DISPOSITIVOS DE E/S IU Colegio Mayor del Cauca Sistemas operativos Popayán, mayo de 2015

Introducción Una de las funciones principales del Sistema Operativo corresponde al control de todos los dispositivos de entrada/salida: Sincronización Captura de Interrupciones Llamadas al Sistema Control de Errores Proporciona una interfaz que debe ser sencilla y facil de usar y en la medida de los posible ser independiente del dispositivo. 2

Hardware de E/S Básicamente son 4 los elementos que están relacionados con la conexión de los dispositivos al Computador: Puntos de Conexión (Puertos). Buses Controladores Dispositivos 3

Hardware de E/S 4 Monitor Procesador Controlador De Gráficos Controlador De Memoria Caché Memoria Controlador De Disco Disco Interfaz Bus Expansión TecladoPuerto Serial Puerto Paralelo Controlador SCSI Disco Bus PCI Bus Expansión

Hardware de E/S Existen varios mecanismos que permiten la comunicación de los dispositivos de E/S con la CPU: Escrutinio (Polling). A través de Interrupciones Acceso Directo a Memoria (DMA) 5

Escrutinio (Polling) Se comprueba cíclicamente mediante instrucciones del programa los registros de estado de los dispositivos. El protocolo es establecido con una noción básica de saludo (Handshaking). 1. La CPU espera hasta que el controlador pone su bit ocupado en La CPU enciende el bit de escritura y escribe un byte en el registro de salida de datos (Si la operación es de salida). 3. La CPU enciende el bit de orden lista. 6

Escrutinio (Polling) 4. El controlador percibe la orden lista y pone su bit ocupado en encendido (1). 5. El controlador lee el registro de orden y ve que la orden es escribir, luego lee el registro de salida de datos para obtener el byte y realiza la E/S con el dispositivo. 6. El controlador apaga el bit de orden lista, borra el bit de error del registro de situación para indicar que la E/S con el dispositivo se realizó con éxito y apaga el bit de ocupado para indicar que ya terminó. Este ciclo se repite para cada byte a trasmitir. 7

Escrutinio (Polling) Este mecanismo de comunicación presenta un problema: La CPU tiene que esperar un tiempo considerable a que el controlador esté listo para trasmitir o recibir datos. Existe una forma más eficiente de comunicación y es a través de interrupciones. 8

Interrupciones de E/S Este mecanismo permite al Controlador del dispositivo notificar a la CPU cuando el dispositivo está listo para recibir el servicio (trasmitir o recibir información). Dicha notificación la implementa por medio del IRQ (Solicitud de Interrupción) el cual la CPU inspecciona después de cada instrucción. El siguiente gráfico ilustra el proceso: 9

Interrupciones de E/S 10 El driver del dispositivo inicia E/S La CPU recibe la interrupción, transfiere el control al manejador de interrupción El manejador de interrupción procesa datos, regresa de la interrupción La CPU reanuda el procesamiento de la tarea interrumpida Inicia E/S Entrada/Salida Lista, Finalizada o Error Genera señal de la Interrupción La CPU en ejecución verifica si hay interrupciones entre una y otra instrucción CPUControlador E/S

Interrupciones de E/S Hay varios aspectos que se deben tener en cuenta con el manejo de interrupciones: Capacidad de Postergar Despacho sin escrutamiento de Dispositivo Interrupciones con diferentes Prioridades Dos Tipos de Interrupciones: No Enmascarables Enmascarables 11

Acceso Directo a Memoria (DMA) El DMA es un mecanismo que permite realizar intercambio de datos entre la memoria y los dispositivos con la mínima intervención del procesador. 12 Caché Memoria Controlador De Disco Disco Controlador de DMA/bus/interrupciones Bus PCI Bus Expansión CPU buffer

Interfaz de E/S de las Aplicaciones Las interfaces de E/S son aquellas que permiten tratar los dispositivos de E/S de una forma uniforme y estandarizada. Este concepto se basa en tres elementos de la Ingeniería de Software: Abstracción Encapsulamiento Estructuración 13 Núcleo Subsistema de E/S del Núcleo Driver del Teclado Controlador del Teclado Teclado Driver del Bus PCI Controlador del BUS PCI BUS PCI

Interfaz de E/S de las Aplicaciones AspectoVariación Modo de transferencia Por Caracteres Por Bloques Método de acceso Secuencial Aleatorio Planificación de Transferencia Sincrónica Asincrónica Compartir Dedicado Compartible Velocidad del Dispositivo Latencia, Tiempo de Busqueda Tasa de Transferencia, Retardo Dirección de E/S Sólo Lectura Sólo Escritura Lectura - Escritura 14 En lo que respecta a las aplicaciones, el sistema operativo oculta muchas de las diferencias mencionadas en esta tabla.

Servicios del SO para E/S El núcleo del sistema operativo cuenta con un conjunto de servicios que mejoran la eficiencia del computador respecto a E/S, entre estos servicios están: Planificación Almacenamiento Temporal Manejo de Errores Estructuras de Datos 15

Planificación Planificar un conjunto de solicitudes es determinar un buen orden de ejecución. La planificación puede mejorar el desempeño global del sistema a través de: – Repartir equitativamente el acceso a los procesos – Reducir el tiempo de espera promedio de las operaciones de E/S. La reorganización en el orden de servicio es la esencia de la planificación. 16

Almacenamiento Temporal El uso de almacenamiento temporal para mejorar el desempeño del sistema es una estrategia utilizada ampliamente, y en diversas partes del sistema. Para E/S se distinguen tres clases: Buffers Cachés Spool 17

Buffers Es un área de memoria en la que se almacenan datos mientras se transfieren entre dos dispositivos, o entre un dispositivo y una aplicación. Hay tres razones para el uso de buffers: – Diferencia de velocidades entre productor y consumidor – Diferencia de tamaño de transferencia de datos – Consistencia en el copiado de datos 18

Cachés Es una región de memoria rápida que contiene copias de datos. El acceso a caché es mas eficiente que el acceso al almacenamiento original. La diferencia entre un buffer y un caché es que un buffer podría contener la única copia existente de un elemento de información, mientras que un caché, por definición, sólo contiene una copia de almacenamiento más rápido de un elemento que existe en otra parte. Hay ocasiones en que una región de memoria se utiliza para ambos fines. 19

Spool Es un buffer que contiene salidas para un dispositivo que no puede aceptar corrientes de datos intercaladas. A través de un spool se manejan solicitudes concurrentes de aplicaciones hacia dispositivos que sólo pueden manejar una solicitud al tiempo. No es la única manera de manejar acceso concurrente a un dispositivo de este tipo. 20

Manejo de Errores Por regla general, una llamada E/S devuelve un bit de información sobre el estado de la llamada (éxito o fracaso). El nivel de detalle, los códigos y los formatos de error utilizados varía de un sistema operativo a otro, y también en la medida en que se lo permita cada dispositivo. 21

Estructuras de Datos para E/S El núcleo del sistema operativo necesita mantener información de estado sobre el uso que se le da a los dispositivos. La información sobre el uso de los dispositivos es almacenada en diversas estructuras de datos internas como tablas para archivos abiertos, para conexiones de red, etc. Para el mantener la generalidad y facilitar el encapsulamiento son utilizadas técnicas OO 22