PDF de programación - Conceptos básicos de E/S

SISTEMAS OPERATIVOS

E/S y SISTEMA de FICHEROS

Pedro de Miguel Anasagast
Mª de los Santos Pérez Hernández

CONCEPTOS BÁSICOS DE E/S

ÍNDICE

DISPOSITIVO

© UPM 2015

Bus

Procesador

Memoria

CONTROLADOR
Registro de control

Registro de estado

Registro de datos

● Arquitectura con mapa de E/S propio IN y OUT (p.e. Intel)
● Arquitectura con mapa de E/S en memoria LOAD y STORE (p.e. Motorola)

El acceso a los dispositivos es:

● Complejo

• Detalles físicos de los dispositivos
• Dependiente de las direcciones físicas

● Sin protección

• Si el usuario accede a nivel físico no tiene restricciones. El controlador

del dispositivo no limita

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CONCEPTOS BÁSICOS DE E/S

© UPM 2015

Hardware de E/S

● Dispositivos de E/S

• De bloques (discos, cintas, placas red)
• De caracteres (teclado, ratón)
• Acceso aleatorio
• Acceso secuencial

● Controladores de dispositivos

• E/S programada: No concurrencia E/S-procesador
• Interrupciones: Concurrencia E/S-procesador
• DMA: Máxima concurrencia E/S-procesador

Objetivos del SO en E/S

● Controlar el funcionamiento de los dispositivos de E/S
● Facilitar el manejo de los dispositivos de E/S a través de interfaces
● Proporcionar mecanismos de protección
● Explotar la concurrencia E/S-procesador

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CONCEPTO DE SISTEMA DE FICHEROS

FICHERO Y SISTEMA DE FICHEROS

© UPM 2015

Fichero. Cónjunto de informaciones relacionadas que se almacenan en
almacenamiento secundario y que se identifica mediante un nombre.
Sistema de ficheros. Conjunto autónomo de informaciones incluidas en una
unidad de almacenamiento (partición o volumen) que permiten su
explotación. Se compone de:

● Información neta: Ficheros de usuario (programas y datos).
● Metainformación

• Estructura física de los ficheros.
• Información asociada a los ficheros.
• Directorios.

Boot

Boot

Dos copias
de la FAT

Directorio

Raíz

Ficheros de usuario y Directorios

Sist. fich. FAT

Super
Bloque

Mapas
de bits

nodos-i

Ficheros de usuario y Directorios

Sist. Fich. UNIX

Disco

Boot
FAT o nodos-i
Bloques asignados a los directorios
Bloques asignados a ficheros de usuario

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SERVIDOR DE FICHEROS

© UPM 2015

Servidor de Ficheros: capa de software entre dispositivos y usuarios que:

● Suministra una visión lógica uniforme de los dispositivos, presentándolos

como ficheros

● Ofrece primitivas de acceso cómodas e independientes de los detalles

físicos

● Incorpora mecanismos de protección

El servidor de ficheros permite manejar los siguientes tipos de objetos:

● Ficheros de usuario (datos y programas)
● Ficheros especiales : Orientado a carácter (ej. terminal)

Orientado a bloque (ej. disco)

● Mecanismos de comunicación con y sin nombre

• Pipe, FIFO, socket UNIX

Servidor de ficheros

Term

Disco

Cinta

Pipe

FIFO

Socket

...

Otros

S.F.
Disco

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FICHEROS

ESTRUCTURA LÓGICA Y FÍSICA DE UN FICHERO

© UPM 2015

● Estructura lógica del fichero. Secuencia ordenada de bytes con un

puntero que indica la posición a partir de la cual se lee o escribe.

• Sobre esta cadena de bytes se pueden montar otras estructuras: por

ejemplo, conjunto de registros.

