Notas da Aula 14 - Fundamentos de Sistemas Operacionais

Transcrição

1 Notas da Aula 14 - Fundamentos de Sistemas Operacionais 1. Dispositivos de E/S Uma operação de entrada e saída é aquela que envolve a leitura ou escrita de dados a partir de dispositivos que estão fora do âmbito do processador e da memória principal. O processador se conecta a estes dispositivos, muitas vezes chamados de Periféricos, através de barramentos de dados. Um barramento nada mais é que um meio de comunicação compartilhado entre o processador e vários dispositivos periféricos. Existem vários tipos de dispositivos de entrada e saída. Alguns deles são responsáveis por realizar a interface entre o usuário e a máquina, como o mouse, o teclado, o monitor, etc. Outros são responsáveis pelo chamado armazenamento de massa, como discos rígidos, leitores ou gravadores de CDs/DVDs e pendrives. Outros dispositivos de E/S servem para prover comunicação entre computadores, como modems e placas de rede. Os dispositivos de E/S podem ser classificados de acordo com o sentido do fluxo de dados. Por exemplo, um teclado é um dispositivo de entrada, pois apenas é possível ler quais teclas foram pressionadas pelo o usuário: não é possível enviar dados para o teclado. De forma análoga, um monitor é um dispositivo de saída, pois é impossível ler dados a partir dele. Há ainda dispositivos de entrada e saída, como um disco rígido e uma placa de rede. Embora seja comum dizer que os dispositivos de E/S se conectam ao processador através dos barramentos de dados, em geral os dispositivos não estão ligados diretamente a estes barramentos. Ao invés disso, eles são conectados a elementos intermediários chamados de Controladores. Por exemplo, um disco rígido não se comunica diretamente com o processador, mas sim com uma controladora de disco rígido que, por sua vez, se conecta a um dos barramentos do processador. O processador, portanto, não se comunica diretamente com os periféricos, mas sim com os controladores. Um controlador nada mais é que um microcontrolador especificamente desenvolvido para controlar um determinado dispositivo periférico. A vantagem de se colocar um controlador como intermediário na comunicação está no fato de que os periféricos podem ser muito variados. Ao invés de fazer com que o processador suporte diretamente todos requisitos necessários à manipulação de todos os periféricos possíveis, o processador precisa apenas suportar os protocolos de comunicação de alguns poucos barramentos padronizados, como o PCI, o PCI-E, AGP, ISA, etc. Dispositivos de E/S podem ser classificados também de acordo com o tipo de interconexão com o computador. Tipicamente, existem dispositivos paralelos e seriais. Os dispositivos paralelos são aqueles que se conectam através de uma interface capaz de enviar um conjunto de bits simultaneos (em geral, um múltiplo de 8). Exemplos deste tipo de dispositivo incluem HDs da tecnologia IDE e impressoras antigas, que eram conectadas através da porta paralela do computador. Dispositivos seriais são aqueles que permitem a transmissão de um único

2 bit por vez. Exemplos de dispositivos seriais incluem HDs da tecnologia SATA, impressoras conectadas através de portas USB, mouses, etc. Embora as conexões paralelas pareçam, a princípio, mais eficientes que as seriais (pois transportam mais bits simultaneamente), na prática, hoje, as conexões mais rápidas são as seriais. Isso ocorre porque é muito mais fácil aumentar a frequência de operação de uma conexão serial que de uma conexão paralela. Interfaces paralelas estão muito mais susceptíveis a interferência interna entre suas vias (crosstalk) que as conexões seriais. Uma última classificação comum dos dispositivos de E/S é entre dispositivos de caracter ou dispositivos de bloco. Dispositivos de caracter são aqueles que trabalham com a transferência de um único byte por vez. Por exemplo, um teclado é um dispositivo de caracter (cada tecla pressionada corresponde a um byte). Dispositivos de bloco são aqueles que aceitam blocos de dados transferidos de uma única vez. Uma placa de rede é um dispositivo de blocos, pois cada pacote é um bloco de vários bytes. 2. Espaço de Memória vs. Espaço de E/S Fisicamente, um processador está conectado aos dispositivos de E/S (ou aos seus controladores) através de barramentos de dados. Mas como o processador acessa estes barramentos? Como um determinado programa requisita ao processador que envie ou leia uma informação a partir do barramento? Que tipo de instrução é utilizada para isso? Existem duas maneiras distintas de acesso a dispositivos de E/S do ponto de vista do processador. Alguns processadores implementam o chamado mapeamento em espaço de memória, enquantos outros implementam o mapeamento em espaço de E/S. No mapeamento em espaço de memória, cada dispositivo conectado a um barramento ganha um endereço que pode ser acessado como um endereço da memória principal. Estes endereços estão associados a operações disponibilizadas pelo dispositivo de E/S (como leitura de dados, escrita de dados, leitura de status, inicialização, etc) ou a registradores do controlador do dispositivo (registrador de dados, registrador de controle, registrador de status, etc). Requisições de leitura e escrita nessas posições de memória, portanto, fazem com que o processador transmita ou leia dados do barramento para o dispositivo associado. Em outras palavras, quando o processador executa uma instrução do tipo mov end, valor, onde end é um endereço de memória associado a um dispositivo de E/S, isso significa que o processador enviará valor para este dispositivo. O significado deste envio depende do dispositivo. valor pode, por exemplo, ser um byte que se deseja enviar através de uma porta serial. Neste tipo de mapeamento, as posições de memória associadas a dispositivos de E/S não podem ser utilizadas para acesso à memória principal. Isso geralmente não é um grande problema, já que são utilizadas posições de memória muito baixas (perto do 0) ou muito altas (perto do valor máximo endereçável) para endereçar os dispositivos de E/S. No primeiro caso (uso de endereços baixos para dispositivos de E/S), as posições da memória principal sofrem

