PDF de programación - Gestión de Entrada-salida

Introducción
Capas del software de Entrada-Salida
Elementos de Entrada-Salida
Proyección de Entrada-Salida en memoria
Técnicas de realización de Entrada-Salida
Ejemplo de dispositivo: gestión de disco

Gestión de Entrada-salida

E. Campo M. Knoblauch Ó. López

J. Clemente

Departamento de Automática

Universidad de Alcalá

Sistemas Operativos Avanzados

Gestión de Entrada-salida

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Introducción
Capas del software de Entrada-Salida
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Proyección de Entrada-Salida en memoria
Técnicas de realización de Entrada-Salida
Ejemplo de dispositivo: gestión de disco

Índice

Introducción

1
2 Capas del software de Entrada-Salida
3 Elementos de Entrada-Salida
4 Proyección de Entrada-Salida en memoria
5 Técnicas de realización de Entrada-Salida
6 Ejemplo de dispositivo: gestión de disco

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Problemática de la E/S

Uso extensivo de E/S

Cuanta mayor concurrencia de E/S, mayor aprovechamiento
del sistema

Cada dispositivo de E/S tiene su propia idiosincrasia

Funcionalidad diversa

Almacenamiento (Discos)
Interfaz de usuario (Teclado, ratón)
Comunicaciones (Tarjetas de red, módem)
Etc.

Modo de acceder a ellos
Diferentes grados de autonomía e inteligencia

Los dispositivos necesitan ayuda del núcleo
Diferentes velocidades

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Velocidades de dispositivos E/S

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Gestión de la E/S

El sistema operativo es el vínculo entre la aplicación de
usuario y el hardware de E/S
Objetivos del subsistema de E/S del S.O.:

Ocultar el HW a las aplicaciones
Interfaz uniforme de acceso (nombres uniformes)
Independencia de dispositivo

Poder escribir programas capaces de acceder a un dispositivo
de E/S sin saber de antemano de q dispositivo se trata

Manejo de errores
Gestión de distintos tipos de dispositivos

Compartibles o dedicados
De modo carácter o de modo bloque
De acceso secuencial o aleatorio
Etc. . .

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Capas del software de E/S (1/2)

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Capas del software de E/S (2/2)

El hardware de E/S puede actualizarse y modificarse:
El SO proporciona mecanismos para actualizaciones
¿Qué ocurre si se introduce un nuevo elemento hw?

Enfoque monolítico y enfoque micronúcleo

La interfaz de E/S con el usuario final:

Uniforme de acceso

Todos los dispositivos tienen la misma apariencia

Independiente del dispositivo

Oculta el hw a los niveles superiores
El usuario no se preocupa de acceder a cada dispositivo
Las primitivas de acceso a cada dispositivo son las mismas,
independientemente del tipo de dispositivo

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Elementos de E/S

Cada elemento de E/S se conecta al bus del sistema directa o
indirectamente
Suele estar dividido en dos partes:

Controladora o adaptador de dispositivo

Conectado a la controladora mediante una ranura, cable o
similar, que puede ser un estándar (p.e. IDE o SCSI)

Tarjeta de circuito impreso conectada a una ranura de
expansión del computador
Posee registros de estado, control y datos

El dispositivo en sí

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Manejadores de Interrupciones

En la mayoría de operaciones de E/S, las interrupciones son
inevitables

Se deben ocultar lo máximo posible
El S.O. puede/debe realizar varias tareas:

Guardar registros y PSW y preparar un contexto y una pila
para poder ejecutar una ISR
Enviar el acuse de recibo a la controladora de interrupciones
Ejecutar la ISR. Esta parte interactuará con la controladora
que generó la interrupción.
En ocasiones, despertar a algún proceso implicado en la E/S e
invocar al planificador.
Preparar el contexto y recuperar los registros del nuevo
proceso
Retornar de la interrupción y ejecutar el nuevo proceso.

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Manejadores de Dispositivos

Contienen el código específico de cada dispositivo
Funciones:

Inicializar el dispositivo
Aceptar solicitudes abstractas de leer o escribir por el SW
independiente de dispositivo
Registrar los sucesos

Suele estar escrito por el fabricante de cada dispositivo
hardware

Es importante que los diseñadores del S.O. tengan un modelo
bien definido de lo que hace un manejador de dispositivo y
cómo interactúa con el S.O.
Interfaz estándar de dispositivos de modo bloque y de modo
carácter

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Proyección de E/S en memoria

Comunicación entre controladora y CPU

Registros de control: La CPU puede leerlos o escribirlos para
dar órdenes al dispositivo, averiguar su estado, etc.
Buffers de datos que el S.O. puede leer y escribir

¿Cómo?

Asignar a cada registro un puerto de E/S

Puerto: entero de 8 o 16 bits
Instrucciones específicas para leer y escribir (IN, OUT)

Establecer una correspondencia entre registros y posiciones de
memoria

Los accesos a dichas posiciones realmente acceden a los
registros
Instrucciones de carga y almacenamiento estándar (p.e. MOV)

Híbrido

Puertos para los registros, memoria para los buffers

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Técnicas de realización de E/S (1/2)

Las operaciones de los periféricos son asíncronas con respecto
a las del procesador
Diferentes mecanismos de comunicación:

Sondeo
Interrupciones
Acceso directo a memoria

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Técnicas de realización de E/S (2/2)

E/S Programada (Polling)

La CPU espera a que el dispositivo esté listo para enviar el
siguiente carácter (sondeo)

Sencillo pero con espera activa

E/S mediante interrupción

El proceso lo inicia la CPU y continúa mediante interrupción
El proceso que realiza la llamada de E/S se bloquea, por lo
que evita espera activa
Se produce una interrupción con cada carácter

E/S mediante DMA

El controlador DMA es el que alimenta los caracteres

El controlador DMA hace básicamente E/S programada
El proceso que realiza la llamada de E/S se bloquea
Se produce una única interrupción y se evita la espera activa

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Hardware de un disco

Disco organizado en sectores de
512 bytes referenciados:

Cilindro, cabeza, sector: CHS

Tiempos de acceso

T. posicionamiento
T. latencia
T. transferencia

¿Cuál es posible optimizar?
En los discos modernos, la
estructura interna del disco es
transparente, los sectores se
referencian mediante un índice
(LBA)
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Manejador de disco

Obejtivo: Leer y escribir sectores del disco
Procedimientos básicos:

Inicializar el DMA
Arrancar el motor (en disquetes o discos con ahorro de energía)
Posicionar las cabezas en el lugar adecuado
Leer o escribir los datos (la finalización es notificada por el
controlador con una interrupción)
Detener el motor (en disquetes)

Las operaciones a realizar dependerán del grado de
inteligencia e independencia de la controladora de disco

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