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入 出 力 管 理

入 出 力 管 理. オペレーティングシステム 第１０回. 入出力装置の分類（１）. ブロックデバイス キャラクタデバイス（ストリームデバイス）. 入出力装置の分類（２）. ブロックデバイス HDD など “ブロック”という単位で入出力 ブロックの大きさは，固定であることが多い 例えば， 512 バイト（単位で入出力） 1 バイトだけ，ということができない. 入出力装置の分類（３）. キャラクタデバイス（ストリームデバイス） 端末（ディスプレイ，キーボード）など 文字単位に入出力 任意長. 入出力管理の目的（１ ). 多種多様な入出力装置がある

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Presentation Transcript

  1. 入 出 力 管 理 オペレーティングシステム 第１０回

  2. 入出力装置の分類（１） • ブロックデバイス • キャラクタデバイス（ストリームデバイス）

  3. 入出力装置の分類（２） • ブロックデバイス • HDDなど • “ブロック”という単位で入出力 • ブロックの大きさは，固定であることが多い • 例えば，512バイト（単位で入出力） • 1バイトだけ，ということができない

  4. 入出力装置の分類（３） • キャラクタデバイス（ストリームデバイス） • 端末（ディスプレイ，キーボード）など • 文字単位に入出力 • 任意長

  5. 入出力管理の目的（１) • 多種多様な入出力装置がある • 制御するプログラムは，装置ごとに異なる • 装置を変更すると，それを利用するプログラムも変更 • 誰が ⇒ プログラムを作った人 • 無理！

  6. 入出力管理の目的（２) • 制御プログラムの作成のためには • 装置の詳細な情報が必要 • それを理解する • すべてのプログラム作成者に要求することは無理

  7. 入出力管理の目的（３)

  8. 入出力管理の目的（４） • “統一された操作モデル”の提供 • 入出力装置の詳細を隠す（抽象化） • 利用者のプログラムからは，同じような手順で利用できるようにする

  9. 入出力管理の目的（５） デバイスドライバ（後述）

  10. 入出力管理の目的（６） • 入出力操作を容易にするプログラム • IOCS（Input Output Control System） • オペレーティングシステムの第一歩

  11. ディスク装置について（１） • 制御プログラム作成が困難なことを，HDDを例にして説明 • HDDの内部 • http://gigazine.jp/img/2009/08/10/largest_hdd/520315_80448256.jpg

  12. ディスク装置について（２） • 円形の記録媒体 • 同心円がたくさんある • トラック • “一定の大きさ”に区切られる • セクター

  13. ディスク装置について（３） • 各セクタにデータが記録される • データの読み書き • どのトラックのどのセクタかを指定

  14. ディスク装置について（４） • 磁気ヘッド • データを読み書き • ヘッドの位置決め • 指定されたトラックに移動（シーク） • 指定されたセクターが回転して来るのを待つ

  15. ディスク装置について（５） • ディスクは両面 • どちらの面かを指定 • ディスクが複数あるものもある • 最近は，外側のトラックの方がセクタの数が多い • セクターの指定が難しい

  16. ディスク装置について（６） • 物理的に移動する部分があるので，そのタイミングが問題になることも • 以上のことを理解していないとプログラムを作ることができない

  17. ディスク装置について（７） • 面倒な部分をOSが肩代わり • 入出力装置の抽象化 • 入出力装置の詳細な点を理解しなくても，それを利用するプログラムを作ることができる • いろいろな装置があっても，使い方は同じ • 極論すれば，“読め”・“書け”

  18. デバイス ドライバ 入出力装置の制御プログラム

  19. デバイスドライバ（１） • 入出力装置を制御する機器 • CPUが入っている • つまり，コンピュータ • プログラムが必要 • デバイスドライバと呼ぶ

  20. デバイスドライバ（２） • 入出力装置を制御するプログラム • 入出力装置ごとに異なる • 入出力装置の追加 • 対応するデバイスドライバをオペレーティングシステムに追加 • 利用者プログラムの変更の必要はない

  21. デバイスドライバ（３） • 入出力装置の製造者が用意 • 装置の詳細は製造者が知っている • 場合により，公開されない情報もある

  22. デバイスドライバ（４） • 入出力の効率化を図る，という機能も • 例 ディスク装置へのアクセス • ヘッドのシーク時間を最小化するような順序に，アクセスの順序を変更

  23. デバイスドライバ（５） • MS-DOSの時代 • アプリーケーションソフト（例えば，ワープロソフト）が入出力機器を管理 • 新しい入出力機器が発売されると，それに対応しなければならない

