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Gestión de E/S

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Introducción El corazón de una computadora lo constituye la CPU Pero n o serviría de nada sin : -D ispositivos de almacenamiento secundario (discos, cintas, etc.). D ispositivos periféricos, que le permitan interactuar con el usuario: G eneralmente están fuera de la computadora y se conectan a ella mediante cables . S on los teclados, ratones, micrófonos, cámaras y cualquier otro dispositivo de E/S que se le ocurra conectar a una computadora.

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Dispositivos de E/S Los dispositivos que tienen que hacer E/S con los computadores se clasifican en 3 categorías: 1) Dispositivos legibles por el humano: teclado, pantalla, impresora, mouse 2) Dispositivos legibles por la máquina: discos, unid. De cinta, controlador, etc. 3) Dispositivos de comunicaciones: módem, Tarjeta de Red, etc.

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... Otra manera de ver los tipos de dispositivos de E/S es: – Dispositivos de bloques • Almacenan la información en bloques de tamaño fijo • Cada bloque tiene su propia dirección (nº de bloque) • Es posible leer/escribir cada bloque independientemente • Ejemplo: discos. – Dispositivos de caracteres • Aceptan o envían flujos de caracteres • No son direccionables • Ejemplo: impresoras.

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El problema a) Los procesos hacen un uso extensivo de E/S b) Cada dispositivo de E/S tiene su propia idiosincrasia c) Los dispositivos necesitan ayuda del núcleo d) Diferentes velocidades CPU ejecuta operaciones a 1 GHz o más (nanosegundos) RAM: acceso de nanosegundos. Dispositivos de E/S: acceso de milisegundos o más. Esta diferencia y el deseo de aplicaciones interactivas hace que la E/S sea el cuello de botella. Los sistemas operativos se esfuerzan para optimizar la E/S.

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... Velocidades de datos de dispositivos

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Funciones del SO para la gestión de dispositivos – Enviar comandos a los dispositivos. – Capturar interrupciones. – Tratar errores. – Proporcionar un interfaz entre los dispositivos y el resto del sistema operativo: • Simple. • Fácil de utilizar. • Idéntico para todos los dispositivos.

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A pesar de la inmensa variedad de dispositivos de entrada/salida, tan solo se requieren unos cuantos conceptos para entender como están conectados y como se pueden controlar mediante programas. Puerto: Es el punto físico de conexión de un dispositivo al sistema. Bus: Conjunto de cables que son compartidos por un conjunto de ports para transmitir información. El manejo de este bus esta definido de forma estricta mediante un protocolo. Controlador: Conjunto de circuitos que operan sobre un bus, un puerto o un dispositivo.

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Estructura de un PC

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Präsentation Conexión entre periféricos y CPU Inicialmente el procesador controlaba directamente los dispositivos de E/S. Para aislar al procesador de los detalles específicos del dispositivo se realiza una conexión indirecta a través de: Controladoras Canales

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Controladoras Las unidades de E/S suelen constar de un componente mecánico (el propio del dispositivo) y uno electrónico (controladora ó adaptador de dispositivo). La CPU se conecta a través de esta controladora al dispositivo. Una controladora puede servir para varios dispositivos del mismo tipo. La interfaz entre la controladora y el dispositivo es estándar como: IDE (Integrated Device Electronics), SCSI( Small Computer System Interface), USB (Universal Serial Bus) y otros. Funciones: Almacenar el estado del dispositivo. Controlar el dispositivo. Convertir el flujo de bits en una serie de bloques de bytes y realizar la corrección de errores necesaria.

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Canales Otra forma de conexión es a través de canales de E/S, que consiste en un Procesador especifico para operaciones de E/S. La evolución de estos procesadores han llevado a que tengan su propia memoria, Se habla ahora de procesadores de E/S (Ej: Familia IOP de Intel). El canal pretende tratar el dispositivo como abstracto ó virtual. Se maneja mediante ordenes especializadas. Una vez terminada la acción el Canal devuelve el estado del dispositivo a la vez que interrumpe el procesador Central.

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Los canales pueden ser: Selectores: Permiten manejar varios dispositivos pero solo uno en cada momento, Generalmente es usado con dispositivos rápidos.

