Sistemas de Arquivos. Arquivos Diretórios Implementação do sistema de arquivos Gerenciamento de espaço em disco

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1 Sistemas de Arquivos Arquivos Diretórios Implementação do sistema de arquivos Gerenciamento de espaço em disco

2 Armazenamento da Informação a Longo Prazo 1. Deve ser possível armazenar uma quantidade muito grande de informação 2. A informação deve sobreviver ao término do processo que a usa persistência 3. Múltiplos processos devem ser capazes de acessar a informação concorrentemente compartilhamento

3 Estrutura de Arquivos Três tipos de arquivos a) seqüência de bytes b) seqüência de registros c) árvore

4 Tipos de Arquivos Identifica arquivo como executável Endereço no qual a execução deve iniciar A seguir... Para uso na memória Para depuração (a) Um arquivo executável (b) Um repositório (archive)

5 Atributos (flags) de Arquivos para quando registro é consultado usando uma chave

6 Acesso aos Arquivos Acesso sequencial conveniente quando o meio era a fita magnética Acesso aleatório essencial para sistemas de bases de dados

7 Operações com Arquivos Create Delete Open Close Read Write Append Seek: ponteiro para acesso aleatório Get attributes Set Attributes Rename

8 Sistemas de Diretórios Hierárquicos

9 Nomes de Caminhos (pathnames) Uma árvore de diretórios UNIX

10 Operações com Diretórios Create Delete Opendir Closedir Readdir Rename Link Unlink

11 Implementação do Sistema de Arquivos Master Boot Record: Registro Principal do Boot, usado para iniciar o computador Principais parâmetros do sistema de arquivo ex. tipo do sistema de arquivos, número de blocos do sistema Estrutura de dados com informações sobre um arquivo, sendo um i-node por arquivo Um possível layout de sistema de arquivo

12 Implementação de Arquivos (1) (a) Alocação contígua do espaço em disco para 7 arquivos (b) Estado do disco depois dos arquivos D e E terem sido removidos

13 Implementação de Arquivos (2) Término de A Armazenamento de um arquivo como uma lista encadeada de blocos de disco Término de B

14 Implementação de Arquivos (3) Um exemplo de i-node

15 Implementação de Diretórios (a) Um diretório simples entradas de tamanho fixo endereços de disco e atributos na entrada de diretório (b) Diretório no qual cada entrada se refere apenas a um i-node

16 Arquivos Compartilhados (1)

17 Arquivos Compartilhados (2) (a) Situação antes da ligação (b) Depois de a ligação ser criada (c) Depois de o proprietário (C) remover o arquivo (i-node deixado intacto para evitar erro, já que B não é o proprietário e continua na conta de alocação de C )

18 Gerenciamento do Espaço em Disco Considerações relevantes: Tamanho do bloco: eficiência Monitoramento de blocos livres (ex. mapas de bits) Cotas de usuários

19 Entrada/Saída

20 Tópicos Princípios do hardware de E/S Princípios do software de E/S Camadas do software de E/S Relógios Gerenciamento de energia

21 Princípios do Hardware de E/S Diversidade de dispositivos Características de dispositivos Arquitetura de E/S

22 A Importância de E/S Tipos de processo: a) orientado à CPU (CPU-bound) b) orientado à E/S (I/O-bound)

23 Diversidade de dispositivos Taxas de dados típicas de dispositivos, redes e barramentos

24 Características de dispositivos Caracter: transferem bytes um a um. Ex.terminal Bloco: transferem bytes em bloco. Ex. disco Sequencial: acesso em ordem fixa. Ex. modem Acesso randômico: ordem pode ser alterada. Ex CD-ROM Síncrono: tempo de resposta previsível. Ex. fita Assíncrono: tempo de resposta imprevisível. Ex. teclado Compartilhável: pode ser usado por vários processos ao mesmo tempo. Ex. teclado Dedicado: só pode ser usado por um processo por vez. Ex. Impressora Read-write, read only e write-only: disco, cdrom, vídeo

25 Características de dispositivos Caracter: transferem bytes um a um. Ex.terminal Bloco: transferem bytes em bloco. Ex. disco Sequencial: acesso em ordem fixa. Ex. modem Acesso randômico: ordem pode ser alterada. Ex CD-ROM Síncrono: tempo de resposta previsível. Ex. fita Assíncrono: tempo de resposta imprevisível. Ex. teclado Compartilhável: pode ser usado por vários processos ao mesmo tempo. Ex. teclado Dedicado: só pode ser usado por um processo por vez. Ex. Impressora Read-write, read only e write-only: disco, cdrom, vídeo

