PDF de programación - Tema 6 - Gestión de Entrada/Salida

Tema 6

Gestión de Entrada/Salida

Sistemas Operativos

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Índice

1. Arquitectura del sistema de E/S (Tanenbaum [C5.1.1, C5.2 y C5.3])
2. Discos (Tanenbaum [C5.4.1, C5.4.3 y C5.4.4])
3. Relojes (Tanenbaum [C5.5])
4. Terminales (Tanenbaum [C5.6 y C5.7])
5. E/S en Linux (Tanenbaum [C10.5.1, C10.5.3 y C10.5.4])
6. E/S en Windows 2000 (Tanenbaum [C11.6.1, C11.6.3 y C11.6.4])

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1. Arquitectura del sistema de E/S

Índice

1.1 Objetivos del software de E/S
1.2 Dispositivos de bloques y de caracteres
1.3 Estructura y componentes del sistema de E/S
1.4 Manejadores de interrupciones
1.5 Manejadores de dispositivos
1.6 Software de E/S independiente del dispositivo
1.7 Software de E/S en el espacio de usuario

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1.1 Objetivos del software de E/S

1. Independencia de dispositivo

– Se debe poder acceder a los dispositivos de E/S sin tener que

especificar previamente de qué tipo de dispositivo se trata

2. Nombres uniformes para los dispositivos

– El nombre de un fichero o dispositivo debe ser simplemente una
cadena o un entero, y no depender del dispositivo. Así todos los
ficheros y dispositivos se direccionan de un mismo modo: “con
un nombre de ruta”
3. Manejo de errores

– Deben manejarse tan cerca del hardware como sea posible
– Subsanar todos los errores posibles
– Comunicando los no subsanables a los procesos de usuario

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1.1 Objetivos del software de E/S (ii)

4. Conversión de transferencias asíncronas (controladas por interrupciones)

en síncronas (por bloqueo)
– Casi toda E/S física es asíncrona: la CPU inicia la transferencia y realiza otra

tarea hasta que llega una interrupción

– Sin embargo, es más sencillo escribir los programas si las operaciones de E/S

son bloqueantes

– El SO ha de hacer que las operaciones que son controladas por interrupciones

parezcan bloqueantes para el programador

5. Compartición de recursos

– Debe permitir la compartición de ciertos dispositivos (como los discos)
– Pero al mismo tiempo debe garantizar el uso exclusivo de otros (como las

impresoras)

6. Uso de buffers

– Debe proporcionar almacenamiento temporal en memoria para evitar pérdida de

datos (teclado) o acelerar dispositivos (discos)

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1.2 Dispositivos de bloques y de caracteres (I)

Dispositivos de bloques (discos)
– Almacenan información en bloques de tamaño fijo, cada uno con su

propia dirección

– Es posible leer o escribir cada bloque con independencia de todos los

demás

Dispositivos de caracteres (lo que no es disco)
– Suministra o acepta un flujo de caracteres sin estructurarlos en bloques
– No es direccionable ni tiene una operación de desplazamiento

Impresoras, teclados, interfaces de red, etc…

Otros, sin embargo, no son direccionables por bloques y tampoco
aceptan un flujo de caracteres

Relojes, pantallas mapeadas a memoria

La división es muy útil:
– Sist. Ficheros ⇒ disp. bloques ⇒ manejador ⇒ disp. Físico

se ocupa sólo de dispositivos abstractos de bloques

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1.2 Dispositivos de bloques y de caracteres (II)

Dispositivo

Tasa de datos

Teclado
Ratón
Modem de 56k
Canal telefónico
Líneas ISDN duales
Impresora láser
Escárner
Ethernet Clásico
USB
Cámara grabadora digital
Disco IDE
CD-ROM 40x
Ethernet rápida
Bus ISA
Disco EIDE (ATA-2)
Interfaz FireWire (IEEE
1394)
Monitor XGA
Red SONET OC-12
Disco SCSI Ultra 2
Ethernet Gigabit
Cinta Ultrium
Bus PCI
Tarjeta posterior Sun
Gigaplane XB

10 bytes/s
100 bytes/s
7 KB/s
8 KB/s
16 KB/s
100 KB/s
400 KB/s
1.25 MB/s
1.5 MB/s
4 MB/s
5 MB/s
6 MB/s
12.5 MB/s
16.7 MB/s
16.7 MB/s
50 MB/s

60 MB/s
78 MB/s
80 MB/s
125 MB/s
320 MB/s
528 MB/s
20 GB/s

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1.3 Estructura y componentes del software de E/S

El SW de E/S suele estar organizado en 4 capas, cada una con una función
bien definida y una interfaz clara con las capas adyacentes
1. Manejadores de interrupciones
2. Manejadores de dispositivos
3. Software de E/S independiente del dispositivo (SID)
4. Software de E/S en el espacio de usuario

Capa

Respuesta

de E/S

Funciones de E/S

Solicitud
de E/S

Procesos de usuario

Hace llamadas de E/S; da formato a la E/S; spooling

Software independiente

del dispositivo

Manejadores
de dispositivo

Manejadores

de interrupciones

Dar nombres, protección, bloqueos, uso de buffers, asignaciones

Inicializa los registros del dispositivo; comprueba el estado

Despierta al manejador al terminar la E/S

Hardware

Realiza la operación de E/S

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1.4 Manejadores de interrupciones (I)

