Introdução ao Gerenciamento de Entrada e Saída (E/S)

Transcrição

1 Introdução ao Gerenciamento de Entrada e Saída (E/S) Adriano J Holanda 26/4/2016

2 Entrada e Saída: E/S teclado mouse impressora disco rígido monitor processador controladora controladora placa de de disco USB vídeo memória

3 Entrada e Saída: E/S teclado mouse impressora gerenciamento de processos disco rígido monitor processador controladora controladora placa de de disco USB vídeo memória

4 Entrada e Saída: E/S teclado mouse impressora disco rígido monitor processador controladora controladora placa de de disco USB vídeo memória gerenciamento de memória

5 Entrada e Saída: E/S teclado mouse impressora disco rígido gerenciamento de entrada e saída (E/S) monitor processador controladora controladora placa de de disco USB vídeo memória

6 Subsistema de entrada e saída Fonte: [Oliveira, 2008] E/S: nível de usuário Sistema operacional E/S independente do dispositivo Interface padrão para drivers de dispositivo (API) driver disco driver USB driver rede driver teclado Software Hardware

7 Dispositivos de entrada e saída Além das abstrações de processos, espaços de endereçamento e arquivos, os SOs também controlam os dispositivos de E/S para: Emitir comandos para dispositivos; Interceptar interrupções e tratar erros; Atuar como interface entre os dispositivos e o restante do sistema

8 Drivers de dispositivo Exemplo: driver de placa de rede Aplicação de rede Espaço do usuário Subsistema de rede do SO Espaço do kernel Driver da placa de rede Interface com o dispositivo de rede Placa de rede Hardware

9 Classificação das camadas de E/S Dispositivos de caracter São dispositivos cujo fluxo de dados ocorre de forma sequencial, um byte após o outro Exemplo: teclado, porta serial Dispositivos de bloco Os dados são acessados de forma aleatória em pedaços de tamanho fixo chamado blocos Exemplo: Disco rígido, memória flash, disquete, leitor de Blu-ray Dispositivos de rede Os dados são recebidos e transmitidos em pacotes Exemplo: Interface de rede

12 Parte II Interrupções e DMA

13 Interrupções

14 Interrupções Interrupções permitem que o hardware sinalize o processador; Dispositivos de hardware geram interrupções assíncronas com respeito ao relógio (clock) do processador; Cada hardware possui um número de interrupção chamado IRQ (interrupt request) Alguns IRQs fixos para PC baseado em Intel são listados a seguir: IRQ dispositivo 0 sinal de clock da placa-mãe 1 teclado 7 porta paralela 11 controlador USB

17 Interrupções

18 Interrupções gera interrupção controlador de interrupção

19 Interrupções gera interrupção controlador de interrupção

20 Interrupções gera interrupção controlador de interrupção processador interrompe o kernel

21 Interrupções gera interrupção controlador de interrupção processador interrompe o kernel interrupção é manipulada

22 Interrupções gera interrupção controlador de interrupção processador interrompe o kernel interrupção é manipulada retorna para o código interrompido do kernel

23 Controle das interrupções As interrupções podem ser desabilitadas para um processador específico; Podem ser escolhidas números de IRQs para serem desabilitados pelo SO; Um mecanismo alternativo à interrupção é o acesso direto à memória

26 Acesso Direto à Memória

27 Acesso Direto à Memória O acesso direto à memória ou DMA (Direct Memory Access) é o mecanismo de hardware que permite que periféricos transfiram sua E/S diretamente pela memória principal sem envolver o processador O uso deste mecanismo a vazão de um dispositivo, pois boa parte da sobrecarga computacional é eliminada

28 Acesso Direto à Memória O acesso direto à memória ou DMA (Direct Memory Access) é o mecanismo de hardware que permite que periféricos transfiram sua E/S diretamente pela memória principal sem envolver o processador O uso deste mecanismo a vazão de um dispositivo, pois boa parte da sobrecarga computacional é eliminada

29 Processo de transferência de dados, caso 1 DMA No caso 1, o processo pode ser resumido da seguinte forma: 1 Quando um processo chama uma função para transferência de dados, por exemplo read() ou fread(), o driver aloca um buffer de DMA e instrui o hardware a transferir seus dados para este buffer O processo é colocado para dormir 2 O hardware escreve os dados no buffer e lança uma interrupção ao término 3 O manipulador de interrupção acessa os dados de entrada, responde à interrupção, acorda o processo, que em seguida pode ler os dados

32 Processo de transferência de dados, caso 1 DMA O caso 2 ocorre quando o DMA é usado de forma assíncrona Isto acontece quando um hardware envia dados mesmo quando não há requisição O processo pode ser resumido da seguinte forma: 1 O hardware lança uma interrupção para anunciar que chegaram novos dados 2 O manipulador de interrupção aloca um buffer e comunica ao hardware onde transferir seus dados 3 O dispositivo periférico escreve os dados no buffer e lança outra interrupção ao término 4 O manipulador despacha os dados novos, acorda qualquer processo associado, e se encarrega da liberação da memória utilizada

36 Dispositivos de bloco

37 Dispositivos de bloco Introdução Os Dispositivos de bloco fornecem acesso a dispositivos que transferem aleatoreamente blocos de tamanho fixo, tais como disco rígido, CD-ROM, DVD-ROM dentre outros Os blocos frequentemente possuem o tamanho de 4096 bytes, porém, este tamanho pode variar de acordo com a arquitetura e sistema de arquivos Drivers eficientes são críticos para performance

