Sistemas Operacionais 2014 Sistema de E/S. Alexandre Augusto Giron

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1 Sistemas Operacionais 2014 Sistema de E/S Alexandre Augusto Giron

2 ROTEIRO Introdução Hardware de E/S Interface de E/S Subsistema de E/S Desempenho

3 Introdução Gerenciar dispositivos de Entrada e Saída (E/S) como parte do SO Variedade de dispositivos: Armazenamento, Transmissão, IHC Vários métodos de controle Como fornecer acesso ao dispositivo? Drivers Interface de acesso a dispositivos Encapsulam detalhes do dispositivo

4 Hardware de E/S Um dispositivo pode conter Portas: para fornecer conexão com o computador Ex: porta serial RS-232 Barramentos: se os dispositivos compartilham barramentos com o computador. Ex: PCI (Common PC bus) Controladora de dispositivo Capaz de realizar operações nas portas, barramentos ou no próprio dispositivo Processador, Memória, micro controlador...

5 Hardware de E/S

6 Hardware de E/S Como a CPU se comunica? Acesso aos registradores da controladora de dispositivo Acesso Por instruções especiais para E/S Memory-Mapped I/O Registradores de porta da controladora de dispositivo são mapeados para a memória CPU executa requisições de E/S para ler/escrever nesses registradores por meio dos endereços mapeados na memória física

7 Hardware de E/S

8 Hardware de E/S Porta de dispositivo Registrador de Entrada (data-in register) Registrador de Saída (data-out register) Registrador de Estado Leitura: Comando completado, informações disponíveis para leitura, erros Registrador de Controle Escrita: para iniciar comandos, modificar modo de operação, checagem de erros

9 Hardware de E/S Como o dispositivo notifica a CPU? Interrupção

10 Interrupção Consequência imediata é a execução da rotina de interrupção Interrupt Vector: conjunto de endereços de rotinas de tratamento de interrupção Classifica as rotinas de tratamento em grupos Menor perda de tempo gasto na procura pelo endereço da rotina de tratamento Busca se dá no grupo (interrupt vector)

11 Interrupção: Intel Pentium

12 DMA Transferências de E/S Byte a byte? E/S programada: CPU armazena/lê em um registrador DMA (Direct Memory Access) Evita sobrecarregar CPU com a E/S programada Controlador DMA: processador de propósito específico Operações e transferências no barramento de memória (quase) diretamente Bastante utilizado atualmente

13 DMA Comunicação com o DMA Requisição DMA: controlador de um dispositivo envia uma requisição ao controlador DMA DMA toma posse do barramento de memória Reconhecimento: quando o controlador de dispositivo recebe o reconhecimento Dispositivo pode fazer a transferência para a memória Quando a transferência termina DMA lança uma interrupção na CPU

14 DMA - Exemplo

15 DMA - Exemplo

16 DMA - Exemplo

17 DMA - Exemplo

18 DMA Roubo de Ciclos Na transferência, CPU não acessa o barramento de memória Esse roubo de ciclos pode diminuir o desempenho de processos Embora a CPU ainda pode acessar as suas caches de dados Apesar disso, geralmente o desempenho é melhorado CPU fica praticamente livre de realizar transferência para os dispositivos

19 INTERFACE DE E/S E SUBSISTEMA DE E/S DO KERNEL

20 Interface de E/S SO como gerenciador de recursos Problema: diversos dispositivos diferentes Camada de driver Abstração para acesso aos dispositivos de forma mais genérica Cada SO Tem um subsistema de E/S para lidar com as estruturas e frameworks de dispositivos

21 Driver Exemplo: Driver SCSI genérico (doc: sg.danny.cz/sg/p/scsi-generic_v3.txt) Discos, st (fitas) e sr (CD-ROM e DVD) Campo unsigned char masked_status; // (para o status do dispositivos) GOOD CHECK_CONDITION CONDITION_GOOD BUSY INTERMEDIATE_GOOD INTERMEDIATE_C_GOOD RESERVATION_CONFLICT COMMAND_TERMINATED QUEUE_FULL 0x00 0x01 0x02 0x04 0x08 0x0a 0x0c 0x11 0x14

22 Interface de E/S Diferenças entre dispositivos Blocos ou stream de caracteres Acesso: Sequencial, aleatório Modo de operação: Síncrono, Assíncrono ou ambos Dedicado ou compartilhado Velocidade de operação Tipo de operação Read-only, Write-only, Read-write

23 Interface de E/S Aspecto Variação Exemplo Modo de transferência Caracter Blocos Método de acesso Sequencial Aleatório Modo de operação Tipo de operação Síncrono Assíncrono Read-only Write-only Read-write Terminal /dev/console /dev/ttyso Disco Modem CD-ROM Fita Teclado CD-ROM Controlador gráfico Disco