  24. 入出力の効率化

  25. 入出力の効率化（１） • 入出力装置の動作は，CPUよりも遅い • いろいろな工夫

  26. 入力の場合，その時点で必要な入力データだけでなく，将来必要になるかも知れないデータも読み込む（先読み）入力の場合，その時点で必要な入力データだけでなく，将来必要になるかも知れないデータも読み込む（先読み） 入出力の効率化（２） • ブロッキング • 大量の小さなデータは，まとめて大きなデータとして入出力を行う • 例 磁気テープ装置 • テープの速度が一定になるまで待つ • テープ自体（メディア）の効率的利用

  27. バッファに書き込めば，実際 の出力は終了していなくても， 利用者プログラムの出力は 終了 つまり，先に進むことができる 入出力の効率化（３） • バッファリング • 割込み参照 • 利用者のプログラムからの出力 • バッファ（メモリ）に書き込む • 別のプログラムが，メモリから出力装置に送る プリンタ 利用者 プログラム バッファ

  28. 入出力の効率化（３） • バッファリング • 入力データ • 必要になるより前に，メモリに読み込む • 実際に必要になると，メモリから読み出す • 先読み • 無駄になることもある

  29. 入出力の効率化（４） • バッファリング • 一般に，速度が異なるものの間でのデータ交換の効率化

  30. 入出力の効率化（５） • キャッシング • プログラムがディスクからデータを読み込む • メモリにも格納 • 再度，そのデータを読み込む • ディスクから読み込まず，メモリのデータ HDD プログラム メモリにも コピー

  31. 入出力の効率化（６） • キャッシング • プログラムがディスクにデータを書き込む • メモリにも格納 • そのデータを読み込む必要 • ディスクから読み込まず，メモリのデータ • いずれの場合も，実際の入力を行わないので時間短縮

  32. 入出力の効率化（７） • キャッシング • 本来は，CPU内の高速メモリ（キャッシュ）と主記憶の間で用いられていたことに対する用語

  33. 入出力の効率化（８） ファイルへの書き込みが終了すれば， 出力も終了 （場合により，プログラムは終了） • スプーリング • 本来はバッチ（一括）処理 • 出力データは装置に送るのではなく，ファイルとして書き出す • スプーラと呼ばれる独立したプログラムが，それを装置に送る • 入力データもあらかじめ読み込み，ファイルとしておく 遅い入出力装置の 制御をスプーラに任せる

  34. 入出力装置の制御

  35. 入出力装置の制御 • 動作の起動指示 • データ転送 • 入力データは，入力装置からメモリへ • 出力データは，メモリから出力装置へ • といったことをどのように行うのか?

  36. CPUが直接制御 • 割込みの2回目 • プリンタの例の割込みを用いないもの • 最大のネックは，入出力装置の動作終了を待たなければならない • CPUの使用効率が悪い

  37. 割込み • 割込みの2回目 • プリンタの例の割込みを用いるもの • 入出力装置の動作終了を割込みにより検出 • 動作中にCPUは別の処理ができる • ただし，データ転送はCPU

  38. DMA • Direct MemoryAccess • CPUは，動作開始を入出力装置の制御装置に指示 • データ転送は，制御装置が行う • 制御装置が直接メモリとの間でデータをやり取りする

  39. チャネル • 大型機 • 入出力装置用コンピュータ（みたいなもの） • これに操作を任せる

  40. 接 続 規 格 パソコンの入出力装置の接続方法 入出力管理の話ではない ハードウェアの規格

  41. I D E • 最大4台の内蔵ディスクを接続 • CD ROMなども可能 • 以前からある規格 • 共通仕様 ATA（AT Attachment interface） • 拡張仕様 • Serial ATA（高速化）

  42. S C S I • “スカジー”と読む • 汎用接続規格 • 最大8台までの機器をディジーチェーンで接続 • 実際は７台 • 接続ケーブルの末端にターミネータをつける

  43. U S B （１） • 汎用接続規格 • パソコンでは良く使われている • 最大127台まで • 電源を入れたままで接続・切離し可 • ホットプラグ • 低速・中速機器向け • USB2.0で高速機器をサポート • そろそろUSB3.0

  44. U S B （２） • ちなみにUSBメモリには寿命がある • 書き込み回数に上限がある • USBメモリの書き換え限界寿命が来ると何が起きるのか、実際に寿命が来たケースをレポートhttp://gigazine.net/index.php?/news/comments/20080204_usb_memory_life/

  45. IEEE 1394 （１） • IEEEは“アイ トリプル イー”と読む • FireWire （アップル） • i.LINK （ソニー）

  46. IEEE 1394 （２） • デジタル機器同士だけで接続可 • パソコン不要 • デジタルビデオカメラDV端子 • 最大63台 • ホットプラグ

  47. IEEE • いろいろな規格を定めている • IEEE802.11a/b/g 無線LAN

  48. セントロニクスインターフェイス • プリンタで利用される（されていた） • 出力データだけでない

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