Se deben ocultar al máximo en el S.O.
El proceso que solicita la operación se bloquea hasta
que termina la E/S
Cuando se presenta una interrupción el manejador de
interrupciones hace lo propio para manejarla. Después
avisa al manejador que le solicitó esa operación de E/S
El manejador despierta al proceso y prosigue su
ejecución
Así, el efecto real es que el proceso que antes estaba
bloqueado ahora ya puede ejecutarse

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1.4 Manejadores de interrupciones (II)

Incluso a la hora de implementar el SO interesa ocultar
las interrupciones (inevitables por molestas que sean)
– La mejor manera de ocultar las interrupciones es hacer que el
controlador que inicia una operación de E/S se bloquee hasta
que la E/S haya terminado y se presente la interrupción

– Dicho controlador puede bloquearse ejecutando down en un

semáforo, wait en una variable de condición, receive de un
mensaje, etc

– La subrutina de atención a interrupciones después de hacer su

trabajo (si realiza alguno) desbloqueará el controlador que la
generó ejecutando up sobre semáforo, signal variable de
condición, enviando un mensaje al controlador bloqueado etc…
– Este modelo funciona de forma óptima si los controladores se

estructuran como procesos del kernel, con sus propios estados,
pilas y contadores de programa

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1.5 Manejadores de dispositivos

Código que depende de los dispositivos, que sirve para controlarlos
El fabricante proporciona manejadores de su dispositivo para varios SO
Cada manejador controla un dispositivo, o una clase de dispositivos
Forma parte del núcleo del SO, necesita ejecutarse en modo núcleo para
acceder a los registros de la controladora del dispositivo
En sistemas Unix antiguos los manejadores se compilaban junto con el
kernel (se cambiaba poco de dispositivos y los usuarios estaban
familiarizados en compilar el kernel) en lugar de cargarlos de forma
dinámica a arrancar o en tiempo de ejecución
La mayoría de los SO definen una interfaz que todos los manejadores
deben soportar (cjto de procedimientos que el resto del SO puede invocar
para pedir a la controladora que realice algún trabajo)
Al solicitar la orden a realizar, el manejador puede ser que tenga que
esperar (bloqueándose hasta que se produzca una interrupción) o que la operación
termine sin retraso (el manejador no se bloquea)
Ha de ser reentrante ⇒⇒⇒⇒ durante su ejecución, debe considerar la
posibilidad de que se le invoque otra vez antes de terminar

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1.6 Software de E/S independiente de dispositivo

Hay software que no depende directamente del dispositivo
Dependiente versus independiente: ¿dónde está la frontera?
– Algunas funciones que podrían efectuarse con independencia del dispositivo en

realidad se ejecutan en el manejador por eficiencia o por otros motivos

Funciones:
1.
2. Asociación de nombres simbólicos de los dispositivos y el manejador correcto:

Interfaz uniforme del software a nivel de usuario

/dev/tty0 ⇒ nodo-i especial (id. tipo y dispositivo)
Interfaz uniforme para manejadores de dispositivo

3.
4. Protección de dispositivos ⇒ evitar que usuarios no autorizados accedan al

dispositivo

5. Tamaño de bloque independiente del dispositivo

•
•

Agrupar o dividir sectores para conseguir un tamaño único de bloque lógico
Las capas superiores pueden trabajar con dispositivos abstractos

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1.6 Software de E/S independiente de dispositivo (ii)

Funciones (continúa...)
6. Uso de buffers para almacenamiento temporal de los datos

•

Homogeneizan velocidades, se pueden recibir los datos de manera más rápida que la
velocidad que pueden salir

7. Asignación de espacio en los dispositivos de bloques

•

Realizar la gestión de la lista ligada o mapa de bits para administrar el espacio libre es
independiente del dispositivo

8. Arbitrio entre dispositivos de uso exclusivo

•

Examinar las solicitudes de uso de dispositivos y aceptarlas o rechazarlas, según el
dispositivo esté disponible o no

9.

Informe de errores
•

Los errores no resueltos por los manejadores deberán ser tratados por el SID, que
intentará solucionarlos, y si no puede, deberá informar de los mismos

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1.7 Software de E/S en espacio de usuario

Procedimientos de biblioteca
– La mayoría del software de E/S está en el núcleo
– Sin embargo, también hay procedimientos de biblioteca que se ejecutan

en modo usuario y que se encargan de realizar las llamadas al
sistema (ej. read, printf, etc.)

– Normalmente preparan el «entorno» adecuado y a continuación

realizan la llamada al sistema

Sistema de spooling
– Los dispositivos de uso exclusivo no se pueden dejar a cargo de

programas de usuario (problema: monopolización)

– El sistema de spooling es una forma de manejar dispositivos dedicados

en un sistema con multipogramación

– Hay un demonio y un directorio de spooling
– El demonio verifica periódicamente el directorio para saber si hay

trabajos pendientes

– Las impresoras se manejan de esta manera

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1.7 Software de E/S en espacio de usuario

printf en OSO

aplicación

kernel

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Índice

2. Discos

2.1 Hardware para discos. Estructura física
2.2 Planificación de los movimientos del brazo del disco
2.3 Manejo de errores
2.4 Discos en RAM
2.5 Fiabilidad y tolerancia a fallos. Sistemas RAID

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2.1 Hardware

Serie de platos que giran sobre un eje
(≈ 10.000rpm)

Conjunto de cabezas, una por cada
superficie del disco

Cabezas conectadas a un brazo móvil.
Determinan qué pistas conforman un
cilindro

Cada cilindro tiene tantas pistas como
cabezas haya

Las pistas se dividen en sectores

Las unid