PDF de programación - Periféricos Interfaces y Buses - Programación de E/S Aspectos básicos de la programación de E/S. Arquitectura y programación de la E/S en el sistema operativo

Periféricos Interfaces y Buses

UNIVERSIDAD
DE CANTABRIA

I. Arquitectura de E/S
II. Programación de E/S

Aspectos básicos de la programación de E/S. Arquitectura y
programación de la E/S en el sistema operativo. Manejadores de
dispositivos (drivers) y su programación (interrupciones).

III. Interfaces de E/S de datos
IV. Dispositivos de E/S de datos
V. Buses
VI. Controladores e interfaces de dispositivos de almacenamiento
VII. Sistemas de almacenamiento

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II. Programación de E/S

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Bloque I
• Aspectos básicos de la programación de E/S
• Arquitectura y programación de la E/S en el sistema operativo
• Módulos de núcleo en Linux
• Organización de manejadores de dispositivos (drivers)
• Gestión de memoria

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Aspectos básicos de la programación
de entrada/salida

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Tres tipos de programación de la E/S:
• Entrada/salida por consulta o programada
• Entrada/salida por interrupciones
• Entrada/salida por acceso directo a memoria

El control de la entrada/salida recae fundamentalmente en el
sistema operativo:
• la programación se realiza mediante los drivers de dispositivos

(device drivers)

• las interfaces que ofrecen los sistemas operativos para la

programación de drivers no son uniformes

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Drivers de dispositivos

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Un driver para un dispositivo es una interfaz entre el sistema
operativo y el hardware de un dispositivo

Los drivers forman parte del kernel y tienen acceso restringido a
estructuras del sistema operativo

El objetivo de un driver debe ser flexibilizar el uso de los
dispositivos, proporcionando un mecanismo de uso y no una
política de uso (idea que proviene del diseño de Unix):
• mecanismo: capacidades que debe proporcionar
• política: cómo utilizar las capacidades que proporciona

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Drivers de dispositivos (cont.)

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Ej. 1: los gráficos en Unix se dividen en:
• el X server que maneja el hardware y ofrece una interfaz única

a los programas de usuario, y

• los managers de windows y sesión que implementan unas

políticas concretas sin conocer absolutamente nada del
hardware

Ej. 2: para los niveles TCP/IP de red el sistema operativo ofrece:
• la abstracción del socket que no implementa política alguna

sobre el uso de la red, y

• son los servicios que están por encima los que implementan las

políticas de uso

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Drivers de dispositivos (cont.)

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En la implementación de drivers intentaremos observar esta
separación en la medida de lo posible (escribir el código de acceso
al hardware pero no forzar un uso particular)

Otros aspectos a tener en cuenta:
• la concurrencia en el uso de los drivers
• operación síncrona o asíncrona de los drivers
• la capacidad de ser abiertos muchas veces

Nos vamos a centrar en los sistemas operativos:
• Linux: es un SO libre con interfaz POSIX, no es de tiempo real
• MaRTE OS: es un SO de tiempo real que implementa el perfil

mínimo de POSIX

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II. Programación de E/S

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Bloque I
• Aspectos básicos de la programación de E/S
• Arquitectura y programación de la E/S en el sistema operativo
• Módulos de núcleo en Linux
• Organización de manejadores de dispositivos (drivers)
• Gestión de memoria

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El driver en el contexto del sistema
operativo

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Usuarios

Aplicaciones

Shell

Servicios (API)

Drivers I/O

Núcleo/Kernel

Hardware

Sistema
operativo

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Partición del kernel de Linux

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Manejo de procesos:
• creación y destrucción de procesos, entrada/salida de los
mismos, comunicación entre procesos (señales, pipes, o
primitivas de intercomunicación), planificación de los procesos
(cómo comparten el uso de la CPU)

Manejo de memoria:
• el kernel implementa un espacio de direcciones virtuales para
cada uno de los procesos encima de los recursos disponibles
que son limitados

• diferentes partes del kernel interaccionan a través de un

conjunto de llamadas del sistema correspondientes al
subsistema de manejo de memoria (ej.: malloc/free)

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Partición del kernel de Linux (cont.)

