“Sub-sistema de Entada/Salida”

Presentación del tema: "“Sub-sistema de Entada/Salida”"— Transcripción de la presentación:

1 “Sub-sistema de Entada/Salida”
UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO DE SISTEMAS Unidad V: “Sub-sistema de Entada/Salida” Elaborado por: Prof. (a) Aimará Vargas Revisión y aportes de los profesores: Robiro Azuaje Yvan Gutierrez Niriaska Perozo Sistemas Operativos. Unidad V

2 Sub-Sistema de Entrada/Salida
Contenido Funciones Fundamentos de Hardware. Métodos de E/S Polling Interrupciones DMA Fundamentos de Software Planificación de E/S de disco Estructura de disco mecánico Algoritmos de planificación de acceso a disco Sistemas Operativos. Unidad V

3 Funciones Controlar todos los dispositivos de E/S de la computadora.
Proporcionar una interfaz sencilla y fácil de usar entre los dispositivos y el resto del sistema. Sistemas Operativos. Unidad V

4 Aspectos Fundamentos de Hardware. Fundamentos de Software.
Sistemas Operativos. Unidad V

5 Fundamentos de Hardware de E/S
(A) DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SALIDA Dispositivos de Bloques : * Almacenan información en bloques de tamaño fijo. * Cada bloque puede accesarse en forma independiente. * Un programa puede leer o escribir en cualquiera de los bloques. Ejemplo : DVDs, Disco Duro, CDs. Dispositivos de Carácter: * El dispositivo envía o recibe un flujo de caracteres, sin sujetarse a una estructura de bloques. Ejemplo : Terminales, Impresoras. Sistemas Operativos. Unidad V

6 Fundamentos de Hardware de E/S
(B) CONTROLADORES DE DISPOSITIVOS Mecánica : Dispositivo. Unidad de E/S Electrónica : Controlador ( Tarjeta). Interfaz --> Controlador de disco. Controlador de impresora. Otros Controladores. CPU Memoria Sistemas Operativos. Unidad V

7 (B) CONTROLADORES DE DISPOSITIVOS
Fundamentos de Hardware de E/S (B) CONTROLADORES DE DISPOSITIVOS Comunicación SO(driver) - Controladora: El driver escribe comandos (read, write, seek, ...) y parámetros a los registros de la controladora. Si el comando es aceptado: El CPU continúa con otro trabajo hasta que la controladora cause una interrupción. El CPU carga al SO para que pruebe los resultados y el estado del dispositivo. Sistemas Operativos. Unidad V

8 Métodos de E/S Polling. Interrupciones. Dma.
Sistemas Operativos. Unidad V

9 Métodos de E/S - Polling
Es la forma más sencilla de realizar operaciones de E/S. La sincronización se consigue al preguntarle la CPU (“poll” en inglés) al dispositivo si tiene un dato que entregar o, si es el caso, si está listo para recibir uno. Se pierde tiempo en preguntar al dispositivo (se pierde más cuanto más a menudo se le pregunte). Es lento, e incluso podrían perderse datos si no se le pregunta muy a menudo. Sistemas Operativos. Unidad V

10 Métodos de E/S - Interrupciones
El dispositivo avisa a la CPU que requiere atención mediante una Interrupción. Cuando llega la interrupción el S.O. salva el estado de lo que está haciendo. Trasfiere el control a la Rutina de Servicio de dicha interrupción. Ejecuta la Rutina de Servicio de dicha interrupción. Reanuda la ejecución donde fue interrumpida. Dichas rutinas están en memoria en unas direcciones apuntadas por los vectores de interrupción. Es el S.O., en su proceso de inicialización, el que instala dichas rutinas. Sistemas Operativos. Unidad V

11 Métodos de E/S Sistemas Operativos. Unidad V

12 Métodos de E/S - DMA Los métodos anteriores presentan los siguientes inconvenientes: La velocidad de transferencia está limitada a la velocidad a la que la CPU puede mover los datos. Mientras se realiza una transferencia la CPU no puede dedicarse a otra cosa. Estos problemas no tienen gran importancia con dispositivos lentos y con pocos datos que transferir, pero SI con dispositivos con mucho volumen de información, por ejemplo un disco duro. Solución: Controlador de DMA (“Direct Memory Access”, en inglés). Sistemas Operativos. Unidad V

13 Métodos de E/S - DMA El controlador de DMA se encarga de la transferencia directa de datos, sin intervención de la CPU. Suministra las señales de dirección y todas las señales de control del bus. La CPU debe suministrar al controlador de DMA el tipo de operación (lectura o escritura), dirección de transferencia de datos y cantidad de bytes a transferir. Cuando la transferencia se completa, el controlador de DMA avisa a la CPU por medio de una interrupción. El bus debe compartirse entre la CPU y el controlador de DMA. Sistemas Operativos. Unidad V

