ch11-ioawf management and disk scheduling

8/18/2019 CH11-IOawf Management and Disk Scheduling

1/21

C h a p t e r

1 1

I / O M

a n a g e m

e n t

a n

d D i s k S c h e d u l i n g

E i g h t h

E d i t i o n

B y W i l l i a m

S t a l l i n g s

O p e r a t i n g

S y s t e m s :

I n t e r n a

l s

a n d D e s i g n

P r i n c i p l e s


2/21

E x t e r n a l d e v i c e s t h a t e n g a g e i n I / O w i t h c o m

p u t e r

s y s t e m s

c a n b e g r o u p e d i n

t o t h r e e c a t e g o r i e s

:

• s u i t a b l e

f o r c o m m u n i c a t i n g w i t h t h e c o m p u t e r u s e r

• p r i n t e r s , t e r m i n a l s , v i d e o d i s p l a y , k e y b o a r d , m o u s e

H u m a n r e a d a b l e

• s u i t a b l e

f o r c o m m u n i c a t i n g w i t h e

l e c t r o n i c e q u i p m e n t

• d i s k d r i v

e s , U S B k e y s , s e n s o r s , c o n t r o l l e r s

M a c h i n e

r e a d a b l e

• s u i t a b l e

f o r c o m m u n i c a t i n g w i t h r e m o t e d e v i c e s

• m o d e m s , d i g i t a l l i n e d r i v e r s

C o m m u n

i c a t i o n


3/21

D e v i c e s

d i f f e r i n a n u m b e r o f a r e a s :

D a t a R a t e

• t h e r e m a y b e d i f f e r e n c e s o f m a g n i t u d e b e t w e e

n t h e d a t a t r a n s f e r r a t e s

A p p l i c a

t i o n

• t h e u s e t o w h i c h a d e v i c e i s p u t h a s a n i n f l u e n c e o n t h e s o f t w a r e

C o m p l e x i t y o f C o n t r o l

• t h

e e f f e c t o n t h e o p e r a t i n g s y s t e m i s f i l t e r e d b y t h e c o m p l e x i t y

o f t h e I / O m o d u l e t h a t c o n t r o l s t h e d e v i c e

U n i t o f T r a n s f e r

• d a t a m a y b e t r a n s f e r r e d a

s a s t r e a m o f b y t e s o r c h a r a c t e r s o r i n l a r g e r b l o c k s

D a t a R e p r e s e n t a

t i o n

• d i f f e r e n t d a t a e n c o d i n g s c h e m e s a r e u s e d b y d i f f e r e n t d e v i c e s

E r r o r C o n d i t i o n s

• t h e n a t u r e o f e r r o r s , t h e w a y i n w h i c h t h e y a r e r e p o r t e d , t h e i r c o n s e q u

e n c e s , a n d

t h e

a v a i l a

b l e r a n g e o f r e s p o n s e s d i f f e r s f r o m o n e d e v i c e t o a n o t h e r


4/21

K e y b o a r d 1 0

1

1 0 2

1 0 3

1 0 4

1 0 5

D a t a R a t e ( b p s )

1 0 6

1 0 7

1 0 8

1 0 9

M o u s e

M o d e m

E t h e r n e t

H a r d d i s k

G r a p h i c s d i s p l a y

G i g a b i t E t h e r n e t

F l o p p y d i s k

L a s e r p r i n t e r

S c a n n e r

O p t i c a l d i s k

F i g u r e 1 1 . 1 T y p i c a l I / O D e v i c e D a t a R a t e s


5/21

T h r e e t e c h n i q u e s f o r p e r f o

r m i n g I / O a r e :

P r o g r a m m

e d I / O

t h e p r o c e s s o r i s s u e s a n I / O c o

m m a n d o n b e h a l f o f

a p r o c e s s t o a n I / O m

o d u l e ;

t h a t p r o c

e s s t h e n b u s y w a i t s f o

r t h e o p e r a t i o n t o b e

c o m p l e t e d b e f o r e p r o

c e e d i n g

I n t e r r u p t - d r i v e n I / O

t h e p r o c e s s o r i s s u e s a n I / O c o

m m a n d o n b e h a l f o f

a p r o c e s s

i f n o n

- b l o c k i n g – p r o c e s s o r c o n t i n u e s t o e x e c u t e

i n s t r u c t i o n s f r o m t h e

p r o c e s s

t h a t i s s u e d t h e I / O c o m m a

n d

i f b l o c k i n g – t h e n e x t i n s t r u c t i o n t h e p r o c e s s o r e

x e c u t e s i s f r o m t h e O S , w h i c h

w i l l p

u t t h e c u r r e n t p r o c e s s i n a b l o c k e d s t a t e a n d s c h e d u l e a n o t h e r p r o c e s s

D i r e c t M e m o r y A c c e s s ( D M

A )

a D M

A m o d u l e c o n t r o l s t h

e e x c h a n g e o f d a t a b e t w e e n m a i n m e m o r y

a n d a n

I / O m

o d u l e


6/21

N o I n t

e r r u p t s

U s e o f I n t e r r u p t s

I / O - t o - m e m o r y

t r a n s f e r

t h r o u g h p r o c e s s o r

P r o g r a m m e d I / O

I n t e r r u p t - d r i v e n I / O

D i r e c t I / O - t o - m

e m o r y

t r a n s f e r

D i r e c t m e m o r y a c c e s s

( D M A )


