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Progettazione dell'Input Output

Jan 18, 20254 min read

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Introduzione

Per implementare l’I/O ci sono principalmente 4 modalità, che sono riassunte da questa tabella:

Senza InterruzioniCon Interruzioni
Passando per la CPUI/O programmatoI/O guidato dalle interruzioni
Direttamente in MemoriaDMA

DMA

  • Il processo delega le operazioni di I/O al modulo DMA.
  • Il modulo trasferisce i dati direttamente da o verso la memoria principale
  • Quando l’operazione è terminata, il modulo genera l’interrupt per il processore

  • Data Register: Contiene i dati da trasferire
  • Control Logic: Decide cosa deve fare, contiene quindi informazioni sull’operazione da eseguire.

Le frecce che vanno verso l’esterno sono informazioni che il DMA da al S.O., le frecce verso di lui invece sono informazioni che riceve.

Evoluzione della funzione di I/O

Nel tempo la gestione dell’input output si è evoluta:

1) Inizialmente era il processore a controllare i dispositivi periferici

2) Successivamente ad ogni dispositivo è stato introdotto un modulo (controllore) di I/O

  • I/O programmato, senza interrupt
  • Il processore non si occupa di tutti i dettagli del dispositivi periferici

3) Successivamente è stato introdotto il modulo (controllore) di I/O con interrupt

  • miglioramento dell’efficienza, il processore non deve aspettare che il dispositivo finisca l’operazione

4) Successivamente è stato implementato il DMA

  • dati sono trasferiti direttamente tra dispositivo e memoria senza usare il processore
  • processore utilizzato soltanto all’inizio e alla fine dell’operazione.

5) Viene migliorato il DMA, il modulo I/O diventa un processore separato chiamato I/O Channel, successivamente gli viene data anche una RAM dedicata. Quindi molti dispositivi di ultima generazione sono dei “mini computer” a tutti gli effetti.

Obbiettivi

Il sistema operativo ha degli obbiettivi specifici riguardanti la gestione dell I/O

Per raggiungere questi obbiettivi è utilizzata la Progettazione Gerarchica

Efficienza

La maggior parte di dispositivi I/O sono molto più lenti rispetto alla RAM, proprio per questo la Multi Programmazione è stata implementata in modo tale da sfruttare le pause dei programmi quando eseguono operazioni di I/O.

Ma questo non basta, infatti anche con l’utilizzo della multi programmazione c’è il rischio che il numero di processi che effettuano operazioni di I/O sia troppo alto e che la multi programmazione non tenga passo al processore.

È necessario quindi cercare soluzioni software dedicate a livello di S.O., come visto prima in particolare per il disco.

Generalità

Esistono tantissimi tipi diversi di dispositivi di I/O, ma nonostante questo il sistema operativo deve fare del suo meglio per gestirli in modo uniforme, nascondere la maggior parte dei dettagli dei dispositivi nelle operazioni a basso livello.

Esempio

Per richiedere accesso alle informazione contenute nel dispositivo utilizziamo la system call read indipendentemente dal tipo di dispositivo; quindi non esiste read disk, read mouse, read ethernet, …

oss: Dobbiamo offrire diverse operazioni: read, write, lock, unlock, open, close.

Progettazione Gerarchica

Si basa su un insieme di livelli dove:

  • ogni livello si basa su quello che fa il sottostante ed offre servizi al sovrastante
  • ogni livello contiene funzionalità tra loro simili per complessità, tempi e astrazione.

oss: modificare l’implementazione di livello non dovrebbe causare effetti sugli altri.

Ci sono 3 principali macro tipi di progettazione gerarchica:

Dispositivo Locale

Usato per dispositivi locali, ad esempio stampante, monitor e tastiera.

A livello più in alto abbiamo il processo utente che ha richiesto un’informazione da un dispositivo. In fondo abbiamo l’hardware che fornisce istruzioni macchina.

In mezzo abbiamo le operazione effettuare tal sistema operativo:

  • logical I/O: Da un’interfaccia logica al programma, l’utente quindi può chiedere di fare queste istruzioni. Lui le trasforma e le passa a
  • Driver I/O: Trasforma le richieste logiche in comandi I/O.
  • Scheduling and Control: Invia le vere e proprie richieste in linguaggio macchina>

Dispositivo di Comunicazione

I dispositivi di comunicazione come schede ethernet e wifi funzionano in modo simile ai dispositivi locali ma al posto di Logical I/O abbiamo Communication Architecture.

Questo perché possiamo avere diverse architetture di comunicazione, ad esempio TCP/IP.

File System

Struttura organizzativa utilizzata per dispositivi di storage dati come HDD, SDD, USB Key, CD, …

Anche qui partiamo da processo utente e arriviamo all’hardware.

  • Directory Management: Definisce le operazioni sui file come crearli, cancellarli ecc…
  • File System: È la struttura logica dell’operazione quindi come dobbiamo aprirli, scriverli ecc…
  • Organizzazione Fisica: Si occupa di allocare e deallocare spazio sul disc

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