3 um deslocamento. Por exemplo, suponha que os 100 primeiros endereços de memória (do 0 ao 99) tenham sido separados para o acesso a dispositivos de E/S. Neste caso, a posição 0 da memória principal passará a ser acessada através do endereço 100. Um exemplo clássico de mapeamento em espaço de memória era o acesso à placa de vídeo no MS-DOS. As informações que eram exibidas no monitor eram tiradas de um buffer na placa de vídeo. Este buffer, embora localizado em um dispositivo de E/S (ele não estava em memória principal, mas sim na memória da própria placa de vídeo), era mapeado para o endereço 0xB Quando um processo desejava alterar o que era mostrado no monitor, bastava que ele escrevesse os caracteres (quando em modo texto) ou pixels (quando em modo gráfico) nas posições correspondentes dentro deste buffer. A alternativa ao mapeamento em espaço de memória é o mapeamento em espaço de E/ S. Neste caso, cada dispositivo também recebe um ou mais endereços, mas estes não são manipulados como se fossem endereços da memória principal. Ao contrário, estes endereços são manipulados pelo processador através de um conjunto de instruções específicas para operações de E/S. Na maioria dos processadores, estas instruções são chamadas de IN (para leitura de dados do barramento) e OUT (para escrita de dados no barramento). Ambas as instruções recebem como argumento um endereço no espaço de E/S, indicando qual dispositivo deseja-se acessar. No caso da instrução OUT, geralmente há um segundo argumento que é o valor a ser escrito no barramento para o dispositivo. A vantagem do mapeamento em espaço de E/S é a separação clara entre o que é memória principal e o que são dispositivos de entrada e saída. No entanto, é comum que os processadores modernos ofereçam ambos os mecanismos para acesso a dispositivos de E/S. 3. Modos de Transferência de Dados Uma operação de entrada e saída é basicamente uma transferência de dados entre o processador (ou a memória principal) e um dispositivo de E/S. Independentemente do modo de mapeamento dos dispositivos de entrada e saída, existem 3 modos distintos de transferência de dados do processador para um dispositivo de E/S: a E/S programada, a E/S por interrupções e o DMA. A técnica mais simples, e por isso adotada inicialmente nos computadores, é a de E/S programada. Neste caso, a cada pedido do processador ao dispositivo de E/S, é necessário que a CPU realize uma espera ocupada, verificando se o pedido já foi atendido. Por exemplo, imagine que um processo deseja escrever 100 bytes em um arquivo que se encontra no disco rígido da máquina. Após o processo enviar o primeiro byte (digamos, com a instrução OUT), ele deve esperar uma confirmação do HD (ou de sua controladora) de que o byte foi escrito com sucesso. Para isso, em geral, o processo fica em um ciclo executando a instrução IN no endereço de um registrador de status do disco rígido, aguardando que este status mude para um determinado valor de sucesso ou falha. Esta operação de verificar se uma operação de E/S já foi ou não concluída é chamada de polling.

