupt
• Trap (software interrupt)
• Event driven program
14
Kontrolní seznam 3
Check list No.3
Asynchronní akce - pokrač.
• Obsluha přerušení - ISR
• Návratová adresa z přerušení
• Instrukce návratu z přerušení
• Asynchronní událost
• Pozadí programu
• Nejnižší hladina programu
• Sdílené zdroje
• Střadač
• Stavové slovo procesoru - PSW
• Příznakový registr
• Kontext programu (uložit/obnovit)
Asynchronous actions – cont'd
• Interrupt service routine - ISR
• Interrupt return address
• Interrupt return instruction
• Asynchronous event
• Background (level)
• Lowest program level
• Shared resources
• Accumulator
• Processor status word - PSW
• Flag register
• Program context (save/restore)
15
16
Prostředky pro organizaci hw volání procedury (interrupt)
17
Sdílené prostředky (sdílí je ISR a přerušený program)
18
Žádost o obsluhu přerušení (hw volání procedury)
19
Žádost o obsluhu aktivní - 1
20
Dokončení aktivní instrukce - 2
21
Uložení (Push) návratové adresy do zásobníku (Stack) - 3
22
Vyzvednutí adresy obslužného programu (ISR) - 4
23
Spuštění obslužné procedury přerušení (ISR) - 5
24
Uložení kontextu do zásobníku - 6
25
Provedení těla obslužné procedury (ISR) - 7
26
Obnovení kontextu (ze zásobníku) - 8
27
Vyzvednutí návratové adresy (ze zásobníku) - 9
28
Obnovení běhu přerušeného programu - 10
29
Princip programu řízeného událostmi - souhrn
•
Obsluha žádosti o přerušení – souhrn akcí
•
•
Dokonči právě prováděnou instrukci (instrukce je nepřerušitelná)
Ulož (Push) “návratovou adresu“ do zásobníku (tj. adresu, která je
právě v čítači instrukcí (PC))
Vyzvedni adresu ISR (tj. podprogramu obsluhy přerušení) z tabulky
vektorů přerušení
Spusť ISR
Vynuluj “Interrupt Request Flag“ (závisí na typu procesoru)
Ulož kontext do zásobníku
Proveď tělo ISR (vlastní obsluhu žádosti o přerušení)
Obnov původní kontext (vyzvedni ho ze zásobníku)
Proveď instrukci “Return“
Ta vyzvedne “Návratovou adresu“ ze zásobníku do čítače instrukcí (PC)
Pokračuj v programu na pozadí – tj. čti instrukci z adresy uložené v PC
•
•
•
•
•
•
•
•
•
30
Event Driven Program Principle - summary
•
Interrupt request service summary
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Finish current background instruction (instruction is uninterruptable)
Push “Return Address“ to stack (i.e. address in program counter)
Get “ISR Address“ from “Interrupt Vector Table“
Start ISR routine
Clear “Interrupt Request Flag“ (depends on processor type)
Save context to stack
Run ISR body
Restore context from stack
Execute “Return“ instruction
Pop “Return Address“ from stack (Pop it to program counter)
Continue background program – read next instruction from address in PC
31
Připojení operační paměti k CPU
ADDRESS VALID
DATA VALID
ADDR.BUS
DATA BUS
nREAD
nWRITE
CPU DATA READ
CPU DATA WRITE (to MEMORY)
NOTE: nREAD, nWRITE - SIGNAL ACTIVE IN ”0”
32
Operační paměť (Main Memory)
33
Cyklus obsluhy přerušení (Interrupt Cycle)
34
DMA cyklus (Direct Memory Access Cycle)
35
DMA - princip
36
DMA – převzetí řízení sběrnice
DMA TRANSFER CYCLE
BUS REQUEST
ADDRESS VALID
BUS RELEASED
DMA END
CPU CONTINUES
DATA VALID
ADDR.BUS
DATA BUS
nREAD
nWRITE
HOLD
HLDA
BUS MASTER 1 - CPU
BUS MASTER 2 – DMA CONTROLLER
NOTE: nREAD, nWRITE - SIGNAL ACTIVE IN ”0”
37
Charakteristiky I/O zařízení
