Dispositivos de Entrada/Saída

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Fábio Salazar Belmonte
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1 Dispositivos de Entrada/Saída Grande variedade de dispositivos de E/S: Dispositivo Taxa de transmissão Teclado 10 byte/s Rato 100 byte/s Modem 56 kbit/s Linha ISDN 128 kbit/s Impressora Laser 100 kbyte/s Ethernet 10 Mbit/s USB 12 Mbit/s 40 CD-ROM 6 Mbyte/s Fast Ethernet 100 Mbit/s EIDE (ATA-2) 16.7 Mbyte/s XGA Monitor 60 Mbyte/s Gigabit Ethernet 1 Gbit/s PCI bus 528 Mbyte/s Sun Gigaplane XB backplane 20 Gbyte/s 1 Controladores de Dispositivos de E/S (1/2) Componente electrónico que: controla as operações do dispositivo; faz a interface com o computador. Exemplos: controlador da porta-série (UART); controlador do disco; NIC (Network Interface Controller); VGA (Video Graphics Adapter). Controladores têm 2 conjuntos de registos para comunicar com o CPU: registos de controlo usados para configurar, dar comandos ou lêr o estado do dispositivo; registos de dados (data buffers) usados para transferir dados. 2

7 Mbyte/s XGA Monitor 60 Mbyte/s Gigabit Ethernet 1 Gbit/s PCI bus 528 Mbyte/s Sun Gigaplane XB backplane 20 Gbyte/s 1 Controladores de Dispositivos de E/S (1/2) Componente electrónico que: controla

2 Controladores de Dispositivos de E/S (2/2) O acesso a estes registos pode ser feito via: memory-mapped I/O: caching das posições correspondentes deve ser inibida; instruções IN/OUT: a memória e os dispositivos de E/S usam espaços de endereçamento distintos. Two address One address Two address s 0xFFFF Memory I/O ports 0 (a) (b) (c) 3 Barramentos de E/S Em qualquer caso, pode usar-se barramentos distintos para aceder à memória e aos dispositivos de E/S: CPU reads and writes of memory go over this high-bandwidth bus CPU Memory I/O CPU Memory I/O All addresses (memory and I/O) go here (a) Bus (b) This memory port is to allow I/O devices access to memory No caso de se usar memory-mapped I/O, há que passar os endereços para o barramento de E/S também: As pontes PCI (bridges) filtram os endereços. 4

Two address One address Two address s 0xFFFF Memory I/O ports 0 (a) (b) (c) 3 Barramentos de E/S Em qualquer caso, pode usar-se barramentos distintos para aceder à memória e aos dispositivos de E/S:

3 E/S Programada O SO transfere os dados entre a memória e o dispositivo de E/S: User Kernel String to be printed ABCD EFGH Printed page Next ABCD EFGH Printed page A Next ABCD EFGH AB (a) (b) copy_from_user(buffer, p, count); /* copy data to kernel */ for( i = 0; i < count; i++ ) { /* for all characters */ while(*printer_status_reg!= READY); /* wait for printer */ *printer_data_reg = p[i]; /* output next character */ } Busy waiting do CPU pelo dispositivo de E/S. 5 (c) E/S baseada em Interrupções (1/3) Usa o mecanismo de interrupções em HW: CPU 3. CPU acks interrupt 2. Controller issues interrupt Interrupt controller 1. Device is finished Disk Clock Keyboard Printer Bus Quando o dispositivo completa o comando, gera uma interrupção. Com interrupções vectorizadas, o CPU e o controlador de interrupções executam um protocolo de handshake em HW : CPU invoca depois o interrupt handler apropriado. 6

= READY); /* wait for printer */ *printer_data_reg = p[i]; /* output next character */ } Busy waiting do CPU pelo dispositivo de E/S.

4 E/S baseada em Interrupções (2/3) Antes de iniciar a execução do interrupt handler, o CPU pode guardar automaticamente algum do seu estado na stack. Qual stack? A do utilizador? O SP pode ter um valor que não é válido. Pode apontar para o fim duma página, originando uma page-fault. Outro problema diz respeito à precisão das interrupções: Nas arquitecturas actuais não há uma mas várias instruções em execução simultaneamente. 7 E/S baseada em Interrupções (3/3) O processador programa o dispositivo de E/S para executar uma operação: copy_from_user(buffer, p, count); /* copy data to kernel */ while(*printer_status_reg!= READY); /* wait for printer */ *printer_data_reg = p[0]; /* output first character */ scheduler(); /* wait for I/O */ O dispositivo de E/S gera uma interrupção quando terminar a operação. O interrupt handler processa esse pedido de interrupção: if( count == 0 ) { unblock_process(); } else { *printer_data_register = p[i]; count--; i++; } acknowledge_interrupt(); return_from_interrupt(); 8

Outro problema diz respeito à precisão das interrupções: Nas arquitecturas actuais não há uma mas várias instruções em execução simultaneamente.