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Sistema de ficheros:
• casi todo en Unix puede ser tratado como un fichero
• el kernel construye una sistema de ficheros estructurado

encima de hardware desestructurado

• Linux soporta varios sistemas de ficheros

Control de dispositivos:
• casi todas las operaciones del sistema se pueden mapear en un

dispositivo físico

• salvo el procesador, la memoria, y algún otro elemento, las

operaciones de control de los dispositivos se realizan mediante
drivers de dispositivos; así cada dispositivo presente en el
sistema debe tener su driver

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Partición del kernel de Linux (cont.)

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Redes:
• las redes deben ser manejadas por el SO porque la mayoría de

las operaciones de red no son específicas de un proceso

• la llegada de paquetes es un evento asíncrono
• el paquete debe ser recogido, identificado y despachado antes

de que el proceso correspondiente lo reciba

Linux tiene la capacidad de extender la funcionalidad del kernel en
tiempo de ejecución mediante lo que denomina módulo (module):
• objetos software con una interfaz bien definida, que se cargan

dinámicamente en el núcleo del sistema operativo

• el propio kernel ofrece servicios para su instalación y

desinstalación

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Organización de drivers de entrada/
salida

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Los drivers se implementan mediante módulos del núcleo

Los drivers forman parte del núcleo y tienen
• acceso completo al hardware
• acceso restringido a estructuras del sistema operativo

El objetivo del driver es ofrecer un mecanismo de uso general, con
operaciones como:

leer (read)

- abrir (open) y cerrar (close)
-
- escribir (write)
- controlar (ioctl)

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Tipos de dispositivos y módulos

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En Linux 2.6 se distinguen tres tipos de dispositivos y módulos:
• de caracteres: E/S directa o por interrupciones
• de bloques: E/S por acceso directo a memoria
• de red: E/S por dispositivos de comunicaciones

Esta clasificación no es rígida y se podría considerar otra
ortogonal como:
• módulos USB, módulos serie, módulos SCSI (Small Computer

Systems Interface), etc.

• cada dispositivo USB estaría controlado por un módulo USB,

pero el dispositivo en sí mismo se comportaría como de
caracteres (puerto serie USB), de bloques (tarjeta de memoria
USB), o una interfaz de red (interfaz Ethernet USB)

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Dispositivos de caracteres

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Se puede utilizar como si se tratara de un fichero, como una tira o
conjunto de bytes

Normalmente implementa las llamadas al sistema: open, close,
read y write

Ejemplos de dispositivos de caracteres:
• consola (/dev/console)
• puertos serie (/dev/ttys0)

El acceso a estos dispositivos se realiza a través de nodos (nodes)
del sistema de ficheros

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Dispositivos de caracteres (cont.)

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La diferencia fundamental con los ficheros es que en ellos te
puedes desplazar hacia delante y hacia atrás, mientras que los
drivers son normalmente canales de datos a los que se accede
secuencialmente

Puede haber dispositivos de caracteres en los que aparecen áreas
de datos, como por ejemplo en la adquisición de imágenes por
trozos:
• cada trozo puede tener varios elementos, bytes, accesibles
• podría necesitar la implementación de otras funciones de la

interfaz de drivers

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Dispositivos de bloques

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Al igual que los dispositivos de caracteres se acceden a través de
nodos del sistema de ficheros en el directorio /dev

Pueden contener y controlar un sistema de ficheros (como por
ejemplo un disco)

La información se maneja en bloques normalmente de 512 bytes o
alguna otra potencia de 2

Las operaciones de lectura y escritura funcionan como en un
disposivo de caracteres permitiendo la transferencia de cualquier
cantidad de bytes:
• sólo difieren en el modo en que el kernel maneja los datos

internamente y en la interfaz software hacia el kernel

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Interfaces de red

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Cualquier transacción de red se hace a través de una interfaz para
el intercambio de información con otros equipo