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Materiale in:– Queste trasparenze, non basta il testo!– Tanenbaum 2.4.1, 5.6.4, 5.6.5, 5.7.3
Comandi ai dispositivi di I/O Si usano due metodi per mandare informazioni a un dispositivo:– Istruzioni specifiche di I/O– I/O mappato in memoria (memory mapped)
Istruzioni specifiche contengono:
L’identificatore del dispositivo e una parola di comando– Identificatore del dispositivo: la CPU comunica
l’identificatore per mezzo di fili dedicati che fanno parte del bus di I/
– Parola di comando: normalmente viaggia sui fili dedicati ai dati
Memory-mapped I/O:
Parte dello spazio di indirizzamento è dedicato all’I/O
Letture e scritture agli indirizzi di I/O sono interpretati come comandi di I/O
I programmi utente non possono eseguire direttamente operazioni di I/O:– Lo spazio di inidirizzamento di I/O è protetto per
mezzo della protezione degli spazi di indirizzamento (vedere in seguito l’argomento memoria virtuale)
Esempio
Significato degli indirizzi
A ciascun indirizzo sono assegnati uno o piu’ dati e/comandi
Leggere e scrivere hanno spesso degli effetti collaterali, ad esempio svuotare un buffer.
Esempio di lettura da tastiera generica
I dati arrivano a intervalli casuali e uno alla volta
I dati arrivano lentamente La tastiera puo’ avere o non avere un dato
disponibile La tastiera puo’ essere rotta
Esempio di lettura da tastiera generica, cont.
Registri (logici) di interfaccia:– Ready (un carattere disponibile) 1 bit
– Errori (overrun cioe’ carattere perso e errore hardware) 2 bit
– Dati in uscita 7-8 bit
– Quanti indirizzi? Anche uno solo in sola lettura
– Comandi? Se carattere disponibile allora cancella il dato dal buffer
Mappabili in un solo word!
Esempio di scrittura su terminale seriale
I dati si possono mandare quando si vuole ma non se il dispositivo sta ancora processando il carattere precedente
Non occorre mandare i dati molto velocemente
Il terminale puo’ essere rotto
Esempio di scrittura su terminale seriale, cont.
Registri (logici) di interfaccia:– Busy, non puo’ accettare un nuovo carattere; 1
bit– Errore: malfunzionamento generico, fornito
carattere troppo presto; 2 bit– Dati in ingresso: 7-8 bit– Quanti indirizzi? Uno solo ma in lettura e
scrittura: leggi i bit di stato e scrivi i dati
Come i dispositivi di I/O comunicano con l’OS L’OS deve sapere quando:
– Un dispositivo ha completato un’operazione– Un’operazione ha causato un errore
Ci sono due modi di implementare questa comunicazione tra OS e dispositivo:– Polling– Interrupt
Polling:
Il dispositivo mette le informazioni in un registro di stato (possibilmente mappato in memoria)
L’OS controlla periodicamente il registro di stato
Interrupt: Quando un dispositivo ha bisogno dell’attenzione
della CPU fa in modo di interrompere l’esecuzione delle istruzioni e fa passare l’OS a gestire il dispositivo (vedere in seguito come questo è possibile).
L’interruzione avviene SEMPRE tra un’istruzione e l’altra.
Il programma interrotto non si accorge di nulla (a meno che le cause per l’interruzione abbiano a che fare con il programma stesso)
Polling: I/O programmato
Vantaggi: – Semplice: la CPU è totalmente in controllo e fa tutto il
lavoro Svantaggi:
– L’overhead di polling può sprecare molte risorse
CPU
controllore
dispositivo
Memoria
Dati pronti?
Leggidati
Memorizzadati
si no
finito? no
si
“busy loop”, pocoEfficiente soprattutto
Se la CPU è veloce
I controlli dello statoDi I/O possono essere
Inseriti tra codice “computeIntensive”
Polling, esempio di prestazioni
Assumiamo 400 cicli per ciascuna operazione di polling, compreso riattivazione del programma utente e un processore che esegue 500 milioni di istruzioni al secondo
Mouse: 30 eventi al secondo, 30 x 400 = 12000 cicli al secondo; 12 mila / 500 milioni = 0.002 %
Polling, esempio di prestazioni, cont.
Assumiamo 400 cicli per ciascuna operazione di polling, compreso riattivazione del programma utente e un processore che esegue 500 milioni di istruzioni al secondo
Floppy: 50 Kbyte/sec, due byte alla volta, circa 25 mila accessi/sec X 400 =10 milioni di istruzioni al secondo o 2% del processore
CHIARAMENTE la gestione di un disco in polling non ha senso
Polling, esempio di prestazioni, cont.