•
•
•
•
•
•
Způsob přenosu dat:
• Jednotlivé znaky (proud znaků)
• Blok dat
Způsob přístupu k datům:
• Sekveční
• Adresný (libovolný, random)
Čas začátku přenosu:
• Synchronní – předvídatelný čas odezvy
• Asynchronní – nepravidelný, náhodný čas odezvy
Možnost sdílení více procesy:
• Nemožné (tiskárna)
• Možné
Rychlost přenosu dat:
• Jednotky byte/s až stovky MB/s
Směr přenosu dat:
• Jednosměrný – jen čtení nebo jen zápis
• Obousměrný – čtení i zápis
38
Charakteristiky I/O zařízení
Hledisko
Tÿp
Příklad
Způsob přenosu
Znakový
Blokový
Terminál
Disk
Metoda přístupu
Sekvenční
Náhodná (nesekveční)
Modem
CD ROM
Čas začátku přenosu
Synchronní
Asynchronní
Magnetická páska
klávesnice
Sdílení
Nemožné
Možné
Tiskárna
Klávesnice
Rychlost přenosu
Reakční doba
Doba vyhledání dat
Přenosová rychlost
Doba mezi operacemi
Směr přenosu
Jen čtení
Jen zápis
Čtení i zápis
CD ROM
Grafická kontroler
Disk
39
Typy I/O zařízení
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
PCI Bus Controller
SCSI Bus Controller
Graphic Display Controller
Keyboard Controller
Mouse Controller
FDD controller
ATAPI – HDD, Magnetic Tape
Flash Disk, Flash Card
CD-R/W, CD-ROM
DVD-R/W, DVD-ROM
Ethernet Controller, WiFi, ….
USB Controller
UART (Asynchronous character transfer
Timer
RTC – Real Time Clock
Power Management Unit
40
I/O hardware – shrnutí principů
•
Bus (společná sběrnice)
•
Controller (kontrolér)
•
I/O port, I/O registers
•
Address space - I/O mapped, memory mapped
•
Handshaking – CPU & Device controller (vzájemná synchronizace)
•
Handshaking – via polling or interrupts
•
I/O service overhead (režie obsluhy – polling vs. Interrupts)
•
DMA transfer – DMA controller, large data transfers (low overhead)
41
Struktura I/O části jádra OS
Software
OS kernel (jádro OS)
kernel I/O subsystem
Hardware
PCI Bus
Device Driver
Ethernet
Device Driver
PCI Bus
Ethernet
Device Controller Device Controller
PCI Bus
Ethernet
Network
.....
Keyboard
Device Driver
.....
Keyboard
Device Controller
.....
Keyboard
42
Metodika začlenění I/O zařízení do OS
•
•
•
•
•
•
Cíl návrhu:
• Přístup k I/O zařízením – stadardní a jednotný
Použití:
• Abstrakce
• Zapouzdření
• Dělení software na horizontální vrstvy
Zařízení rozdělena na několik málo kategorií:
Přístup k jednotlivým kategoriím – standardním souborem funkcí OS
• API – Application Program Interface
• Př:
• Disky – open(), read(), write(), seek(), close(),….
• Počítačová síť: socket
I/O subsystém jádra OS:
• Nezávislý na detailech obsluhy I/O zařízení (výhodné pro návrh OS)
Detaily obsluhy dílčích zařízení:
• Zapouzřeny v softwarové vrstvě – „device drivers“ (ovladače)
43
Optimalizace vlastností I/O zařízení
•
•
•
•
•
•
•
I/O Scheduling
DMA transfer
Buffering
• Vyrovnání různých rychlostí zdroje a cíle dat
• Vyrovnání různé velikosti dat zdroje a cíle
• Zajištění konsistence při předání dat („copy semantics“) – kopírování
předávaného bloku dat do lokálního bufferu OS.
Caching
Spooling:
• Spool = buffer pro data určená pro zařízení, které nelze sdílet (např. data
z různých procesů určená pro tiskánu)
Error Handling (Ošetření chyb):
• Přechodné chyby – ošetří OS (přetížení počítačové sítě)
• Trvalé chyby – (př. poškození kontroleru) – nelze ošetřit v OS.
Ochrana I/O:
• Privileged (system) mode
44