26 Características de dispositivos Caracter: transferem bytes um a um. Ex.terminal Bloco: transferem bytes em bloco. Ex. disco Sequencial: acesso em ordem fixa. Ex. modem Acesso randômico: ordem pode ser alterada. Ex CD-ROM Síncrono: tempo de resposta previsível. Ex. fita Assíncrono: tempo de resposta imprevisível. Ex. teclado Compartilhável: pode ser usado por vários processos ao mesmo tempo. Ex. teclado Dedicado: só pode ser usado por um processo por vez. Ex. Impressora Read-write, read only e write-only: disco, cdrom, vídeo

27 Características de dispositivos Caracter: transferem bytes um a um. Ex.terminal Bloco: transferem bytes em bloco. Ex. disco Sequencial: acesso em ordem fixa. Ex. modem Acesso randômico: ordem pode ser alterada. Ex CD-ROM Síncrono: tempo de resposta previsível. Ex. fita Assíncrono: tempo de resposta imprevisível. Ex. teclado Compartilhável: pode ser usado por vários processos ao mesmo tempo. Ex. teclado Dedicado: só pode ser usado por um processo por vez. Ex. Impressora Read-write, read only e write-only: disco, cdrom, vídeo

28 Características de dispositivos Caracter: transferem bytes um a um. Ex.terminal Bloco: transferem bytes em bloco. Ex. disco Sequencial: acesso em ordem fixa. Ex. modem Acesso randômico: ordem pode ser alterada. Ex CD-ROM Síncrono: tempo de resposta previsível. Ex. fita Assíncrono: tempo de resposta imprevisível. Ex. teclado Compartilhável: pode ser usado por vários processos ao mesmo tempo. Ex. teclado Dedicado: só pode ser usado por um processo por vez. Ex. Impressora Read-write, read only e write-only: disco, cdrom, vídeo

29 Princípios do Hardware de E/S Diversidade de dispositivos Características de dispositivos Arquitetura de E/S

30 Hardware: Arquitetura de E/S Portas (ports) Comunicação ponto a ponto Ex: Porta serial e paralela Barramentos (bus) Conjunto de condutores elétricos e com um protocolo rígido que define como mensagens trafegam sobre esses condutores Permite a comunicação entre vários componentes Protocolo é um conjunto de regras que definem como as comunicações (no barramento) serão efetuadas

31 Controladores Arquitetura de E/S Hw que controla uma porta, barramento ou dispositivo(s) Ex: Controlador da porta serial Controlador SCSI (Small Computer System Interface) Controlador de disco Device Drivers Partes do S.O. (software) que fornecem uma interface de acesso uniforme para cada dispositivo Traduz as chamadas de alto nível (usuário) para o dispositivo específico Conversão de dados Detecção e correção de erros

32 Controladores de Dispositivos Componentes de dispositivos de E/S mecânico eletrônico O componente eletrônico é o controlador do dispositivo pode ser capaz de tratar múltiplos dispositivos Tarefas do controlador converter fluxo serial de bits em blocos de bytes executar toda correção de erro necessária tornar o bloco disponível para ser copiado para a memória principal

33 Diagrama de um controlador Interface para barramento do sistema Interface para dispositivo externo Linhas de Dados Registrador de dados Status/Registrador de Controle Interface lógica com dispositivo exerno Dados Status Controle Linhas de Endereço Linhas de Controle Lógica de E/S Interface lógica com dispositivo externo Dados Status Controle

34 Como a CPU acessa a informação? E/S isolada Através de instruções especiais de E/S Especifica a leitura/escrita de dados numa porta de E/S E/S mapeada em memória Através de instruções de leitura/escrita na memória Híbrido (ex. IBM-PC): E/S mapeada em memória: memória de vídeo E/S isolada: dispositivos em geral

35 Espaços de Memória e E/S a) Espaços de memória e E/S separados - E/S isolada b) E/S mapeada na memória c) Híbrido

36 E/S mapeada na memória (a) Arquitetura com barramento único (b) Arquitetura com barramento duplo (dual)

37 Como o processador enxerga a memória e os demais dispositivos ou como o processador se comunica com o seu exterior O processador realiza operações como: Ler um dado da memória Escrever um dado na memória Receber (ler) um dado de dispositivos de E/S Enviar (escrever) dados para dispositivos de E/S Nas operações de acesso à memória, o processador escreve e lê dados, praticamente sem intermediários Nos acessos a dispositivos de E/S, existem circuitos intermediários, que são as interfaces

