Geräte unter Linux
Von: D.F.
Von: D.F.
Was ist eine der wichtigsten Aufgaben eines Betriebsystem?
Zu den wichtigsten Aufgaben eines Betriebssystems gehört die Kontrolle von Ein-/Ausgabe-Geräten (I/O-Devices)
Es gibt zwei klassen von I/O-Geräten, nenne diese und beschreibe sie kurz, gebe auch Beispiele?
- Blockorientierte Geräte (Block Devices)
- Daten werden blockweise (512 Byte – 32kB) transferiert
- Blöcke sind adressierbar, gezielter Zugriff auf Daten in einem bestimmten Block ist möglich
- Beispiele: Festplatten, CD's, …
- Zeichenorientierte Geräte (Character Devices)
- Daten werden zeichenweise transferiert
- Keine Möglichkeit, gezielt auf bestimmte Daten zuzugreifen
- Beispiele: Maus, Tastatur, Drucker, …
Wie ist der Zusammenhang zwischen Geräten und Adaptern, mit was ist die CPU in direkter Verbindung?
- Adapter (Device Controller)
- Stellen die Verbindung zwischen der CPU und dem eigentlichen Gerät dar
- Das Betriebssystem hat in der Regel nur mit den Adaptern zu tun, nicht mit den Geräten selbst
- Physikalisch sind Adapter meist Steckkarten, die über einen Systembus (z.B. PCI) mit der CPU verbunden sind
Wie wird mit einem Adapter Komuniziert, welche "Kanäle" stehen zur verfügung?
- Interrupts ermöglichen es dem Adapter, das System "auf sich aufmerksam zu machen"
- Ports sind Speicherzellen zur Ein- und Ausgabe kleiner Datenmengen (typ. 1 - 4 Bytes pro Wort), vergleichbar den Registern der CPU
- Pufferspeicher werden für den Transfer größerer Datenmengen benötigt
Wie kommuniziert die CPU mit dem Port Registern?
(3 verschiedene Möglcihkeiten)
- jeder Port hat eine eigene Portadresse und wird über spezielle CPU-Instruktionen angesprochen
- Ports und Puffer-Speicher sind Teil des allgemeinen Adressraumes ("Memory mapped I/O")
- Meist am oberen Ende angesiedelt
- dritte Variante (Hybrid-System), z.B. bei Intel x86:
- Ports bilden einen eigenen Adressraum (16 Bit)
- Für Pufferspeicher ist der Adressraum zwischen 640 kB und 1 MB reserviert
Was sind die Vorteile von Memory Mapped I/O ?
(3 Punkte)
- Portadressen sind ganz normale Speicheradressen
- » Können mit denselben CPU-Instruktionen bearbeitet werden wie "normaler" Speicher
- » Gerätetreiber können deshalb komplett in "C" geschrieben werden
- Portadressen sind Teil des virtuellen Speichers von Prozessen
- Schutz der Ports vor Prozessen: Sperren bestimmter Speicherbereiche
Was sind die Nachteile von Memory Mapped I/O?
- Speicherinhalte werden üblicherweise im Cache zwischengespeichert
- Für Ports fatal
- Lösung: Ausnehmen bestimmter Speicherbereiche (höhereKomplexität von Hard- und Software
- Die I/O-Geräte müssen jeden Speicherzugriff mitbekommen, um herauszufinden, ob sie angesprochen sind, oder nicht. (Aufwand für Hardware)
Welche 2 Bus-Architekturen gibt es, nenne Funktion und Vor-/Nachteile?
- Ein Bus:
- Alle Speicherzugriffe werden von allen angeschlossenen Geräten registriert
- Konzeptionell einfach, aber potenziell langsam (Geräte mussen alle mit der hohen geschwindigkeit zurecht kommen)
- Zwei Busse
- (z.B. bei IA32): Zugriffe auf Speicher und I/O Geräte sind getrennt
- Schneller, aber auch komplizierter zu realisieren
Wleches Probleme ergibt sich mit der Zwei-Bus-Architektur?
Wie werden Speicherzugriffe auf Hauptspeicher und I/O-Geräte unterschieden? (gleicher Addresraum)
- Alle Zugriffe gehen über den Speicherbus und erst im Fehlerfall auf den I/O-Bus (zusätzliche Hardware)
- Ein "Spion" lauscht für alle Geräte auf dem Speicherbus (I/O-Geräte werden u.U. von der Datenflut überfordert)
- Ein "Brücken-Chip" weiß, welche Adressen nicht im Speicher sind und leitet nur diese Anfragen an die I/O-Geräte weiter (geläufig)
Was macht die North- und Southbridge?