14 Métodos de E/S - DMA Por ejemplo para una lectura, el SO da al controlador: La dirección del bloque en disco a leer. La dirección de memoria donde irá el bloque. El número de bytes a transferir. Una vez construido el bloque de bytes, la controladora: Verifica el “checksum”. Si no hay error, copia el contenido del buffer en la memoria principal. Avisa al SO que terminó la transferencia a través de una interrupción. Sistemas Operativos. Unidad V

15 Fundamentos de Software de E/S Estructura
¿ Cómo puede una aplicación escribir en un disco sin saber de que clase de disco se trata? ¿Cómo podemos añadir un nuevo dispositivo sin perturbar el funcionamiento del computador? ABSTRACCIÓN + ENCAPSULAMIENTO + CAPAS Sistemas Operativos. Unidad V

16 Software Independiente del Dispositivo
Fundamentos de Software de E/S Estructura PROCESO DEL USUARIO Respuesta de E/S Requerimiento de E/S Software Independiente del Dispositivo Manejadores de Dispositivos Manejador de Interrupciones HARDWARE Sistemas Operativos. Unidad V

17 - Software a nivel de usuario
Fundamentos de Software de E/S Estructura - Software a nivel de usuario Permiten enlazar las funciones de E/S residentes en el Sistema Operativo con los programas de los usuarios. Sistemas Operativos. Unidad V

18 - Software Independiente del Dispositivo
Fundamentos de Software de E/S Estructura - Software Independiente del Dispositivo Ejecuta las funciones de entrada y salida que son comunes a todos los dispositivos. Funciones específicas: Proveer una interfaz uniforme para los manejadores de los dispositivos. Manejar nombres simbólicos de los dispositivos. Protección. Sistemas Operativos. Unidad V

19 - Software Independiente del Dispositivo
Fundamentos de Software de E/S Estructura - Software Independiente del Dispositivo Funciones específicas (cont.): Proveer un tamaño de bloque independiente del dispositivo. Uso de buffers. Asignación de espacio en los dispositivos por bloques. Asignación y liberación de los dispositivos dedicados o de uso exclusivo. Información de errores. Sistemas Operativos. Unidad V

20 - Driver o manejador del dispositivo
Fundamentos de Software de E/S Estructura - Driver o manejador del dispositivo Acepta peticiones abstractas desde el software independiente del dispositivo y vigila que el requerimiento sea ejecutado. El driver es quien conoce la estructura del dispositivo y los mecanismos que hacen que trabaje: conoce de sectores, cilindros y cabezales, entre otros. Sistemas Operativos. Unidad V

21 - Driver o manejador del dispositivo
Fundamentos de Software de E/S Estructura - Driver o manejador del dispositivo Funciones específicas: Traducir el requerimiento abstracto a un requerimiento concreto. Decidir cuáles operaciones del controlador son necesarias y en que secuencia. Escribir los comandos a los registros del controlador. Sistemas Operativos. Unidad V

22 - Manejadores de interrupciones
Fundamentos de Software de E/S Estructura - Manejadores de interrupciones Funciones: Determinar la fuente de la interrupción. Servir a la interrupción (vector de interrupciones). Bloquear los procesos de usuario y luego, desbloquearlos una vez que sus solicitudes son atendidas. Sistemas Operativos. Unidad V

23 Planificación de Entrada y Salida de Disco
Sistemas Operativos. Unidad V

24 Disco Mecánico - Estructura
Un disco esta formado por un conjunto de platos que giran solidariamente. Cada una de las superficies de dichos platos se denomina cara. Sistemas Operativos. Unidad V

25 Disco mecánico - Estructura
Cada cara esta compuesta por una serie de coronas circulares concéntricas denominada pista. Al conjunto formado por la misma pista en distintas caras se le denomina cilindro. Sistemas Operativos. Unidad V

26 Disco - Estructura Cada Cilindro está formado por una serie de factores Cada sector queda perfectamente especificado por sus tres coordenadas: cilindro cara y sector.(típicamente la numeración de las caras y cilindros comienza en 0 y la de los sectores en 1) Solo el manejador de dispositivo conoce las características físicas del disco. El S.O. trata el disco como una sucesión de bloques. La asignación de espacio (y la contabilidad del espacio libre) se hace por bloques, no por sectores Es la unidad elemental del DD Sistemas Operativos. Unidad V

27 Disco mecánico - Estructura
Solo el manejador de dispositivo conoce las características físicas del disco. El S.O. trata el disco como una sucesión de bloques. La asignación de espacio (y la contabilidad del espacio libre) se hace por bloques, no por sectores. Sistemas Operativos. Unidad V

