Geräte- und Dateiverwaltung

Geräte- und Dateiverwaltung

• Geräteverwaltung ist die Schnittstelle zwischen physikalischen Geräten und dem Betriebssystem.
• Die Aufgabe ist, die Geräte anzusteuern.
• Dies beinhaltet die Ausgabe von Befehlen an externe Geräte, Interruptverarbeitung und Fehlerbehandlung.
• Geräte unterscheiden sich in Funktionalität und Aufbau.

Gerätetreiber

• Ein Gerätetreiber ist eine Softwarekomponente, die Interaktionen zwischen Betriebssystem und Controller eines Peripheriegeräts steuert.
• Aufgaben umfassen das Definieren und Bekanntmachen eines Geräts für das Betriebssystem und die Initialisierung von Gerätecontrollern beim Systemstart.
• Er stellt ein logisches Programmiermodell bereit und übersetzt es in gerätespezifische Anforderungen.
• Er puffert Daten zwischen Gerät und Hauptspeicher.
• Übernimmt die Unterbrechungsbearbeitung für ein Gerät, einschließlich der Interrupt Service Routine (ISR).
• Koordiniert nebenläufige Zugriffe auf ein Gerät.
• E/A-Geräte werden über verschiedene Bussysteme an die CPU angeschlossen.
• South- und Northbridge arbeiten wie interne "Router".
• Die Southbridge bedient Routen zu externen Geräten.
• Die Northbridge bedient Routen zu internen Geräten (Speicherkomponenten).

Geräteklassen

• Es gibt blockorientierte und zeichenorientierte Geräte.
• Blockorientierte Geräte wie Festplatten können direkt auf Blöcke (z.B. 512 - 32.768 Byte) zugreifen.
• Funktionen umfassen die Initialisierung des Geräts, das Lesen und Schreiben von Datenblöcken und die Behandlung von Interrupts.
• Zeichenorientierte Geräte wie Maus oder Drucker tauschen einzelne Zeichen aus.
• Lesen und Schreiben erfolgt in Zeichenströmen (Streams)
• Funktionen umfassen Initialisierung, Lesen/Schreiben von Zeichenströmen und Interruptbehandlung

Kommunikation zwischen Hardware und Betriebssystem

• Der Controller (Gerätesteuereinheit) ist dafür zuständig
• Jeder Controller hat Register zur Kommunikation mit dem Prozessor
• Das Betriebssystem kann Befehle mitteilen, Daten lesen/schreiben und Geräte ein-/ausschalten.
• Das Betriebssystem erhält Informationen über den Zustand des Geräts.

Kommunikation des Prozessors mit Registern und Datenpuffern

• Anwendungsprogramme nutzen standardisierte Schnittstellen über Systemcalls zur Geräteverwaltung.
• Typische Operationen sind: open, close, read, write.
• Es gibt zwei Alternativen: Ein-/Ausgabeport (I/O port number) und Memory-Mapped-Ein-/Ausgabe (Memory-Mapped-I/O).
• Ein-/Ausgabeport: Jedem Kontrollregister ist eine Portnummer (8-Bit oder 16-Bit) zugewiesen.
• Menge aller Ein-/Ausgabeports bilden den Ein-/Ausgabeport-Namensraum
• Vorteil: Einfacher Ansatz - Nachteil jedoch: Spezielle Port-Befehle notwendig
• Memory-Mapped Ein-/Ausgabe: Jedem Gerät wird eine E/A-Adresse zugewiesen.
• Die E/A-Adressen der einzelnen Geräte dürfen nicht miteinander kollidieren
• Vorteil: Zugriff wie auf den RAM selbst Leichter Schutz Nachteil: Aufwändige Unterscheidung.

Datentransfer mit der Festplatte und DMA

• Hohe Anzahl an Interrupts, die bei der Kommunikation zwischen der CPU und den E/A-Geräten ausgelöst wird, kann durch dein Einsatz eines DMAs beschleunigt bzw. verbessert werden
• DMA (Direct Memory Access): Transport ganzer Datenblöcke zwischen Gerät und Hauptspeicher.
• Der Zugriff erfolgt über DMA-Controller mit speziellen DMA-Chips
• Bei moderneren Chips ist der DMA-Controller bereits integriert.

DMA-Controller Initialisierung

• CPU initialisiert den DMA-Controller mit allen notwendigen Informationen zur Datenübertragung.
• Beteiligte Komponenten sind Quelle und Ziel, Start- und Zieladresse und Anzahl der zu übertragenden Datenwörter.
• CPU sendet ein Kommando (Erlaubnis) an den Platten-Controller, mit der Datenübertragung zu beginnen Liest dadurch bereits die Daten von der Platte in seinen internen Speicher Verifiziert die Daten mittels der Prüfsumme.
• DMAfordert den Platten-Controller auf die Daten in den Speicher zu übertragen
• Der DMA-Controller steuert die Übertragung aller Datenwörter zwischen den beteiligten Betriebsmitteln (Festplatte ↔ RAM) | Übertragung erfolgt direkt über das Bus-System
• Platte überträgt die Daten in den Speicher
• Ist die Übertragung abgeschlossen informiert der Platen-Controller den
• DMA-Controller erzeugt einen Interrupt und teilt der CPU mit, dass die Übertragung abgeschlossen ist
• Aufder CPU wird die zugehörige Interrupt-Service-Routine ausgeführt
• Die Datenübertragung per DMA ist abgeschlossen

Vorteile durch den Einsatz eines DMA-Controllers

• Entlastung der CPU
• Erhöhung der Geschwindigkeit des Gesamtsystems
• CPU muss nur zu Beginn und am Ende der Übertragung eingreifen
• Schneller Zugriff von Geräten auf den Hauptspeicher ist gegeben
• DMA-Zugriffe sind parallel zur CPU-Bearbeitung möglich.
• Die Anzahl der Interrupts wurde deutlich reduziert
• CPU-Zeit kommt anderen Prozessen zu Gute.
• Bei einem Datentransfer ohne DMA-Controller ereignete sich ein Interrupt pro
• Bei einem Datentransfer mit DMA-Controller ereignete sich ein Interrupt für die gesamte Übertragung
• DMA ermöglichen parallele Übertragungen.

Dateiverwaltung

• Die Dateiverwaltung kümmert sich um Dateien und deren Organisation.
• Dies umfasst die Verwaltung von Daten, die üblicherweise in Dateien auf HDDs oder SSDs abgelegt werden.
• Systemdienste stellen Systemcalls zur Bearbeitung von Dateien und Verzeichnissen zur Verfügung.
• Dazu gehören: Erzeugen, Löschen und Kopieren von Katalogeinträgen, Löschen einer Datei, Ändern von Dateinamen, Übertragen von Katalogeinträgen.
• CRUD-Operationen: Create, Read, Update, Delete.
• Die Art und Weise, wie Daten organisiert und auf einem Datenträger gespeichert werden, sowie die Bereitstellung der CRUD-Operationen geschieht mit Hilfe eines Dateisystems.