- Die North bridgewird beim Booten informiert, welche Speicherbereiche zu den I/O-Geräten gehören
- Je nachdem werden die Zugriffe über den Speicher- oder PCIBus weitergeleitet
- DIe Southbridge ist für die Langsameren Schnittstellen zuständig, wei Ethernet, Usw, ....
Wie läuft ein Festplatten-Zugriff ohne DMA ab?
(3 Schritte)
- Die CPU veranlasst den Disk-Controller, einen Block von Platte zu lesen
- Der Disk-Controller schickt einen Interrupt an die CPU, wenner damit fertig ist
- Die CPU liest den Inhalt des Puffers im Disk-Controller und schreibt ihn in den Hauptspeicher (Schleife)
Wie läuft ein Festplattenzugriff mit DMA ab?
Kurze Erklärung zu DMA:
DMA (Direct Memory access) ermöglicht es Daten von Geräten in den Hauptspeicher zu kopieren ohne dabei die CPU zu Belasten, der BUS is in diesr Zeit für die CPU gesperrt.
- Die CPU programmiert den DMA-Controller
- Die CPU veranlasst den Disk-Controller, einen Block von Platte zu lesen
- Der DMA-Controller veranlasst den Transfer der Daten aus dem Puffer des Disk-Controllers in den Hauptspeicher
- Wenn der Transfer komplett ist, schickt der DMA-Controller einen Interrupt an die CPU
Systembusse und DMA-Controller unterstützen oft zwei unterschiedliche Modi, nenne und beschreibe diese?
- Cycle Stealing
- Der DMA-Controller blockiert den Bus, fordert Daten wortweise an und gibt den Bus wieder frei. So lange der DMA-Controller den Bus benutzt, muss die CPU warten
- Burst Mode:
- Der DMA-Controller blockiert den Bus und transferiert einen ganzen Block von Daten.
- Vorteil: Höhere Transferrate
- Nachteil: Der Bus bleibt länger für die CPU blockiert
- Der DMA-Controller blockiert den Bus und transferiert einen ganzen Block von Daten.
Welche Argumente sprehcen gegen einem DMA?
- Die CPU ist oft schneller als der DMA Controller, der Transfer wird also langsamer statt schneller
- Wenn keine anderen Aufgaben anliegen, bremst der DMA Controller u.U. die CPU aus
- DMA-Controller kosten Geld
Bei kleinen, billigen Computersystemen (z.B. Embedded Systems) wird in der Regel kein DMA verwendet
Welche 3 Wege gibt es I/O zu Programmieren?
- Programmierte I/O: Die CPU kontrolliert die Routine vollständig
- Konzeption einfach, CPU wird stark belastet, nicht besonders Perfomant
- Interrupt-gesteuerte I/O: Die CPU erteilt einem Controller eine Anweisung und wird erst wieder eingeschaltet, wenn der Transfer erledigt ist
- perfomanter, komplizierter, oft nicht zu vermeiden
- DMA I/O: Ähnlich wie programmierte I/O, nur dass der DMA-Controller die Kontrolle übernimmt
Was ist die Aufgabe eines Gerätetreibers?
- Eigentlich: Adapter-Treiber (Hat mit dem Gerät selber ja nichts zu tun)
- Gehören zu einer bestimmten Hardware bzw. Hardwareklasse
- Greifen auf die Ports bzw. den Pufferspeicher der Adapter zu
- Müssen Teil des Kernels sein
- Der Kernel muss vorsehen, Treiber für neue Hardware zu integrieren
Wie können Gerätetreiber in den Kernel eingebunden werden?
(Monolithischer Kernel, Modularisierter Kernel, Microkernel)
- Monolithischer Kernel
- Kernel muss neu Compiliert werden um neuen Treiber einzubinden
- Modularisierter Kernel
- Treiber werden als module in den Kernel geladen und auch im Kernelmode ausgeführt => System potentiell instabil
- Micro Kernel
- Treiber laufen als Dienste im Usermode => Potentielle Performance verluste (Oft nicht relevant)
Ist die UNIX Standartphilosopie auch für geräte Gültig?
- JA - Alle Geräte (Adapter) sehen wie Dateien aus, in diegeschrieben bzw. aus denen gelesen werden kann
- Der einfachste Druckbefehl wäre: cp file.ps /dev/lp
- Gerätedateien sind entweder
- blockorientiert ("block special files")
- zeichenorientiert ("character special files")
Was gibt der Befehl ll /dev/hda* aus?