● Estructura física del fichero. Secuencia ordenada de agrupaciones

Visión lógica
Bytes
Visión física
Agrupaciones:

Agrupaciones:

7
24
72
32

Posición

Bytes libres

Disco

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VISIÓN FÍSICA DE UN FICHERO

© UPM 2015

- Única para cada sistema de ficheros y definible por el usuario
- El bloque se puede direccionar de manera independiente

Sector: Unidad mínima de transferencia que puede manejar el controlador de
disco (2m bytes, normalmente 29)
Bloque: Es un conjunto de sectores de disco y es la unidad de transferencia
mínima que usa el sistema de ficheros (bloque = 2n sectores)


Agrupación: Conjunto de bloques que se utilizan como una unidad lógica de
gestión de almacenamiento (agrupación = 2p bloques).

Al fichero se le asignan agrupaciones, pero se accede siempre en bloques
En algunos sistemas Bloque = Agrupación

- Reserva espacio

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IDENTIFICADOR DE DESCRIPCIÓN FÍSICA DE FICHERO (IDFF)

© UPM 2015

IDFF. Estructura de información que recoge la descripción física del fichero

● Secuencia ordenada de agrupaciones + ATRIBUTOS
● Almacenada en el propio disco
● FAT en MS-DOS
● Registro MFT (Master File Table) de NTFS (New Technology File System)

Microsoft

● Nodo-i en UNIX

IDFF

Atributos

Agrupaciones

Tipo
UID,GID
Tamaño
rwx .....
7
24
72
32

Disco

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CARACTERÍSTICAS DE LOS FICHEROS

© UPM 2015

Atributos de un fichero

● Identificador único del fichero
● Tipo de fichero
● Dueño y grupo
● Información de protección
● Tamaño real en bytes
● Hora y fecha de creación
● Hora y fecha del último acceso
● Hora y fecha de la última modificación
● Número de enlaces (número de nombres)

Tamaño máximo de un fichero

● Depende de las limitaciones establecidas por:

• La metainformación (Atributo tamaño real, direccionamiento de las

agrupaciones –tamaño direcciones y nº de direcciones–)

• Las agrupaciones de datos disponibles (agrupaciones existentes en

disco o cuotas establecidas por el administrador)

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NODO_I

© UPM 2015

● Tamaño típico 128 B. Punteros de 4B.

Tipo de archivo y Protección
Enlaces (número de Nombres)

PID propietario
GID propietario
Tamaño en bytes
Instante de creación

Instante del último acceso

Instante de la última modificación
Puntero a Agrupación de datos 0
Puntero a Agrupación de datos 1

Nodo-i de UNIX

i

s
e
n
o
c
a
p
u
r
g
A

i

s
e
n
o
c
a
p
u
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g
A

i

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A

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n
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p
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r
g
A

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s
e
n
o
c
a
p
u
r
g
A

i

s
e
n
o
c
a
p
u
r
g
A

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Puntero a Agrupación de datos 9

Puntero indirecto simple
Puntero indirecto doble
Puntero indirecto triple

FICHEROS

Asignación de espacio al fichero

© UPM 2015

● Se hace por agrupaciones.
● El fichero puede quedar disperso o fragmentado. Sus agrupaciones no

tienen por qué ser contiguas.

• Objetivo de la desfragmentación: mejorar el acceso secuencial.
• SSD no se desfragmentan.

Gestión del espacio libre

● Agrupaciones libres/ocupadas.
● IDFF (p.e. nodos-i) libres/ocupados.
● (mapas de bits)

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DIRECTORIOS

DIRECTORIOS
Estructura lógica: Esquema jerárquico de nombres:

© UPM 2015

● Directorio raíz.
● Subdirectorios.