7/21

1

• P r o c e s

s o r d i r e c t l y c o n t r o l s a

p e r i p h e r a l d e v i c e

2

• A c o n t r o l l e r o r I / O m o d u l e

i s a d d e d

3

• S a m e c o n f i g u r a t i o n a s s t e p 2 , b u t n o w i n t e r r u p t s

a r e e m p l o y e d

4

• T h e I /

O m o d u l e i s g i v e n d i r e c t c o n t r o l o f m e m o r y v i a D M A

5

• T h e I /

O m o d u l e i s e n h a n c e

d t o b e c o m e a s e p a r a t e p r o c e s s o r , w i t h

a s p e c i a l i z e d i n s t r u c t i o n s e t

t a i l o r e d f o r I / O

6

• T h e I /

O m o d u l e h a s a l o c a l m e m o r y o f i t s o w n a

n d i s , i n f a c t , a

c o m p u

t e r i n i t s o w n r i g h t


8/21

A d d r e s s

R e g i s t e r

C o n t r o l

L o g i c

D a t a

R e g i s t e r

F i g u r e 1 1 . 2 T y p i c a l D M A B l o c k D i a g r a m

D a t a

C o u n t

D a t a L i n e s

A d d r e s s L i n e s

R e q u e s t t o D M A

A c k n o w l e d g e f r o m D M A

I n

t e r r u p t

R e a d

W r i t e


9/21

P r o c e s s o r

D M A

( a ) S i n g l e - b u s , d e t a c h e d D M A

( b ) S i n g l e - b u s , I n t e g r a t e d D M A - I / O

( c ) I / O b u s

F i g u r e 1 1 . 3 A l t e r n a t i v e D M A C o n f i g u r a t i o n s

I / O b u s

S y s t e m b u s

I / O

I / O

M e m o r y

P r o c e s s o r

D M A

M e m o r y

I / O

I / O

I / O

P r o c e s s o r

D M A

D M A

I / O

I / O

I / O

M e m o r y


10/21

E

f f i c i e n c y

M a j o r e f f o r t i n I / O d e s i g n

I m p o r t a n

t b e c a u s e I / O

o p e r a t i o n

s o f t e n f o r m a

b o t t l e n e c k

M o s t I / O

d e v i c e s a r e e x t r e m e l y

s l o w c o m

p a r e d w i t h m a i n

m e m o r y a n d t h e p r o c e s s o r

T h e a r e a

t h a t h a s r e c e i v e d t h e

m o s t a t t e

n t i o n i s d i s k I / O

G e n e r a l i t y

D e s i r a

b l e t o h a n d l e a l l d e v

i c e s i n

a u n i f o r m m a n n e r

A p p l i e s t o t h e w a y p r o c e s s

e s v i e w

I / O d e v i c e s a n d t h e w a y t h e

o p e r a t i n g s y s t e m m a n a g e s

I / O

d e v i c e

s a n d o p e r a t i o n s

D i v e r s i t y o f d e v i c e s m a k e s i t

d i f f i c u

l t t o a c h i e v e t r u e g e n e r a l i t y

U s e a

h i e r a r c h i c a l , m o d u l a r

a p p r o a c h t o t h e d e s i g n o f t h e I / O

f u n c t i o n


11/21

F u n c t i o n s o f t h e o p e r a t i n g s y s t e m s h o u l d b e s

e p a r a t e d a c c o r d i n g t o

t h e i r c o m

p l e x i t y , t h e i r c h a r a c t e r i s t i c t i m e s c a l e , a n d t h e i r l e v e l o f

a b s t r a c t i o

n

L e a d s t o a n o r g a n i z a t i o n o f

t h e o p e r a t i n g s y s t e m i n t o a s e r i e s o f

l a y e r s

E a c h l a y e

r p e r f o r m s a r e l a t e d s u b s e t o f t h e f u n c t i o n s r e q u i r e d o f t h e

o p e r a t i n g

s y s t e m

L a y e r s s h o u l d b e d e f i n e d s o

t h a t c h a n g e s i n o n e l a y e r d o n o t r e q

u i r e

c h a n g e s i n o t h e r l a y e r s


12/21

U s e r

P r o c e s s e s

C o m m u n i c a t i o n

A r c h i t e c t u r e

D e v i c e

I / O

S c h e d u l i n g

& C o n t r o l

( b ) C o m m u n i c a t i o n s p o r t

F i g u r e 1 1

. 4 A M o d e l o f I / O O r g a n

i z a t i o n

H a r d w a r e

U s e r

P r o c e s s e s

L o g i c a l

I / O

D e v i c e

I / O

S c h e d u l i n g

& C o n t r o l

( a ) L o c a l p e r i p h e r a l d e v i c e

H a r d w a r e

U s e r

P r o c e s s e s

D i r e c t o r y

M a n a g e m e n t

F i l e

S y s t e m

P h y s i c a l

O r g a n i z a t i o n

D e v i c e

I / O

S c h e d u l i n g

& C o n t r o l

( c ) F i l e s y s t e m

H a r d w a r e


13/21

P e r f o r m i n p u t t r a n s f e r s i n a d v a n c e o f r e q u e s t s b e i n g m a d e a n d p e r f o r m