(Dumme Frage ich weiß, mit fällt aber nichts besseres ein, also los schau schon nach der Lösung :) )
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Lernkarten
Was ist eine der wichtigsten Aufgaben eines Betriebsystem?
Zu den wichtigsten Aufgaben eines Betriebssystems gehört die Kontrolle von Ein-/Ausgabe-Geräten (I/O-Devices)
Es gibt zwei klassen von I/O-Geräten, nenne diese und beschreibe sie kurz, gebe auch Beispiele?
- Blockorientierte Geräte (Block Devices)
- Daten werden blockweise (512 Byte – 32kB) transferiert
- Blöcke sind adressierbar, gezielter Zugriff auf Daten in einem bestimmten Block ist möglich
- Beispiele: Festplatten, CD's, …
- Zeichenorientierte Geräte (Character Devices)
- Daten werden zeichenweise transferiert
- Keine Möglichkeit, gezielt auf bestimmte Daten zuzugreifen
- Beispiele: Maus, Tastatur, Drucker, …
Wie ist der Zusammenhang zwischen Geräten und Adaptern, mit was ist die CPU in direkter Verbindung?
- Adapter (Device Controller)
- Stellen die Verbindung zwischen der CPU und dem eigentlichen Gerät dar
- Das Betriebssystem hat in der Regel nur mit den Adaptern zu tun, nicht mit den Geräten selbst
- Physikalisch sind Adapter meist Steckkarten, die über einen Systembus (z.B. PCI) mit der CPU verbunden sind
Wie wird mit einem Adapter Komuniziert, welche "Kanäle" stehen zur verfügung?
- Interrupts ermöglichen es dem Adapter, das System "auf sich aufmerksam zu machen"
- Ports sind Speicherzellen zur Ein- und Ausgabe kleiner Datenmengen (typ. 1 - 4 Bytes pro Wort), vergleichbar den Registern der CPU
- Pufferspeicher werden für den Transfer größerer Datenmengen benötigt
Wie kommuniziert die CPU mit dem Port Registern?
(3 verschiedene Möglcihkeiten)
- jeder Port hat eine eigene Portadresse und wird über spezielle CPU-Instruktionen angesprochen
- Ports und Puffer-Speicher sind Teil des allgemeinen Adressraumes ("Memory mapped I/O")
- Meist am oberen Ende angesiedelt
- dritte Variante (Hybrid-System), z.B. bei Intel x86:
- Ports bilden einen eigenen Adressraum (16 Bit)
- Für Pufferspeicher ist der Adressraum zwischen 640 kB und 1 MB reserviert
Was sind die Vorteile von Memory Mapped I/O ?
(3 Punkte)
- Portadressen sind ganz normale Speicheradressen
- » Können mit denselben CPU-Instruktionen bearbeitet werden wie "normaler" Speicher
- » Gerätetreiber können deshalb komplett in "C" geschrieben werden
- Portadressen sind Teil des virtuellen Speichers von Prozessen
- Schutz der Ports vor Prozessen: Sperren bestimmter Speicherbereiche
Was sind die Nachteile von Memory Mapped I/O?
- Speicherinhalte werden üblicherweise im Cache zwischengespeichert
- Für Ports fatal
- Lösung: Ausnehmen bestimmter Speicherbereiche (höhereKomplexität von Hard- und Software
- Die I/O-Geräte müssen jeden Speicherzugriff mitbekommen, um herauszufinden, ob sie angesprochen sind, oder nicht. (Aufwand für Hardware)
Welche 2 Bus-Architekturen gibt es, nenne Funktion und Vor-/Nachteile?
- Ein Bus:
- Alle Speicherzugriffe werden von allen angeschlossenen Geräten registriert
- Konzeptionell einfach, aber potenziell langsam (Geräte mussen alle mit der hohen geschwindigkeit zurecht kommen)
- Zwei Busse
- (z.B. bei IA32): Zugriffe auf Speicher und I/O Geräte sind getrennt
- Schneller, aber auch komplizierter zu realisieren
Wleches Probleme ergibt sich mit der Zwei-Bus-Architektur?
Wie werden Speicherzugriffe auf Hauptspeicher und I/O-Geräte unterschieden? (gleicher Addresraum)
- Alle Zugriffe gehen über den Speicherbus und erst im Fehlerfall auf den I/O-Bus (zusätzliche Hardware)
- Ein "Spion" lauscht für alle Geräte auf dem Speicherbus (I/O-Geräte werden u.U. von der Datenflut überfordert)
- Ein "Brücken-Chip" weiß, welche Adressen nicht im Speicher sind und leitet nur diese Anfragen an die I/O-Geräte weiter (geläufig)
Was macht die North- und Southbridge?