Directorio raíz
Prog

Doc

oeit

Roect

Identificador de directorio
Identificador de fichero

Eocir

Peoti Mite

Voit

outr

viut

Xeot Mmrot

Peur

Quit

Zeot

Huyt

Buit

Toiy

Jert

Cart

Cort

Autn

Wiot

Yuit

Voit

Toiy

● Ejemplo UNIX: /usr/include/stdio.h
● Ejemplo Windows: C:\DocenciaSO\sos2\transparencias\pipes.ppt

Directorio único versus directorio por dispositivo. Operación de montado

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ESTRUCTURA LÓGICA DE LOS DIRECTORIOS

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● Un directorio es una tabla con entradas que asocian nombres simbólicos

con identificadores de fichero (nº IDFF / nº nodo_i)
● La tabla directorio suele incluir el propio directorio . y el padre ..
● Esquema jerárquico. La organización jerárquica de un directorio:

• Simplifica el nombrado de ficheros (nombres únicos)
• Proporciona una gestión de la distribución => agrupar ficheros de

forma lógica (mismo usuario, misma aplicación)

● Cuando se abre un fichero el SO busca el nombre en la estructura de

directorios y comprueba los privilegios. Es una operación larga y costosa

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DIRECTORIO DE TRABAJO O ACTUAL

© UPM 2015

● El SO mantiene en el BCP el nombre del directorio actual o de trabajo
● El SO mantiene en memoria el nodo_i del directorio de trabajo
● Un proceso puede cambiar su directorio de trabajo
• El SO comprueba los permisos antes del cambio

● Nobre absoluto

• Es el nombre desde el directorio raíz
• Empieza por / en UNIX o por la unidad en Windows

● Nombre relativo

• Es el nombre a partir del directorio de trabajo
• Ahorro de accesos a disco

– Se parte del nodo_i del directorio de trabajo
– Se requieren menos accesos a disco para analizar el nombre relativo

que el nombre absoluto

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NOMBRADO DE FICHEROS Y DIRECTORIOS

© UPM 2015

Nombres de fichero y directorio POSIX:

● Nombre completo (empieza por /)
/usr/include/stdio.h
● Nombre relativo al directorio actual o de trabajo (no empieza por /)
stdio.h asumiendo que /usr/include es el directorio actual.
● La entradas . (propio directorio) y .. (directorio padre) pueden utilizarse
para formar rutas de acceso
../include/stdio.h
./../include/stdio.h
/usr/./include/../include/stdio.h
Estos tres ficheros hacen referencia a stdio.h si /usr/include es el
directorio actual

● Árbol único (los dispositivos se montan en un punto del árbol)

Nombres de fichero y directorio Windows:

● En lugar de utilizar /, se utiliza \
● Entradas . (propio directorio) y .. (directorio padre)
● Varios árboles (uno por sistema de ficheros). NTFS permite montado

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ESTRUCTURA FÍSICA DE LOS DIRECTORIOS
Estructura física: Tabla Nombre-IDFF. (En UNIX es tabla Nombre-nºNodo_i)
IDFF: identificador de descripción física de fichero. Permite obtener la tabla que
describe el fichero (en UNIX es el nodo-i).
Para alcanzar el IDFF (nodo_i en UNIX) de un fichero hay que recorrer el árbol.

© UPM 2015

IDFF raíz

Directorio raíz
.
2
..
2
Doc
34
567
oeit
Prog
48
120
Roect
Nombre IDFF

Directorio
Fichero usuario

Directorio Doc

.
..
Mite
Peoti
Eocir
Directorio Prog

34
2

746
28

.
..
outr
viut
Voit

48
2
24
764
42

Directorio Mite

.
..
Peur
Quit
Zeot
Huyt

14
34
235
67
248
145

Directorio Voit

.
..
..
Buit
Toiy
Jert

42
48
774
8
25

Directorio Buit
774
42
333
548
845

.
..
Autn
Wiot
Yuit

Boot

Super
Bloque

Mapas
de bits

nodos-i

Ficheros de usuario y

Directorios

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SERVICIOS DEL SERVIDOR DE FICHEROS

VIDA DEL FICHERO

● Se crea.

• Se abre → se obtiene un fd (descriptor de fichero).

– Se escribe y lee a través del fd.

• Se cierra.

● Se borra.

© UPM 2015

● Para trabajar con un fichero hay que definir una sesión con las llamadas