38 Cada dispositivo de E/S possui a sua própria interface: Diversidade Dispositivo Monitor Teclado Alto falante Impressora Mouse Disco rígido IDE Disco rígido SCSI Joystick Scanner Câmera digital Interface Placa de vídeo Interface de teclado Interface de alto falante Interface paralela ou USB Interface serial, PS/2 ou USB Interface IDE Interface SCSI Interface para jogos ou USB Placa de interface de scanner, paralela ou USB Interface serial, paralela ou USB Para controlar um dispositivo de E/S, o processador precisa realizar acessos de leitura e escrita na sua interface

39 Acesso Direto à Memória (DMA) Operação de uma transferência com DMA

40 Interrupções: Revisão Como ocorre uma interrupção: conexões entre dispositivos e controlador de interrupção usam linhas de interrupção no barramento em vez de fios dedicados

41 CPU Controlador de Interrupção O 8259A do IBM-PC INT INTA RD WR CS DADOS Controlador de Interrupções Sinais de controle: IRQx - Interrupt request x INT (Interrupt) - Houve interrupção INTA (Int. Acknowledge) - Interrupção recebida RD (Read) - Leitura WR (Write) - Escrita CS (Chip select) - Seleção do chip do controlador IRQ0 IRQ1 IRQ2 IRQ3 IRQ4 IRQ5 IRQ6 IRQ7...

42 Controlador de Interrupção O 8259A do IBM-PC Mecanismo de Interrupção Dispositivo I/O ativa IRQx 8259A ativa INT para a CPU CPU ativa INTA pedindo identificação do dispositivo que gerou a interrupção 8259A envia dado (vetor de interrupção identificando o dispositivo) Se houver mais de um, 8259A realiza arbitragem CPU usa o vetor para executar a rotina apropriada para aquele dispositivo O sistema operacional deve estabelecer níveis de prioridade para os dispositivos

43 Interrupções Precisas e Imprecisas (1) Propriedades de uma interrupção precisa 1. O PC (Program Counter) é salvo em um lugar conhecido 2. Todas as instruções antes da posição apontada pelo PC foram completamente executadas 3. Nenhuma instrução depois da posição apontada pelo PC foi executada 4. O estado de execução da instrução apontada pelo PC é conhecido Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved

44 Interrupções Precisas e Imprecisas (2)

45 E/S Parte II

46 Como a CPU sabe que o dispositivo já executou o comando? E/S Programada CPU lê constantemente o status do controlador e verifica se já acabou (Polling ou Busy-waiting) Espera até o fim da operação E/S por Interrupção CPU é interrompida pelo módulo de E/S e ocorre transferência de dados CPU continua a executar outras operações E/S por DMA - Acesso Direto à Memória Quando necessário, o controlador de E/S solicita ao controlador de DMA a transferência de dados de/para a memória Nesta fase de transferência não há envolvimento da CPU Ao fim da transferência, a CPU é interrompida e informada da transação

47 Comunicação S.O.(CPU) Controlador Exemplo de comunicação com dispositivo Pois não Sr., um momento Contrato pronto, estou enviando Programa sem interrupção Secretária, por favor escreva o contrato agora para que eu possa assiná-lo; estou esperando. Ok, Obrigado Pois não Sr. Contrato pronto, posso enviá-lo? Programa com interrupção Secretária, por favor escreva o contrato agora, quando estiver pronto me avise. Um momento, estou terminado de escrever um ofício.... agora pode enviar o contrato, obrigado. (Após receber o contrato, o chefe continua fazendo as outras atividades...) Preciso enviar os contratos que estáo sobre a mesa do chefe para o correio Boy, por favor apanhe os contratos que estão na pasta sobre a mesa do chefe para mim. Por favor não incomode o chefe. Obrigada Acesso Direto à Memória Ok, obrigado. Chefe, enviei os contratos que estavam sobre sua mesa. (Ao fim da transferência, a CPU é interrompida e informada da transação)

48 E/S programada O processador controla o transporte dos dados entre a memória e a interface

49 E/S Programada (1) Passos da impressão de uma cadeia de caracteres

50 E/S Programada (2) count Escrita de uma cadeia de caracteres para a impressora usando E/S programada

51 E/S Orientada à Interrupção Escrita de uma cadeia de caracteres para a impressora usando E/S orientada à interrupção a) Código executado quando é feita a chamada ao sistema para impressão b) Rotina de tratamento de interrupção