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Multiplexores: Trabajan con varios dispositivos pudiendo transferir datos de todos simultáneamente. Esta relacionado con dispositivos lentos como el teclado o la impresora.

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Control de E/S ¿Cómo conoce el HW y el SO que una operación de E/S ha acabado? Existen tres técnicas para realizar la E/S: E/S programada E/S dirigida por interrupciones E/S por acceso directo a la memoria (DMA)

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E/S programada: Inicialmente el procesador controlaba directamente los dispositivos periféricos. Luego se añade una controladora del dispositivo de E/S. La CPU utiliza E/S programada. El dispositivo E/S realiza la acción (no la CPU) colocando los bits necesarios en sus registros de status. La CPU chequea los bits de status continuamente. Este comportamiento se conoce como sondeo (polling) ó espera activa (la CPU esta ocupada hasta que acaba La operación de E/S). No hay interrupciones.

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E/S dirigida por interrupciones: Son un mecanismo asistido por HW para Sincronizar el procesador con los procesos Asincronos. La CPU es interrumpida cuando el dispositivo E/S está listo para intercambiar datos. La CPU está libre entre la solicitud de datos e interrupción. No hay necesidad de esperar. Consume mucha CPU ya que cada byte leído/escrito pasa por la CPU desde/hacia la memoria.

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Una interrupción ó petición IRQ (Interrupt Request) es una señal que se origina en un dispositivo HW para indicar al procesador que algo requiere su asistencia.

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E/S con acceso directo a memoria (DMA): Transfiere un bloque de datos directamente hacia/desde la memoria sin usar CPU Se envía una interrupción cuando los datos fueron transferidos La CPU sólo participa al inicio y al final de la acción

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DMA ( Direct Memory Access ): Para evitar que la CPU sea la encargada de transferir datos entre la memoria y el periférico se usa el DMA. La técnica de Acceso Directo a Memoria (DMA) requiere un módulo adicional conectado al bus del sistema: El controlador de DMA que es capaz de hacer las funciones asignadas a la CPU y asumir el control del sistema El controlador de DMA contiene: ◆ Registro de Datos ◆ Registro de Direcciones ◆ Registro contador de palabras ◆ Unidad de control del DMA

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Estos registros permiten al controlador de DMA transferir datos desde (o hacia) una zona contigua de memoria: El registro de dirección ◆ Almacena la dirección de la siguiente palabra a transmitir ◆ Se incrementa de forma automática después de cada transferencia El registro contador de palabras ◆ Almacena el número de palabras que quedan por enviar ◆ Se decrementa automáticamente después de cada transferencia

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La unidad de control del DMA ◆ Comprueba si el contenido del registro contador es 0 ◆ Cuando alcanza este valor para la transferencia, envía una señal de interrupción a la CPU para indicarle que la transferencia a finalizado Cuando la CPU desea leer o escribir un bloque de datos emite una orden al controlador de DMA enviándole la siguiente información: ◆ Si la operación es de lectura o escritura ◆ La dirección del periférico ◆ La posición de comienzo de memoria de donde hay que leer o donde hay que escribir ◆ El número de palabras que se tienen que leer o escribir

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A partir de este momento la CPU continúa realizando otra tarea. La CPU ha delegado esta operación de E/S en el controlador de DMA y es este módulo quien se encargará de ella. El controlador de DMA transfiere directamente, palabra a palabra, el bloque completo de datos entre el periférico y la memoria, sin pasar par la CPU. Cuando la transferencia finaliza el controlador de DMA envía una señal de interrupción a la CPU. De esta forma la CPU únicamente participa al comienzo y al final de la transferencia

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El controlador de DMA necesita tener el control del bus para poder transferir datos hacia (o desde) la memoria: ◆ Por ráfagas ◆ Por robo de ciclos ◆ DMA transparente ◆ Por demanda ◆ Dato a dato Cuando el controlador de DMA está preparado para transmitir o recibir datos, activa la línea de petición de DMA a la CPU. La CPU espera en el siguiente punto de ruptura del DMA, renuncia al control de los buses de datos y direcciones y activa la línea de reconocimiento de DMA

