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
今回の内容


入出力装置は
 多種多様
 遅い
どう扱うか？
入出力装置の分類（１）

２種類
 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
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！
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
入出力管理の目的（３)
Bの制御プロ
グラムも追加
Bを追加
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
入出力管理の目的（５）
デバイスドライバ
（後述）
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
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，ディスク（
HDD）を例にして説明
HDDの内部
 http://gigazine.jp/img/2009/08/10/largest_hd
d/520315_80448256.jpg
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
セクター
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
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
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
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
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”
デバイスドライバ
入出力装置の制御プログラム
簡略化した構成図（第２回）
制御装置
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
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
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
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
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
入出力の効率化
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
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
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
利用者
プログラム
バッファ
プリンタ
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
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
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
メモリにも
コピー
プログラム
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
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
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）
入出力の効率化（８）





スプーリング
本来はバッチ（一括）処理遅い入出力装置の
出力データは装置に送るのではなく，ファイルと
制御をスプーラに任せる
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
入出力装置の制御
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?
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
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
DMA



Direct Memory Access
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
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
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
IDE



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）
SCSI

“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
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
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/commen
ts/20080204_usb_memory_life/
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）
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
IEEE

いろいろな規格を定めている
 IEEE802.11a/b/g 無線LAN
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
まとめ
まとめ（１）



入出力装置の分類
 ブロックデバイスとキャラクタデバイス
入出力管理の目的
 統一された操作モデル
デバイスドライバ
まとめ（２）


入出力の効率化
 ブロッキングなど
入出力装置の制御
 CPUが直接制御
 割込みの利用
 DMA
 チャネル

Download Report