Cache (vyrovnávací paměť)
Kontrolní seznam 4
Check list No. 4
Cache (vyrovnávací paměť)
• Operační paměť
• Externí paměť
• Disk
• Magnetická páska
• Cache pro instrukce
• Datová cache
• Metoda zápisu z cache do hl.p.
• Zápis ihned zpět do hl.p.
• Zápis až při novém plnění cache
• Cache slot (blok + označení)
• Cache tag (označení bloku)
• Cache blok
Cache
• Main memory
• Secondary memory
• HDD (Hard Disk Drive)
• Magnetic tape
• Instruction cache
• Data cache
• Cache write
• Write-through method
• Write-back method
• Cache slot
• Cache tag
• Cache block
45
Paměťová hierarchie
Registry na CPU
Rychlost přístupu
Cena
Cache
Operační paměť
(DRAM)
Magnetický disk (HDD)
CD-RW
DVD-RW
Magnetická páska
Velikost
46
Procesor a operační paměť - Výkon vs. roky
Výkon
100.000 x
40 let
47
Cache – vyrovnávací paměť
48
Cache – vyrovnávací paměť
•
•
•
•
•
•
•
•
Urychlení práce počítače
Část informace přesunuta do menší ale rychlé paměti (cache)
Přístup procesoru k této informaci rychlejší
Pokud informace v cache není, nutno ji přisunout do cache z operační paměti
Cache může být rozdělena na více úrovní (hladin) – jedna z úrovní je přímo
v procesoru, druhá může být vně procesoru (ale sestavená z rychlejší paměti
než je paměť operační)
Cache může být určena jen pro data nebo i pro instrukce
• Data cache
• Instruction cache
Data cache – po zpracování dat se data uloží:
• Ihned zpět do operační paměti (write-through method)
• Do data cache (write-back method). Zpět do operační paměti se uloží
později, při novém plnění data cache
Cache je řízena pomocí hardware
49
Cache – Vyrovnávací paměť - jednohladinová
Word (byte) transfer
Block transfer
Single Level Cache
50
Cache – Vyrovnávací paměť - dvouhladinová
Multi Level Cache
51
Cache – princip organizace
MAIN MEMORY
Memory
address
0
CACHE
Slot
number
1
Tag
Block
0
Block
(K words)
2
Slot
1
2
X
Block length
(K words)
Block
2n-1
Word length
52
Cache – princip organizace (přiklad)
MAIN MEMORY
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Memory
address
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
...
0
1
0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2
CACHE
Slot
number
Tag
0
0001
4096
Block
4097
Slot
Block
(4K words)
4098
1
2
8191
Block
X
Block length
(4K words)
2n-1
Word length
53
Virtual Memory (Virtuální paměť)
Kontrolní seznam 5
Check list No. 5
Virtuální paměť
• Overlay (překryvný modul)
• Logická adresa
• Fyzická adresa
• Stránka (Page)
• MMU (přemapování adresy)
• Mapovací tabulka
• Virtuální adresa
• Stránka je/není v oper.paměti
• Virtuální stránka
• Ofset adresy (posun od zač.str.)
• Fyzická stránka v oper.pam.
• Stránka není v oper.paměti
Virtual Memory
• Overlay
• Logical address
• Physical address
• Page
• MMU – Memory management unit
• Page table
• Virtual address
• Present/absent bit
• Virtual page
• Address offset
• Page frame
• Page fault
54
Velikost programu vs. velikost operační paměti
55
Velikost programu vs. velikost operační paměti
•
Když program větší než operační paměť (Main Memory) - možnosti
• Program nelze použít (to určitě nechceme)
• Overlays (překryvné moduly)
• Za vytvoření zodpovědný programátor
• Virtuální paměť (Paging) – stránkování
• Za stránkování zodpovědný operační systém
• Pro programátory transparentní