38 Dispositivos de bloco Conceitos essenciais A menor unidade endereçável em um dispositivo de bloco é um setor O tamanho mais comum do setor é 512 bytes Porém, alguns dispositivos possuem tamanhos diferentes, por exemplo, muitos CD-ROMs possuem setores de 2-KB Os blocos são armazenados temporariamente em um zona de memória chamada buffer, para ajuste entre as diferenças na velocidade de transferência entre as camadas dos subsistemas Por exemplo, se a placa de rede suporta envio de blocos de 4-KB, e o SO necessita enviar 64-KB, estes são armazenados no buffer até o término da transmissão

39 Parte III Dispositivo de bloco

40 Dispositivos de Bloco: Disco Rígido

41 Busca em disco rígido Trilha trilha

42 Busca em disco rígido Setor setor

43 Busca em disco rígido Cabeçote de leitura e escrita cabeçote de leitura e escrita

44 Escalonamento de disco

45 Escalonamento das requisições de disco O escalonador de disco gerencia a fila de requisições dos dispositivos de bloco, decidindo qual requisição é despachada, com o objetivo de maximizar a performance global de E/S do sistema O escalonadores de disco realizam 2 ações principais sobre as requisições para minimizar as buscas: Fusão: agrupamento de 2 ou mais requisições ao mesmo bloco; Ordenação: classifica as requisições de acordo com algum critério

46 Algoritmos de escalonamento de disco FCFS FCFS(firt-come first-served): as requisições são atendidas conforme a ordem de chegada na fila Exemplo: 23, 89, 132, 42, 187 No início o cabeçote está na posição total de trilhas = = 421 trilhas 187

47 Algoritmos de escalonamento de disco FCFS FCFS(firt-come first-served): as requisições são atendidas conforme a ordem de chegada na fila Exemplo: 23, 89, 132, 42, 187 No início o cabeçote está na posição total de trilhas = = 421 trilhas 187

48 Algoritmos de escalonamento de disco SSTS SSTF (shortest seek time first): as requisições são atendidas de acordo com o menor tempo de acesso, e são reordenadas constantemente, para levar em conta a posição atual do cabeçote, privilegiando os setores mais próximos à posição corrente na reordenação da fila de requisições

49 Algoritmos de escalonamento de disco SSTS SSTF (shortest seek time first): as requisições são atendidas de acordo com o menor tempo de acesso, e são reordenadas constantemente, para levar em conta a posição atual do cabeçote, privilegiando os setores mais próximos à posição corrente na reordenação da fila de requisições total de trilhas = = 273 trilhas

50 Algoritmos de escalonamento de disco SSTS SSTF (shortest seek time first): as requisições são atendidas de acordo com o menor tempo de acesso, e são reordenadas constantemente, para levar em conta a posição atual do cabeçote, privilegiando os setores mais próximos à posição corrente na reordenação da fila de requisições Desvantagem: Suscetível à postergação indefinida (starvation)

51 Algoritmos de escalonamento de disco SCAN SCAN: é uma variação do SSTF que se diferencia por adotar um sentido de varredura preferencial, como por exemplo do mais interno para o mais externo Ao atingir o mais interno, inverte-se o sentido e novas requisições no sentido contrário são atendidas na próxima varredura

52 Algoritmos de escalonamento de disco SCAN SCAN: é uma variação do SSTF que se diferencia por adotar um sentido de varredura preferencial, como por exemplo do mais interno para o mais externo Ao atingir o mais interno, inverte-se o sentido e novas requisições no sentido contrário são atendidas na próxima varredura total de trilhas = = 287 trilhas

53 Algoritmos de escalonamento de disco SCAN SCAN: é uma variação do SSTF que se diferencia por adotar um sentido de varredura preferencial, como por exemplo do mais interno para o mais externo Ao atingir o mais interno, inverte-se o sentido e novas requisições no sentido contrário são atendidas na próxima varredura Também é conhecido como algoritmo do elevador

54 Algoritmos de escalonamento de disco C-SCAN C-SCAN: variação do SCAN que se diferencia por adotar o sistema de varredura em somente uma direção Por exemplo, se o cabeçote atingir o cilindro mais interno, é então reposicionado no cilindro mais externo e a varredura é realizada novamente

55 Algoritmos de escalonamento de disco C-SCAN C-SCAN: variação do SCAN que se diferencia por adotar o sistema de varredura em somente uma direção Por exemplo, se o cabeçote atingir o cilindro mais interno, é então reposicionado no cilindro mais externo e a varredura é realizada novamente total de trilhas = = 366 trilhas

56 Sistemas Operacionais Rômulo Silva de Oliveira, Alexandre da Silva Carissimi e Simão Sirineo Roscani Editora Bookman, 2008 Linux Kernel Development Robert Love Addison Wesley, 3rd edition, 2010 Linux Device Drivers Jonathan Corbet, Alessandro Rubini, Greg Kroah-Hartman O Reilly, 3rd edition, 2010 Operating System 101 WAGmob Principles of Modern Operating Systems José M Garrido, Richard Schlesinger Jones and Bartlett Publishers, 2008

57 Exercício 1 Dada as seguintes sequências de requisições para um disco com 100 trilhas: 44, 20, 95, 4, 50, 52, 47, 61, 87, 25, onde a posição atual dos cabeçotes é 50, calcule a deslocamento de dos cabeçotes para atender às requisições utilizando os seguintes algoritmos de escalonamento de E/S: 11 FCFS; 12 SSTF; 13 SCAN; 14 C-SCAN