Assumiamo 400 cicli per ciascuna operazione di polling, compreso riattivazione del programma utente e un processore che esegue 500 milioni di istruzioni al secondo
Disco: 4 Mbyte/sec in 16 byte alla volta da’ 250K operazioni al secondo X 400 = 100 milioni di istruzioni al secondo o 20% della CPU
Trasferimento con interrupt
Vantaggi:– L’avanzamento del programma utente si ferma solo
durante il trasferimento effettivo Svantaggi, ci vuole hardware particolare per:
– Generare un interrupt (nel dispositivo)– Riconoscere un interrupt (CPU)– Salvare lo stato per riprendere dopo l’interrupt (CPU)
addsubandornop
readstore...rti
memoria
Programmautente(1) I/O
interrupt
(2) salva PC
(3) IndirizzoDi gestioneinterrupt
ProceduraDi serviziointerrupt(4)
ritorno
CPU
controllore
dispositivo
Memoria
:
Interrupt, esempio di prestazioni
Come per il disco dell’esempio di polling precedente:– 500 istruzioni per gestire l’interrupt ed
acquisire 16 byte, 250K X 500 = 25% della CPU
– MA se il disco e’ attivo solo il 5% del tempo in questo caso il 5% di 25% = 1.25% !!
– L’interrupt vince perche’ una periferiche non e’ mai SEMPRE attiva.
Eccezioni, come per l’interrupt
Interruzioni del flusso di esecuzione per cause legate all’esecuzione stessa (invece che cause legate a eventi INDIPENDENTI)
Esempi:– Divisione per zero– Passaggio al sistema operativo (trap, system
call)
Gestione delle eccezioni, sospensione programma corrente
1. Il processore deve terminare (se puo’) l’esecuzione dell’istruzione corrente o comunque andare in uno stato ben definito (cio e’ talvolta difficile in processori implementati in modo molto sofisticato)
2. Il program counter deve essere salvato
3. Lo stato deve essere salvato
Salvataggio stato, cont.
Lo stato deve essere salvato in una struttura a pila o tale da garantire la possibilita’ di salvare piu’ volte prima di ritornare, cioe’ quando un interrupt interrompe la gestione di un altro interrupt.
Salvataggio stato
Puo’ essere fatto sia in hardware che con un misto di hardware e software.
E’ critico che, se fatto in software, l’hardware provveda a salvare quanto il sofware non puo’ (tipicamente almeno il program counter).
Il sofware deve essere molto attento a non modificare lo stato prima di salvarlo
Gestione delle eccezioni, gestione del problema
La seconda fase dopo aver salvato lo stato e’ individuare il problema e decidere quale codice eseguire.
Anche qui la gestione puo’ essere preminentemente software o hardware– Registro di stato (es. MIPS)
» Un registro contiene un codice che identifica l’errore
– Vettore (es. X86)» L’hardware forza l’esecuzione a un indirizzo che dipende dal
tipo di errore (e dove presumibilmente si e’ messo del codice apposito)
Gestione del problema
Sarebbe pericoloso gestire il problema (o l’I/O) nello stesso spazio di esecuzione dell’utente e quindi ci vuole un passaggio di livello che viene implementato al momento della chiamata al codice di gestione dell’interrupt (questa e’ un’altra funzione implementabile solo in hardware)
Ritorno da interrupt
Infine bisogna tornare, se possibile, al programma utente ripristinando il suo stato.– Hardware: cambiamento di livello– Software o hardware: ripristino stato.