28 E/S de Disco - Planificación
Objetivo: Maximizar el ancho de banda del disco y minimizar el tiempo de acceso para lograr un alto desempeño. Número total de bytes transferidos dividido por el tiempo total entre el primer requerimiento por servicio y la completación de la última transferencia. Sistemas Operativos. Unidad V

29 E/S de Disco - Planificación
Componentes principales del tiempo de acceso: Tiempo de Búsqueda: es el tiempo que se consume en mover el cabezal hasta el cilindro que contiene el sector deseado. Latencia Rotacional: es el tiempo gastado en la rotación del disco hasta que el sector deseado esté bajo el cabezal del disco. Sistemas Operativos. Unidad V

30 E/S de Disco - Planificación
Tiempo de Búsqueda  Distancia de Búsqueda Minimizar el Tiempo de Búsqueda Sistemas Operativos. Unidad V

31 E/S de Disco - Planificación
Algoritmos de planificación para servir requerimientos de E/S a disco: Se ilustrarán con la siguiente cola de requerimientos (cilindros: 0 al 199): 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. El cabezal apunta al cilindro 53. Sistemas Operativos. Unidad V

32 E/S de Disco - Planificación FCFS (“First Come –First Served”, en inglés)
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. El cabezal apunta al cilindro 53. Total = (98-53)+(183-98)+(183-37)+(122-37)+(122-14)+(124-14)+(124-65)+(67-65) = = 640 pistas recorridas. Sistemas Operativos. Unidad V

33 E/S de Disco - Planificación SSTF (“Shortest Seek Time First”, en inglés)
Selecciona el requerimiento con el menor tiempo de búsqueda desde la posición actual del cabezal. Es una forma de planificación SJF. Puede causar “starvation” de algunos requerimientos. Sistemas Operativos. Unidad V

34 E/S de Disco - Planificación SSTF
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. El cabezal apunta al cilindro 53. TOTAL = (65-53)+(67-65)+(67-37)+(37-14)+(98-14)+(122-98)+( )+( ) = = 236 pistas recorridas. Sistemas Operativos. Unidad V

35 E/S de Disco - Planificación SCAN
El brazo comienza en uno de los extremos del disco y se mueve hacia el otro extremo, sirviendo a los requerimientos en ese sentido, luego el movimiento es reversado y el servicio continúa. Llamado el Algoritmo del Elevador. Sistemas Operativos. Unidad V

36 E/S de Disco - Planificación SCAN
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. El cabezal apunta al cilindro 53. Total = (53-37)+(37-14)+(14-0)+(65-0)+(67-65)+(98-67)+(122-98)+( )+ ( )= = 236 pistas recorridas. Sistemas Operativos. Unidad V

37 E/S deDisco - Planificación C-SCAN
Provee un tiempo de espera más uniforme que SCAN. El cabezal se mueve sólo en un sentido, desde un extremo al otro, sirviendo los requerimientos a su paso. Luego retorna al comienzo del disco sin servir, tratando a los cilindros como una lista circular. Sistemas Operativos. Unidad V

38 E/S de Disco - Planificación C-SCAN
98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67. El cabezal apunta al cilindro 53. Total = (65-53)+(67-65)+(98-67)+(122-98)+( )+( )+( )+ (199-0)+(14-0)+(37-14) = = 382 pistas recorridas. Sistemas Operativos. Unidad V

39 E/S de Disco - Planificación LOOK y C-LOOK
Los dos algoritmos anteriormente descritos, teóricamente mueven el brazo del disco a través de todo el ancho del disco. En la práctica, ningún algoritmo se implementa de esta forma. Lo lógico es que el brazo sólo va hasta la solicitud final en cada dirección. Luego, invierte el sentido inmediatamente, sin recorrer todo el disco innecesariamente. Estas versiones prácticas de SCAN y C-SCAN se denominan LOOK y C-LOOK. Sistemas Operativos. Unidad V

40 Resumen de la unidad Los dispositivos de E/S se pueden clasificar en dos tipos ¿ Cuáles son? Para interactuar con el sistema, un dispositivo de E/S debe utilizar un método de acceso: Polling, Interrupciones, DMA. ¿Ventajas y desventajas de cada uno? Para comprender mejor los fundamentos de software de entrada salida, sus funciones se estructuran por capas ¿ cuáles son? El dispositivo de E/S con mayor carga en el sistema es el disco duro. ¿ Como es la estructura de un disco mecánico? Existen diversas políticas para la planificación de E/S de disco ¿ cuáles son? Sistemas Operativos. Unidad V