PDF de programación - Bloque I: Principios de sistemas operativos

UNIVERSIDAD
DE CANTABRIA

Bloque I: Principios de sistemas
operativos
Tema 1. Principios básicos de los sistemas operativos
Tema 2. Concurrencia
Tema 3. Ficheros
Tema 4. Sincronización y programación dirigida por eventos
Tema 5. Planificación y despacho
Tema 6. Sistemas de tiempo real y sistemas empotrados
Tema 7. Gestión de memoria
Tema 8. Gestión de dispositivos de entrada-salida

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© Michael González, J. Javier Gutiérrez

19/ma/11

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Notas:

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Tema 8. Gestión de dispositivos de entrada-salida

• Características de los dispositivos de entrada/salida
• Entrada/salida por consulta
• Entrada/salida por interrupciones
• Entrada/salida por acceso directo a memoria
• Organización de manejadores de dispositivos (drivers) de entrada/salida
• Programación de manejadores de dispositivos de entrada/salida
• Implementación de drivers

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1. Características de los dispositivos
de entrada/salida
Los dispositivos de entrada/salida (I/O) forman junto con la CPU y
la memoria los elementos más importantes del computador
Uno de sus objetivos principales es la eficiencia en las
operaciones de entrada/salida, minimizando el trabajo a realizar
por la CPU
Las velocidades de los dispositivos de I/O son muy variadas:
• dispositivos lentos (p.e., ratón, teclado)
• dispositivos medios (p.e., impresora)
• dispositivos rápidos (p.e., red, disco)
Para acomodar las velocidades se usan circuitos de interfaz

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Interfaces de entrada/salida
Se encargan de la comunicación entre la CPU y el dispositivo

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Unidad de
Control

CPU

Regs.

ALU

Regs.

Circuito de
Interfaz de

I/O

Datos

Programa

Memoria

Dispositivo

de I/O

Líneas de control

Líneas de direcciones
Líneas de datos

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Conexión de las interfaces de
entrada/salida
Conexión mapeada en memoria
• el circuito de interfaz se conecta como si fuera memoria
• se accede a los registros leyendo o escribiendo una variable en

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una posición de memoria concreta

Conexión mediante puertos de entrada/salida
• el circuito de interfaz se conecta mediante líneas especiales
• se accede a los registros mediante instrucciones especiales (in,

out), especificando un número de puerto

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Tipos de entrada/salida
Entrada/salida por consulta o programada
• la CPU accede a los registros desde programa
• para saber si el dispositivo está listo, se hace una consulta

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periódica

Entrada/salida por interrupciones
• el dispositivo avisa a la CPU cuando está listo
• la entrada/salida se hace mediante una rutina de servicio de

interrupción

Entrada/salida por acceso directo a memoria
• el dispositivo accede directamente a la memoria
• avisa a la CPU del inicio o final de la operación

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2. Entrada/salida por consulta
La operación de I/O es controlada por la CPU
Antes de realizar la operación se comprueba el (los) registro(s) de
estado, para ver si el dispositivo está listo
Ventajas: sencillez
Desventajas:
• ritmo de transferencia limitado por la velocidad de la CPU
• tiempo de respuesta elevado, mayor que el periodo de consulta
• sobrecarga de la CPU para operaciones de consulta que podrían

evitarse

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3. Entrada/salida por interrupciones
Permite al dispositivo marcar el instante en que se hace la
transferencia de datos
El mecanismo de interrupción está presente en casi todos los
computadores

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IRQ

IRQ

Mask

CPU

Unidad
de control

Regs.

Circuito de
Interfaz de

I/O

IACK

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Identificación de la fuente de
interrupción

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CPU

CPU

IRQ

Por consulta

I/O-1

I/O-2

I/O-3

IRQ0
IRQ1
IRQ2

Por múltiples líneas

I/O-1

I/O-2

I/O-3

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Gestión de interrupciones
Las interrupciones se pueden enmascarar
• se utiliza para evitar la interrupción cuando se accede a datos

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compartidos con ella

Para cada interrupción se puede instalar una rutina de servicio de
interrupción
• al llegar la interrupción, el procesador interrumpe el programa

en ejecución y enmascara esa interrupción

• después ejecuta la rutina de servicio de interrupción
• al acabar, el procesador restaura el estado anterior y el

programa interrumpido continúa

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La rutina de servicio de interrupción
Estructura habitual
• Acceder al dispositivo causante de la interrupción y hacer que

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cese la petición de interrupción

• Si es necesario, acceder al controlador de interrupciones para

hacer lo mismo

• realizar la transferencia de datos
El modelo es el de una tarea concurrente más
• ejecuta a la máxima prioridad del sistema

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4. Entrada/salida por acceso directo a
memoria
El ritmo de transferencia es superior al de los otros métodos
El instante de I/O lo marca el dispositivo con interrupciones
Hay líneas para desconectar a la CPU de la memoria

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Memoria

CPU

DMA acknowledge

DMA request

IRQ

IACK

Regs.

Circuito de
Interfaz de

I/O

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Funcionamiento de la I/O directa
Registros del dispositivo:
• IODIR: Dirección de memoria para la operación de I/O
• CONT: Contador de número de bytes a transferir
Funcionamiento habitual:
• La CPU carga los valores en los registros del dispositivo
• El dispositivo solicita el uso de la memoria: DMA-request
• La CPU se lo concede: DMA-acknowledge
• El dispositivo transfiere los datos. Para cada uno, incrementa

IODIR y decrementa CONT

• Cuando CONT llega a 0 se devuelve el control de la memoria a la

CPU (DMA-request) y se envía una interrupción de aviso

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5. Organización de drivers de
entrada/salida
Un driver para un dispositivo es una interfaz entre el sistema
operativo y el hardware de ese dispositivo
Los drivers forman parte del núcleo y tienen acceso restringido a
estructuras del sistema operativo
El objetivo del driver es ofrecer un mecanismo de uso general, con
operaciones como:

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leer (read)

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

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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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Tipos de dispositivos y módulos
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
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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Módulos de Linux
Los drivers se implementan mediante módulos del núcleo:
• objetos software con una interfaz bien definida, que se cargan

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dinámicamente en el núcleo del sistema operativo

El módulo en Linux debe tener al menos dos operaciones:
• init_function: para instalarlo

- debe preparar el módulo para la posterior ejecución del resto de las

funciones o puntos de entrada del módulo

• cleanup_function: para desinstalarlo
- debe eliminar todo rastro del módulo

El código de un módulo sólo debe llamar a funciones incluidas en
el kernel y no en librerías, ya que el módulo se enlaza directamente
con el kernel.

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ción del módulo
tenemos un fichero.c
-

2. compilar el módulo

Módulos de Linux (cont.)
Los pasos para construir un