- Die North bridgewird beim Booten informiert, welche Speicherbereiche zu den I/O-Geräten gehören
- Je nachdem werden die Zugriffe über den Speicher- oder PCIBus weitergeleitet
- DIe Southbridge ist für die Langsameren Schnittstellen zuständig, wei Ethernet, Usw, ....
Wie läuft ein Festplatten-Zugriff ohne DMA ab?
(3 Schritte)
- Die CPU veranlasst den Disk-Controller, einen Block von Platte zu lesen
- Der Disk-Controller schickt einen Interrupt an die CPU, wenner damit fertig ist
- Die CPU liest den Inhalt des Puffers im Disk-Controller und schreibt ihn in den Hauptspeicher (Schleife)
Wie läuft ein Festplattenzugriff mit DMA ab?
Kurze Erklärung zu DMA:
DMA (Direct Memory access) ermöglicht es Daten von Geräten in den Hauptspeicher zu kopieren ohne dabei die CPU zu Belasten, der BUS is in diesr Zeit für die CPU gesperrt.
- Die CPU programmiert den DMA-Controller
- Die CPU veranlasst den Disk-Controller, einen Block von Platte zu lesen
- Der DMA-Controller veranlasst den Transfer der Daten aus dem Puffer des Disk-Controllers in den Hauptspeicher
- Wenn der Transfer komplett ist, schickt der DMA-Controller einen Interrupt an die CPU
Systembusse und DMA-Controller unterstützen oft zwei unterschiedliche Modi, nenne und beschreibe diese?
- Cycle Stealing
- Der DMA-Controller blockiert den Bus, fordert Daten wortweise an und gibt den Bus wieder frei. So lange der DMA-Controller den Bus benutzt, muss die CPU warten
- Burst Mode:
- Der DMA-Controller blockiert den Bus und transferiert einen ganzen Block von Daten.
- Vorteil: Höhere Transferrate
- Nachteil: Der Bus bleibt länger für die CPU blockiert
- Der DMA-Controller blockiert den Bus und transferiert einen ganzen Block von Daten.
Welche Argumente sprehcen gegen einem DMA?
- Die CPU ist oft schneller als der DMA Controller, der Transfer wird also langsamer statt schneller
- Wenn keine anderen Aufgaben anliegen, bremst der DMA Controller u.U. die CPU aus
- DMA-Controller kosten Geld
Bei kleinen, billigen Computersystemen (z.B. Embedded Systems) wird in der Regel kein DMA verwendet
Welche 3 Wege gibt es I/O zu Programmieren?
- Programmierte I/O: Die CPU kontrolliert die Routine vollständig
- Konzeption einfach, CPU wird stark belastet, nicht besonders Perfomant
- Interrupt-gesteuerte I/O: Die CPU erteilt einem Controller eine Anweisung und wird erst wieder eingeschaltet, wenn der Transfer erledigt ist
- perfomanter, komplizierter, oft nicht zu vermeiden
- DMA I/O: Ähnlich wie programmierte I/O, nur dass der DMA-Controller die Kontrolle übernimmt
Was ist die Aufgabe eines Gerätetreibers?
- Eigentlich: Adapter-Treiber (Hat mit dem Gerät selber ja nichts zu tun)
- Gehören zu einer bestimmten Hardware bzw. Hardwareklasse
- Greifen auf die Ports bzw. den Pufferspeicher der Adapter zu
- Müssen Teil des Kernels sein
- Der Kernel muss vorsehen, Treiber für neue Hardware zu integrieren
Wie können Gerätetreiber in den Kernel eingebunden werden?
(Monolithischer Kernel, Modularisierter Kernel, Microkernel)
- Monolithischer Kernel
- Kernel muss neu Compiliert werden um neuen Treiber einzubinden
- Modularisierter Kernel
- Treiber werden als module in den Kernel geladen und auch im Kernelmode ausgeführt => System potentiell instabil
- Micro Kernel
- Treiber laufen als Dienste im Usermode => Potentielle Performance verluste (Oft nicht relevant)
Ist die UNIX Standartphilosopie auch für geräte Gültig?
- JA - Alle Geräte (Adapter) sehen wie Dateien aus, in diegeschrieben bzw. aus denen gelesen werden kann
- Der einfachste Druckbefehl wäre: cp file.ps /dev/lp
- Gerätedateien sind entweder
- blockorientiert ("block special files")
- zeichenorientiert ("character special files")
Was gibt der Befehl ll /dev/hda* aus?
(Dumme Frage ich weiß, mit fällt aber nichts besseres ein, also los schau schon nach der Lösung :) )