24 Interface de E/S Blocking I/O (E/S bloqueante) Aplicações bloqueadas durante a operação de E/S Ações de dispositivos são assíncronas Facilita a implementação Maioria dos SOs usam esse tipo: chamadas de sistema bloqueantes E/S não-bloqueante Aplicação segue executando enquanto há E/S Ex: Aplicação de decodificação de vídeo: E/S com o disco enquanto decodifica o vídeo na tela Multithread Threads para E/S e threads para processamento da aplicação

25 Subsistema de E/S

26 Subsistema de E/S Quando uma aplicação deseja acessar o dispositivo Muitas dos aspectos são escondidos pelo SO Acesso se dá pelo subsistema de E/S do kernel Para acesso ao driver de dispositivo

27 Subsistema de E/S Serviços do Subsistema de E/S Escalonamento Buffering Caching Spooling Controle de Erros Proteção

28 Escalonamento SO deve escalonar um conjunto de requisições para os dispositivos de E/S Por que escalonar? Melhorar desempenho (ordem das requisições) Justiça no acesso ao dispositivo por diferentes processos

29 Escalonamento Exemplo Escalonamento de disco FCFS SSTF SCAN C-SCAN... Também há prioridades Especifição de prioridades Exemplo: requisição ao controlador de disco pelo sistema de memória virtual sobre requisição de aplicação comum

30 Escalonamento O dispositivo deve manter uma tabela de estado Subsistema de E/S gerencia essa tabela

31 Escalonamento Ordem pode influenciar no desempenho Escalonamento de disco Outra abordagem Utilizar espaço em memória ou disco por meio de buffering, caching ou spooling

32 Buffering Buffer: Área de memória que armazena dados entre dois dispositivos ou dispositivos e aplicação Armazena dados na memória enquanto há transferência entre dispositivos Exemplo Arquivo sendo transferido pelo modem (rede) para o disco Modem é mais lento Buffer acumula dados recebidos Escrita única do buffer no disco

33 Buffering Acesso ao buffer Produtor x consumidor? Double buffering: duas cópias Primeiro buffer cheio: armazenamento no disco (write) Modem começa a encher o segundo buffer Quando o segundo buffer estiver cheio O primeiro já terá sido escrito no disco Ocorre pelas diferentes velocidades entre os dispositivos

34 Velocidades (escala logarítmica)

35 Caching e Spooling Caching: cópias de dados Memória de alta velocidade: acesso mais rápido Apenas cópias (cache e memória principal) Spooling: Buffer para armazenar dados de saída Quando um dispositivo pode apenas atender uma requisição por vez Exemplo Impressora

36 Proteção Subsistema de E/S também pode (e deve) fornecer proteção aos dispositivos Operação de E/S ilegal: acidental ou proposital Comportamento anormal da operação Abordagem Instruções privilegiadas Todas operações de E/S por instruções privilegiadas Usuários não realizam operações diretamente, mas por meio do SO Chamadas de sistema (modo usuário x modo de kernel)

37 Proteção

38 DESEMPENHO

39 Desempenho de E/S Muita influência no desempenho do sistema Demanda CPU: Driver de dispositivo Subsistema de E/S Troca de contexto

40 Desempenho de E/S Alguns requisitos Reduzir o n de trocas de contexto Reduzir frequência de interrupções Reduzir o n de vezes que os dados devem ser copiados para a memória nas transferências entre dispositivo e user

41 Desempenho de E/S Práticas Uso de DMA Uso separado de processadores frontend para E/S Canal dedicado diminui overhead sobre a CPU Barramentos com suporte a maior transferências de grandes quantidades de dados Reduz a frequência de interrupções

42 RESUMO Gerência de E/S como papel importante do SO Variedade de dispositivos de E/S Driver Interface de acesso aos dispositivos

43 RESUMO Interface de E/S Necessidade pelas diferentes características de E/S Modo de Operação: Síncrono, Assíncrono Tipo: Read-Only, Write-Only, Read-Only Camada de Driver Acesso genérico aos dispositivos Serviços do Subsistema de E/S Escalonamento Buffering Caching Spooling Controle de Erros Proteção

44 RESUMO Caching Memória de alta velocidade: acesso mais rápido Apenas cópias (cache e memória principal) Buffering Área de memória que armazena dados entre dois dispositivos ou dispositivos e aplicação Spooling Buffer para armazenar dados de saída Quando um dispositivo pode apenas atender uma requisição por vez

45 Para casa Leitura da parte III (Sistemas de E/S Cap. 12) E lista de exercícios (Sistemas de E/S)

46 Bibliografia 1. SILBERSHATZ, A. et al. Operating systems Concepts. John Wiley & Sons, New York, 5ª edição STALLINGS, W. Operating system concepts. Prentice Hall, New Jersey, 3ª edição, TANENBAUM, A. et al. Operating systems: design and implementation. Prentice Hall, New Jersey, TANENBAUM, A. et. al. Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 1992.

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