52 E/S por Acesso Direto a Memória O processador fica momentaneamente desabilitado enquanto o controlador de DMA assume o controle dos barramentos e faz as transferências A grande vantagem do DMA é que o processador não precisa se ocupar diretamente da operação de recepção e transmissão de cada byte, ficando livre para executar outros processamentos Normalmente as interfaces que utilizam DMA, utilizam também uma interrupção para avisar o processador sobre o término da transferência do número de bytes pré-programado

53 E/S Usando DMA (Acesso Direto à Memória) Impressão de uma cadeia de caracteres usando DMA a) Código executado quando é feita a chamada ao sistema para impressão b) Rotina de tratamento de interrupção

54 Entrada/Saída Princípios do hardware de E/S Princípios do software de E/S Camadas do software de E/S Gerenciamento de energia

55 Princípios do Software de E/S Objetivos do Software de E/S (1) Independência de dispositivo Programas podem acessar qualquer dispositivo de E/S sem especificar previamente qual (ex. disco rígido ou CD-ROM) Nomeação uniforme Nome de um arquivo ou dispositivo pode ser uma cadeia de caracteres ou um número inteiro que é independente do dispositivo Tratamento de erro Trata o mais próximo possível do hardware

56 Objetivos do Software de E/S (2) Transferências Síncronas vs. Assíncronas transferências bloqueantes (CPU) vs. orientadas a interrupção utilização de buffer para armazenamento temporário dados provenientes de um dispositivo muitas vezes não podem ser armazenados diretamente em seu destino final buffer, broker, Dispositivos Compartilháveis vs. Dedicados discos são compartilháveis unidades de fita não são

57 Entrada/Saída Princípios do hardware de E/S Princípios do software de E/S Independência de dispositivo Nomeação uniforme Tratamento de erro o mais próximo possível do hardware Transferências bloqueantes vs. não-bloqueantes mas orientadas a interrupção Dispositivos compartilháveis vs. dedicados Camadas do software de E/S Gerenciamento de energia

58 Camadas do Software de E/S Camadas do sistema de software de E/S

59 Camadas do Software de E/S Processos HARDWARE SOFTWARE Operações de E/S Subsistema de E/S Device drivers Controladores Dispositivos Independente do dispositivo Dependente do dispositivo

60 Camadas do Software de E/S Processos Aplicação HARDWARE SOFTWARE Operações de E/S Subsistema de E/S Device drivers Controladores Dispositivos Comandos de E/S System Calls de E/S Dispositivos Linguagem de alto nível Sistema de arquivos

61 Camadas do Software de E/S Tratadores de Interrupção (1) As interrupções devem ser escondidas (transparentes) o máximo possível uma forma de fazer isso é bloqueando o driver que iniciou uma operação de E/S até que uma interrupção notifique que a E/S foi completada rotina de tratamento de interrupção cumpre sua tarefa e então desbloqueia o driver que a chamou

62 Camadas do Software de E/S Tratadores de Interrupção (2) Passos que devem ser executados em software 1. salva registradores que ainda não foram salvos pelo hardware de interrupção 2. estabelece contexto para rotina de tratamento de interrupção 3. estabelece uma pilha para a rotina de tratamento de interrupção 4. sinaliza o controlador de interrupção, reabilita as interrupções 5. copia os registradores de onde eles foram salvos 6. executa rotina de tratamento de interrupção 7. escolhe o próximo processo a executar 8. estabelece o contexto (MMU) para o próximo processo a executar 9. carrega os registradores do novo processo 10. começa a executar o novo processo

63 Camadas: Drivers dos Dispositivos Posição lógica dos drivers dos dispositivos A comunicação entre os drivers e os controladores de dispositivos é feita por meio do barramento

64 Camadas: Software de E/S Independente de Dispositivo (1) Funções do software de E/S independente de dipositivo Interface uniforme para os drivers dos dispositivos Armazenamento em buffer Relatório de erros Alocação e liberação de dispositivos dedicados Fornecimento de tamanho de bloco independente de dispositivo

65 Camadas: Software de E/S Independente de Dispositivo (2) (a) Sem uma interface-padrão do driver (b) Com uma interface-padrão do driver

66 Camadas: Software de E/S Independente de Dispositivo (3) a) Entrada sem utilização de buffer b) Utilização de buffer no espaço do usuário c) Utilização de buffer no núcleo seguido de cópia para o espaço do usuário d) Utilização de buffer duplo no núcleo (ex. tolerância a falha)