4 Note que este processo pode ser escondido pelo sistema operacional, através de chamadas de sistema que cuidam da transmissão dos dados. Desta forma, o programador que escreveu o programa relativo ao processo que deseja realizar a operação de E/S não precisa se preocupar em como lidar com o dispositivo diretamente. No entanto, de qualquer forma, o processador ficará ocupado durante a operação de E/S, aguardando a confirmação da operação pelo dispositivo. Note ainda que o processador pode executar outras tarefas enquanto espera pela operação de E/S. Basta que a frequência de polling seja reduzida. Ao invés de verificar constantemente o status, o processador realiza outras operações entre dois pollings sucessivos. A frequência de realização do polling é uma decisão do programador. Se a frequência de polling for muito alta, provavelmente um número excessivo de verificações serão realizadas, reduzindo a eficiência no uso do processador. Por outro lado, se a frequência for muito baixa, os tempos de espera por operações de E/S podem ser maiores do que seria realmente necessário. No caso de alguns dispositivos, como uma placa de rede, isso pode significar a perda de dados. Isso ocorre porque determinados dispositivos tem um buffer relativamente pequeno para aguardar pela leitura dos dados pelo processador. Se o processador demora demais para ler os dados do buffer, este pode ser sobrescrito, fazendo com que a informação original se perca. O funcionamento ideal do mecanismo de transferência de dados entre o processador e os dispositivos de E/S deveria ser assíncrono. Em outras palavras, idealmente, o processador faria uma requisição ao dispositivo de E/S que, de alguma forma, avisaria quando a requisição estivesse pronta. Felizmente, nos processadores atuais há um mecanismo simples que provê esta funcionalidade: as interrupções. Na entrada e saída por interrupção, o processador realiza uma requisição para um dispositivo de E/S e passa a fazer qualquer tipo de processamento que esteja disponível naquele momento. Eventualmente, quando o dispositivo de E/S terminar de preparar a resposta à requisição do processador, ele ativa uma interrupção. Cada dispositivo de E/S tem uma ou mais interrupções previamente configuradas para seu uso. Quando a interrupção é disparada, o processador para o que está fazendo e passa o controle da execução para o tratador de interrupções do SO. Este tratador identifica a fonte da interrupção (há um registrador especial no processador cujo valor é interpretado como um vetor binário identificando quais são as interrupções atualmente ativas). Uma vez que o SO tenha identificado qual dispositivo disparou a interrupção, ele toma alguma providência (por exemplo, ele pode desbloquear o processo que havia feito a requisição). As interrupções são uma alternativa bem melhor para a transferência de dados que o sistema de E/S programada. Isso porque o processador não desperdiça tempo de execução fazendo polling no dispositivo de E/S. No entanto, mesmo utilizando as interrupções, ainda há um problema de eficiência. Considere novamente o exemplo do processo que deseja escrever 100 bytes no disco rígido. Se, para cada byte, o processo precisa executar a instrução OUT, há

5 um grande overhead de processamento envolvido com a operação de E/S, já que a instrução OUT teria que ser executada 100 vezes. Em outras palavras, durante o tempo de escrita no disco dos 100 bytes, há um overhead de processamento relativo a transferência de cada byte do processador para o dispositivo de E/S. Note que, provavelmente, estes bytes não estarão diretamente no processador, mas sim em alguma região da memória principal. Isso quer dizer que, antes de executar a instrução OUT, o processo precisa executar um conjunto de instruções para trazer o próximo byte da memória principal para um registrador. Para melhorar a eficiência desta operação, foi criado um mecanismo conhecido como DMA (Direct Memory Access ou Acesso Direto à Memória). A ideia do DMA é simples: ele é basicamente composto de um processador que tem a única tarefa de intermediar as operações de E/S. Quando o processador principal da máquina tem uma grande quantidade de dados a enviar ou receber de um dispositivo de E/S, ele delega esta tarefa ao DMA. O processador informa ao DMA quais são os parâmetros da operação de E/S: endereço do buffer da memória principal (de onde serão lidos os dados a serem enviados para o dispositivo ou para onde serão escritos os dados lidos do dispositivo); número de bytes a serem lidos ou escritos; endereço do dispositivo de E/S; e sentido da operação (da memória principal para o dispositivo ou do dispositivo para a memória principal). O DMA tem acesso direto à memória principal, podendo ler ou escrever em qualquer posição. Ele compartilha o barramento da memória principal com o processador da máquina. Ele, então, se responsabiliza por realizar a operação de E/S completa. Uma vez que a operação tenha terminado completamente, o DMA gera uma interrupção para o processador principal. Durante este intervalo, o processador principal fica completamente livre para executar qualquer outra tarefa disponível. Dada a maior eficiência do método do DMA, este tem sido amplamente adotado a vários anos nos mais diversos sistemas computacionais. No entanto, alguns equipamentos mais simples, baseados em microcontroladores, ainda utilizam métodos como o de E/S por interrupções ou mesmo de E/S programada.