Priorita’ Dalla descrizione precedente e’ chiaro che un
interrupt potrebbe essere interrotto a sua volta. Occorre:– Stabilire una gerarchia di interrupt per evitare che si
creino dei problemi » Logici se il codice interrotto esegue delle funzioni che
mettono temporaneamente la macchina in uno stato non corretto, ad esempio cambiando strutture dell’OS
» Prestazionali se il codice interrotto aveva delle necessita’ temporali che non sono piu’ rispettate a causa della sua interruzione
Eccezioni, esempi Overflow aritmetico (puo’ tipicamente essere inibita) Divisione per zero Risultato non normalizzabile di un’operazione floating-
point Accesso a dati non allineati Istruzione non definita Chiamata a OS, questa ovviamente non e’ una condizione
di errore!! Accesso a memoria non esistente, l’istruzione non puo’
essere terminata!! Ma deve essere ripresa dopo aver sistemato il problema
Interrupt rispetto a eccezioni Un interrupt è come un eccezione solo che:– Un interrupt è asincrono
– Richiede che dell’informazione ulteriore venga fornita dal dispotivo
– Un interrupt non è associato con una specifica istruzione
– Un interrupt non impedisce che un’istruzione termini» La CPU può gestire un interrupt quando desidera (ovviamente
prima possibile)
L’interrupt è più complicato di un eccezione:– Deve acquisire l’identità del dispositivo che l’ha causato
– Le richieste di interrupt possono avere diversi livelli di urgenza:
» Le richieste di interrupt devono essere ordinate secondo priorità
Esempio, gestione in interrupt della tastiera
Si deve assegnare al bit di “carattere disponibile” un interrupt
Il codice del “driver” gestisce un piccolo buffer– Se l’utente chiede un carattere lo fornisce dal buffer o ritorna
un errore se il buffer e’ vuoto.– NON FA ALTRO
Il codice di interrupt se viene attivato legge il carattere e lo mette nel buffer del driver.– In caso di errore del dispositivo o di buffer troppo pieno
segnala al sistema operativo la condizione di errore» L’OS puo’ semplicemente loggare il problema o terminare il
programma utente.
Delegazione della responsabilità
per l’I/O: DMA Direct Memory Access
(DMA):– Esterno alla CPU– Master del bus– Trasferisce interi blocchi
senza l’intervento della CPU
CPU
controllore
dispositivo
Memoria DMAC
La CPU comunica l’indirizzo di partenzaDirezione e dimensioni al controllore.Poi dà il comando di partire
DMAC fornisce tutti i segnaliPer la memoria e per il controlloreDi I/O
DMA: concetti base
Il DMA e’ potenzialmente indipendente dal tipo di I/O usato (memory mapping, polling, interrupt) anche se usa tipicamente l’interrupt.
Il DMA non fa che eseguire quello che la CPU avrebbe eseguito.
Alla fine dell’operazione il DMA si comporta rispetto alla CPU come un dispositivo che segnala la fine dell’operazione.
Delegazione della responsabilità per l’I/O:
IOPCPU IOP
Mem
D1
D2
Dn
. . .main memory
bus
I/Obus
CPU
IOP
(1) Manda istruzione all’IOP
memory
(2)
(3)
I trasferimenti sono controllatiDall’IOP
IOP utilizza cicli di memoria.
OP Device Address
Nome dispositivo Dove sono i comandi
IOP leggi i comandi dalla memoria
OP Addr Cnt Other
Cosa fare
Dove Mettere
I dati
Quantidati
Richiestespeciali
(4) IOP interrompe la CPU alla fine
Un tipico I/O Processor e’ il famoso Canale IBM
Compiti del sistema operativo Il sistema operativo agisce da interfaccia tra:
– L’hardware e il programma che ha chiesto l’I/O Tre caratteristiche del sistema di I/O:
– Condiviso da più programmi– Usa l’interrupt per comunicare informazioni
riguardanti l’I/O.» Gli interrupt devono essere gestiti dall’OS perchè
richiedono un accesso “protetto” alla CPU
– Il controllo di un dispositivo di I/O può essere molto complesso:
» Gestione una serie di eventi concorrenti» Le necessità di un particolare dispositivo possono essere
molto complesse
Compiti del sistema operativo Protegge risorse condivise
– Garantisce che un utente acceda a un dispositivo o a una parte di esso solo se ne ha il diritto
Fornisce un’astrazione per l’accesso ai dispositivi:– Fornisce funzioni per gestire un dispositivo
Gestisce gli interrupt Fornisce una condivisione di accesso che garantisce
accesso a tutti gli utenti Organizza gli accessi per migliorare le prestazioni
– Es. Buffer disco
Comunicazione tra I/O e OS Il sistema operativo deve prevenire:– Accesso diretto dei programmi ai dispositivi
Se gli utenti potessero fare I/O direttamente:– Le risorse condivise non sarebbero protette
Tre tipi di comunicazione sono richiesti:– L’OS deve poter dare comandi– Il dispositivo deve poter notificare l’OS in caso di
terminazione o errori – Deve trasferire i dati
Sommario Le prestazioni dipendono dal componente meno performante della catena
Comunicazione con i dispositivi di I/O:– Polling: spreca cicli di CPU– I/O interrupt: come le eccezioni ma asincrono
Delegazione di responsabilità:– DMA– IOP
Alcuni dispositivi, ad esempio quelli multimediali, creano problemi