67 Camadas: Software de E/S Independente de Dispositivo (4) A operação em rede pode envolver muitas cópias de um pacote

68 Camadas: Software de E/S no Espaço do Usuário Camadas do sistema de E/S e as principais funções de cada camada

69 Discos Magnéticos (1)

70 Algoritmos de Escalonamento de Braço de Disco (1) Tempo necessário para ler ou escrever um bloco de disco é determinado por 3 fatores 1. tempo de posicionamento 2. atraso de rotação 3. tempo de transferência do dado Tempo de posicionamento domina Checagem de erro é feita por controladores

71 Algoritmos de Escalonamento de Braço de Disco (2) Algoritmo de escalonamento de disco Posicionamento Mais Curto Primeiro (SSF)

72 Algoritmos de Escalonamento de Braço de Disco (3) O algoritmo do elevador para o escalonamento das requisições do disco

73 Tratamento de Erro a) Uma trilha de disco com um setor defeituoso b) Substituindo um setor reserva por um setor defeituoso c) Deslocando todos os setores para pular o setor defeituoso

74 Software do Relógio Responsabilidades típicas de um driver de relógio 1. Manutenção da hora do dia 2. Prevenir processos de rodarem mais tempo do que são permitidos 3. Contabilidade do uso de CPU 4. Lidar com system calls de alarmes vindos de processos de usuário 5. Fornecer temporizadores cão de guarda para vigiar partes do sistema 6. Organizar perfis, estatísticas e monitoramento

75 O Sistema X Windows (1) Clientes e servidores no sistema X Windows [MIT]

76 O Sistema X Windows (2) Tipos de mensagens entre cliente e servidor: 1. Comandos para desenhar do programa para a estação de trabalho (workstation) 2. Respostas da workstation aos pedidos do programa 3. Eventos do teclado, mouse e outros 4. Mensagens de erro

77 X Windows: Graphical User Interfaces (1) Esqueleto de um programa de aplicação usando o sistema X Windows

78 X Windows: Graphical User Interfaces (1) Esqueleto de um programa de aplicação usando o sistema X Windows

79 X Windows: Graphical User Interfaces (1) Esqueleto de um programa de aplicação usando o sistema X Windows

80 X Windows: Graphical User Interfaces (1) Esqueleto de um programa de aplicação usando o sistema X Windows

81 Windows: Graphical User Interfaces (2)... Esqueleto de um programa principal Windows

82 Graphical User Interfaces (3) Esqueleto de um programa principal Windows (2)

83 Entrada/Saída Princípios do hardware de E/S Princípios do software de E/S Camadas do software de E/S Gerenciamento de energia

84 Gerenciamento de Energia (1) Tecnologia mais avançada Aumento do desempenho Consumo de energia de várias partes de um laptop

85 Gerenciamento de Energia (2): O uso de zonas para iluminação do monitor de vídeo (a) Janela 2 selecionada e não se move. (b) Janela 1 selecionada e se move para reduzir o número de zonas iluminadas.

86 Gerenciamento de Energia (3) a. Execução em velocidade máxima do relógio b. Cortando a voltagem pela metade corta a velocidade do relógio também pela metade, consumo de energia cai para 4 vezes menos

87 Gerenciamento de Energia (4): Impactos na Entrada/Saída Dizer aos programas para usar menos energia pode significar experiências mais pobres para o usuário Exemplos muda de saída colorida para preto e branco reconhecimento de fala com vocabulário reduzido menos resolução ou detalhe em uma imagem

88 Entrada/Saída Conclusões

89 Arquitetura de Entrada/Saída Portas (ports) Comunicação ponto a ponto Barramentos (bus) Permite a comunicação entre vários componentes Controladores Hw que controla uma porta, barramento ou dispositivo(s) Device Drivers Partes do S.O. que fornecem uma interface de acesso uniforme para cada dispositivo

90 Camadas do Software de E/S

91 Princípios do software de E/S Independência de dispositivo Nomeação uniforme Tratamento de erro o mais próximo possível do hardware Transferências bloqueantes vs. nãobloqueantes mas orientadas a interrupção Dispositivos compartilháveis vs. dedicados

92 Prova 1 o. EE Sexta-feira, 30/04, 8h Assuntos: Conceitos Gerenciamento de processos Gerenciamento de memória Sistema de arquivos Entrada/Saída Material Transparências ( Plano de Aulas) Assuntos correspondentes no livro Sistemas Operacionais Modernos 2ª Edição. A. Tanenbaum, 2003

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