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ASPECTOS DE DISEÑO DEL SISTEMA OPERATIVO OBJETIVOS del diseño de la E/S: 1) Eficiencia: Reducir al máximo el tiempo de las operaciones de E /S, y evitar cuello de botella. Solución principal : Paralelización de las operaciones de E /S con las operaciones de la CPU (multiproceso)

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... 2) Generalidad: Uniformidad en el trato de dispositivos distintos: a) en la interfaz entre el proceso y los dispositivos b) en la gestión entre el Sistema Operativo y los dispositivos. Solución principal : Enfoque Modular y jerárquico en el diseño de funciones de E/S. Modularidad . Distribuir las funciones en capas organizadas jer árquicamente (niveles). Los niveles coinciden con los requisitos de tiempos de respuesta requeridos. Niveles bajos atienden a eventos rápidos (hardware), mientras los niveles altos atienden a eventos o solicitudes menos críticas (comunicación con el usuario).

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... Hay tres configuraciones principales, que corresponden a: 1. Comunicación con un dispositivo periférico local 2. Dispositivo de comunicaciones 3. Dispositivo de almacenamiento secundario

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Procesos de Usuario E /S l ógica E /S con dispositivos Planificación y Control Hardware 1) Comunicación con un dispositivo periférico local, Los niveles son: Trata al dispositivo como un recurso lógico, sin preocuparse de los detalles de control del dispositivo particular. Se ocupa de la gestión de funciones generales de E/S pedidas por los procesos de usuario, proporciona identificadores y operaciones de: lectura, escritura, apertura y cierre. Convierte las operaciones pedidas y datos en secuencias de instrucciones de E /S , comandos para el canal y ordenes al controlador. Este nivel maneja la planificación, encolado y control de las operaciones de E /S; además del m anejo de interrupciones. Se encarga de realizar la comunicación con el hardware.

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Procesos de Usuario Arquitectura de Comunicaciones E /S con dispositivos Planificación y Control Hardware 2) Dispositivo de comunicaciones Es muy parecida a la anterior. La diferencia principal es que el nivel de E/S lógica se reemplaza por una arquitectura de comunicaciones, que a su vez puede constar de varios niveles. Ej. OSI, arquitectura de interconexión de sistemas abiertos (7 niveles)

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Procesos de Usuario Gestión de directorios Sistema de Archivos Organización Física E /S con dispositivos Planificación y Control Hardware 3) Sistema de Almacenamiento secundario Traducción de nombres de los archivos a identificadores que referencian al file. Operaciones que tienen que ver con la gestión de directorios: Añadir, Borrar, Reorganizar Estructura lógica de los archivos. Operaciones especificadas por el usuario: Abrir, Cerrar, Leer, Escribir. Gestión de derechos de acceso Conversión de “direcciones” l ógicas a direcciones físicas del almacenamiento secundario. Asignación de espacio en el almacenamiento secundario (disco) y principal (buffers)

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Almacenamiento Intermedio de E/S Para evitar carga a veces es conveniente llevar a cabo las transferencias de Entrada por adelantado a las peticiones y realizar transferencias de Salida un tiempo después de hacer la petición. Esta técnica se conoce con el nombre de almacenamiento intermedio (buffering).

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Buffer sencillo Cuando un proceso de usuario realiza una petición de E/S, el SO le asigna a la operación un buffer en la parte del sistema de la MP. Este método proporciona una mayor velocidad en comparación con la ausencia de almacenamiento intermedio en el sistema

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Buffer doble Se puede realizar una mejora del buffer sencillo asignando dos (2) buffers del sistema a cada operación. DE esta forma, un proceso puede transferir datos hacia (o desde) un buffer mientras que el SO vacía (o rellena) el otro.

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Buffer circular El esquema del buffer doble debería solucionar el flujo de datos entre un dispositivo de E/S y un proceso. Si preocupa el rendimiento de un proceso determinado, sería deseable que las operaciones de E/S fueran capaces de ir al ritmo del proceso. El buffer doble es inapropiado para ráfagas rápidas de E/S. Pero ello se mitiga usando más de 2 buffers.

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