o u t p u t t r a

n s f e r s s o m e t i m e a f t

e r t h e r e q u e s t i s m a d

e

B l o c k - o r i e n t e d d e v i c

e

• s t o r e s i n f o r m a t i o n i n

b l o c k s t h a t a r e u s u a l l y o f

f i x e

d s i z e

• t r a n

s f e r s a r e m a d e o n e

b l o c k a t a t i m e

• p o s s i b l e t o r e f e r e n c e d

a t a

b y i t s b l o c k n u m b e r

• d i s k s a n d U S B k e y s a r e

e x a m p l e s

S t r e a

m - o r i e n t e d d e v i c e

• t r a n s f e r s d a t a i n a n d o u

t

a s a s

t r e a m o f b y t e s

• n o b l o c k s t r u c t u r e

• t e r m i n a l s , p r i n t e r s ,

c o m m

u n i c a t i o n s p o r t s ,

a n d m

o s t o t h e r d e v i c e s

t h a t a

r e n o t s e c o n d a r y

s t o r a g e a r e e x a m p l e s


14/21

N o

B u f f e r

W i t h

o u t a b u f f e r , t h e O

S

d i r e c t l y a c c e s s e s t h e d e

v i c e

w h e n i t n e e d s


15/21

S i n g l e B u f f e

r

O p

e r a t i n g s y s t e m a s s i g n s a

b u f f e r i n m a i n m e m o r y f o r

a n

I / O r e q u e s t


16/21

I n p u t t r a n

s f e r s a r e m a d e t o t h e s y s t e m b u f f e r

R e a d i n g a h e a d / a n t i c i p a t e d

i n p u t

i s d o

n e i n t h e e x p e c t a t i o n t h a t t h e b l o c k w i l l e v e n t u a l l y b e n e e d e d

w h e n t h e t r a n s f e r i s c o m p l e t e , t h e p r o c e s s m o v e s t h e b l o c k i n t o u s e r

s p a c e a n d i m m e d i a t e l y r e q u e s t s a n o t h e r b l o c k

G e n e r a l l y

p r o v i d e s a s p e e d u

p c o m p a r e d t o t h e l a c k o f s y s t e m b u f f e r i n g

D i s a d v a n t a g e s :

c o m p l i c a t e s t h e l o g i c i n t h e o p e r a t i n g s y s t e m

s w a p

p i n g l o g i c i s a l s o a f f e c t e d


17/21

L i n e - a t - a - t i m e o p e r a t i o n

a p p r

o p r i a t e f o r s c r o l l - m o

d e

t e r m

i n a l s ( d u m b t e r m i n a

l s )

u s e r

i n p u t i s o n e l i n e a t a

t i m e

w i t h a c a r r i a g e r e t u r n

s i g n a l i n g t h e e n d o f a l i n

e

o u t p

u t t o t h e t e r m i n a l i s

s i m i l a r l y o n e l i n e a t a t i m

e

B y t e - a t - a - t i m e o p e r a t i o n

u s e d o n f o r m s - m o d e

t e r m i n a l s

w h e n e a c h k e y s t r o k e i s

s i g n i f i c a n t

o t h e r p e r i p h e r a l s

s u c h

a s s e n s o r s a n d

c o n t r o l l e r s


18/21

D o u b

l e B u f f e r

U s e t w

o s y s t e m b u f f e r s i n s

t e a d

o f o n e

A p r o c e s s c a n t r a n s f e r d a t a t o o r

f r o m o

n e b u f f e r w h i l e t h e

o p e r a t i n g s y s t e m e m p t i e s o r f i l l s

t h e o t h e r b u f f e r

A l s o k

n o w n a s b u f f e r s w a p

p i n g


19/21

C i r c u l a r B u f f e r

T w o

o r m o r e b u f f e r s a r e u s e d

E a c h

i n d i v i d u a l b u f f e r i s

o n e

u n i t i n a c i r c u l a r b u f f e r

U s e d

w h e n I / O o p e r a t i o n m u s t

k e e p

u p w i t h p r o c e s s


20/21


21/21

T e c h n i q u e t h a t s m o o t h e s o u

t p e a k s i n I / O d e m a n d

w i t h e n

o u g h d e m a n d e v e n t u a l l y a l l b u f f e r s b e c o

m e f u l l a n d t h e i r a d v a n t a g e

i s l o s t

W h e n t h e

r e i s a v a r i e t y o f I / O a n d p r o c e s s a c

t i v i t i e s t o s e r v i c e ,

b u f f e r i n g

c a n i n c r e a s e t h e e f f i c i e n c y o f t h e O S

a n d t h e p e r f o r m a

n c e o f

i n d i v i d u a l p r o c e s s e s

ch11-ioawf management and disk scheduling

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