5 E/S com Direct Memory Acess (DMA) (1/3) Para evitar a intervenção do CPU em cada transferência entre um dispositivo de E/S e a memória pode usar-se o mecanismo de DMA. Essencialmente, E/S com DMA é E/S programada excepto a transferência dos dados entre os dispositivos e a memória é realizada sob controlo do DMA e não do CPU. Alguns controladores de E/S podem solicitar ao controlador de DMA a transferência dos dados: Neste caso, DMA assemelha-se a E/S baseada em interrupções, mas... sem interrupções. 9 E/S com Direct Memory Acess (DMA) (2/3) Drive CPU 1. CPU programs the DMA controller DMA controller Disk controller Buffer Main memory Address Count Control 4. Ack Interrupt when done 2. DMA requests transfer to memory 3. Data transferred O CPU tem que programar o controlador de DMA com: O endereço da memória com o buffer de dados. O endereço do dispositivo de E/S. O número de bytes/palavras as transferir. Outros parâmetros para controlar a transferência, p.ex.: o sentido da transferência; cycle stealing vs. burst mode; 10 Bus

Alguns controladores de E/S podem solicitar ao controlador de DMA a transferência dos dados: Neste caso, DMA assemelha-se a E/S baseada em interrupções, mas... sem interrupções.

6 E/S com Direct Memory Acess (DMA) (3/3) O processador programa o controlador de DMA e o controlador do dispositivo de E/S para executar uma operação de DMA: copy_from_user(buffer, p, count); /* copy data to kernel*/ set_up_dma_io(); /* set up for DMA operation */ scheduler(); /* wait for I/O */ O controlador de DMA gera uma interrupção quando a transferência terminar para evitar busy-waiting. O interrupt handler processa esse pedido de interrupção: acknowledge_interrupt(); unblock_process(); return_from_interrupt(); 11 Objectivos principais: SW de E/S Independência do dispositivo: O código para ler um ficheiro não deve depender do dispositivo onde se encontra: floppy, disco, CD-ROM,... Uniformidade nos nomes: Em Unix/Linux, a maioria dos dispositivos de E/S podem ser designados por uma string, nome dum ficheiro de /dev Funções principais: Permitir a partilha dos dispositivos entre os processos. Processar e recuperar de situações de erro. Buffering 12

O interrupt handler processa esse pedido de interrupção: acknowledge_interrupt(); unblock_process(); return_from_interrupt(); 11 Objectivos principais: SW de E/S Independência do dispositivo: O

7 Camadas de SW de E/S User-level I/O SW Device-independent OS SW Device drivers Interrupt handlers HW 13 Camadas dependentes do Dispositivo de E/S Interrupt handler: executa hand-shaking exigido pelo HW (interrupt acknowledgement; desbloqueia o driver na origem da interrupção. Device driver SW contendo todo o conhecimento sobre o dispositivo de E/S; Realiza o grosso da interacção com o controlador do dispositivo. 14

(interrupt acknowledgement; desbloqueia o driver na origem da interrupção.

8 Camada Independente do Dispositivo de E/S Funções: fornece uma interface uniforme para acesso aos device drivers; realiza buffering; processa e reporta erros; arbitra o acesso a dispositivos que exigem acesso em exclusão mutúa. Obs.- Estas são funções típicas. Por vezes, os device drivers realizam algumas destas funções. 15 Uniformidade na Interface Facilita a adição de drivers para novos dispositivos: as funções que devem ser suportadas são bem definidas; as funções do kernel que os drivers podem usar também. Operating system Operating system Disk driver Printer driver Keyboard driver Disk driver Printer driver Keyboard driver (a) Em Unix, a generalidade dos dispositivos pode ser acedida através dum ficheiro no directório /dev: O SO usa os mesmos mecanismos de controlo de acesso para ficheiros e para dispositivos de E/S. 16 (b)

15 Uniformidade na Interface Facilita a adição de drivers para novos dispositivos: as funções que devem ser suportadas são bem definidas; as funções do kernel que os drivers podem usar também.

9 Buffering User process User Kernel Modem Modem Modem Modem (a) (b) (c) (d) Permite o desacoplamento entre a execução do processo que solicita a operação de E/S e a execução desta. O SO pode suportar um conjunto de buffers, buffer pool: um dispositivo pode usar mais do que um buffer; diferentes dispositivos podem partilhar o buffer pool; evita-se o lock excessivo de páginas. O uso de double buffering permite a recepção de dados ao mesmo tempo que outros são passados à aplicação. 17 Buffering e SW de Rede Na saída buffering permite que uma chamada ao sistema retorne assim que os dados tiverem sido copiados para o kernel. User User process Kernel Network controller 4 3 Network O SW de rede pode envolver várias cópias: no processamento de cada protocolo de rede, há que acrescentar/remover os respectivos headers e/ou trailers. 18

O uso de double buffering permite a recepção de dados ao mesmo tempo que outros são passados à aplicação.

10 Funções de bibliotecas: User-Space SW para E/S que invocam chamadas ao sistema, p.ex. read(); que formatam a saída, p.ex. printf(). Spooling: Processo (daemon) que tem acesso exclusivo ao dispositivo de E/S; Directório de spooling. Exemplos: impressão; Resumo do Processamento de E/S Layer I/O reply I/O functions I/O request User processes Device-independent software Device drivers Make I/O call; format I/O; spooling Naming, protection, blocking, buffering, allocation Set up device registers; check status Interrupt handlers Wake up driver when I/O completed Hardware Perform I/O operation 20

19 Resumo do Processamento de E/S Layer I/O reply I/O functions I/O request User processes Device-independent software Device drivers Make I/O call;

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