• Navrženo - 1961, Manchester, Velká Británie
56
Paměťová hierarchie (zjednodušené)
57
Overlays (překryvné moduly) - princip
Program rozdělí PROGRAMÁTOR na části (Overlay)
DISK (HDD)
Program se provádí postupně
Overlay 1
Overlay 2
Program
Main
Memory
Overlay 2
58
Overlays (překryvné moduly) - princip
•
Když program větší než operační paměť (Main Memory)
• Aplikační program se rozdělí na překryvné moduly (Overlays)
• Za všechny akce zodpovídá programátor aplikačního programu
• Program se rozdělí na části (Overlays), které se vejdou do paměti
• Celý program je uložen ve vnější pamětí (Secondary Storage) – např.
HDD
• Programátor určí, kdy se který překryvný modul (Overlay) má zavést
do operační paměti a spustit.
• Celý proces výpočtu pomocí překryvných modulů probíhá v režii
programátora, bez pomoci počítače (operačního systému)
• Nepohodlné, zdlouhavá příprava, možnost chyb
59
Virtuální paměť (Virtual Memory) - princip
60
Virtuální paměť (Virtual Memory)
•
Virtuální paměť
• Paměťový prostor je rozšířen na disk
• Adresy (logické) mohou mít hodnotu větší než odpovídá rozsahu
operační paměti (Main Memory)
• Část instrukcí a dat spuštěného programu je odložena (Swap) na externí
paměťové medium (disk) (ty, které nejsou právě třeba při provádění
programu)
• Paměťová jednotka, která se přenáší mezi virtuální a fyzickou pamětí
se nazývá stránka (Page)
• Překódování adres (mapování, remaping) řídí jednotka MMU – Memory
Management Unit (je součástí CPU)
• Za překódování (přemapování) virtuální adresy na fyzickou odpovídá
operační systém (pro programátora aplikace je činnost MMU
transparentní)
61
Virtuální paměť a MMU (Memory Management Unit)
62
...
Virtuální a fyzická adresa
63
MMU – princip činnosti
12-bit memory address
MMU – Memory Management Unit
1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0
Virtual page
Page table
63
0
7
0
6
1
5
0
4
0
3
1
2
0
1
1
0
1
...
Present/
absent bit
11
0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0
6-bit virtual page
10-bit offset
16-bit virtual address
64
MMU – Jednotka přemapování adres
VIRTUÁLNÍ PAMĚŤ
Page Virtual adresses
61440 - 65535
...
63
FYZICKÁ PAMĚŤ
(MAIN MEMORY)
6
6144 - 7167
5
5120 - 6143
4
4096 - 5119
Page
frame
3
3072 - 4095
3
3072 - 4095
2
2048 - 3071
2
2048 - 3071
1
1024 - 2047
1
1024 - 2047
0
0 - 1023
0
0 - 1023
Physical
adresses
MMU
0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0
6-bit
virtual page
1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0
10-bit offset
65
MMU – Jednotka přemapování adres
Page fault
CPU
MMU
MAIN
MEMORY
6-bit virtual page
0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0
1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0
10-bit offset
66
ÚVOD DO OPERAČNÍCH SYSTÉMŮ
Vstup-výstup
Input-Output
Přehled a obsluha
KONEC
České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická
67

Vstup/Výstup

Transkript

Podobné dokumenty

Architektura počítače

Drift HD170 - Návod k použití - onboard

FERAT 2 - text - informace 2016

Introduction - Web51

T estovanı kom ponent O bsah K roky testovanı kom ponent E lem

V02 TISKÁRNA BUBBLE JET

český návod

Práce s programem Google Earth

návod k instalaci a obsluze zařízení

Polycom-IP-300-301-web-CZ

zde - SOKRATES

zde - Fosfor.cz

Využití mapových produktů Google