Introdução aos Sistemas Operacionais. Subsistema de Entrada e Saída

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1 Introdução aos Sistemas Operacionais Subsistema de Entrada e Saída Eleri Cardozo FEEC/Unicamp Entrada e Saída O subsistema de entrada e saída é responsável pela interface entre o sistema operacional e os periféricos conectados ao computador (disco, vídeo, teclado, mouse, microfone, altofalante, câmera, rede, etc. etc.). Este subsistema é responsável por tornar mais simples ao sistema operacional e aos processos a interação com os periféricos (por exemplo, escondendo as interrupções geradas pelos periféricos). Vamos examinar 3 componentes fundamentais deste subsistema: Módulos; Acionadores de dispositivos (device drivers); Acesso direto à memória (DMA).

2 Entrada e Saída Chamadas de Sistema (E/S) Provê uma interface homogênea para operações de E/S Subsistema de Entrada e Saída Núcleo dados interrupções Periférico Módulos Módulos provêem extensões ao núcleo do sistema operacional. Estas extensõs (os módulos) podem ser anexadas ao núcleo sob demanda, por exemplo, quando um periférico é conectado. Módulos são componentes fundamentais para o subsistema de entrada e saída pois permitem incorporar ao núcleo as funcionalidades necessárias para a operação dos periféricos conectados ao computador (e apenas destes). O núcleo oferece uma interface para o desenvolvimento de módulos. Portanto, qualquer programador que conheça esta interface pode desenvolver um módulo para operar um periférico.

3 Módulos Módulos são usados tipicamente na implementação de: Acionadores de dispositivos. Exemplo: e100e (Ethernet), nvidia (vídeo), psmouse (mouse), soundcore (som). Sistema de arquivos (filesystem drivers). Exemplo: fat, vfat, nfs. Pilhas de protocolos de rede (network drivers). Exemplo: ipx, isdn. Inclusão de novas chamadas de sistema. Exemplo: Video for Linux (v4l). Linux provê uma interface (conjunto de chamadas de sistema) para a programação de módulos e um conjunto de comandos para o gerenciamento de módulos. Módulos no Linux

4 Módulos no Linux O Linux emprega um conjunto de arquivos de configuração para o gerenciamento de módulos que especificam: Os módulos que devem ser instalados na inicialização do sistema (/etc/modules). Os módulos que não devem ser carregados no sistema (blacklist) (/etc/modprobe.d/blacklist.conf). Os parâmetros de inicialização dos módulos e suas dependências de outros módulos, quando necessários (/etc/modprobe.d/<nome do módulo>.conf). Módulos no Linux /* hello.c * "Hello world" - um modulo elementar * Compile com gcc -c hello.c -Wall */ /* Declara o codigo como modulo (parte do nucleo) */ #define KERNEL /* uma parte do nucleo */ #define MODULE /* mas nao uma parte permanente */ /* inclusoes padrao para modulos */ #include <linux/modversions.h> #include <linux/module.h> /* Inicializacao do LKM (loadable kernel module) */ int init_module() { printk("o modulo hello world foi instalado\n"); return 0; } /* Cleanup */ void cleanup_module() { printk("o modulo hello world foi desinstalado\n"); }

5 Desenvolvimento de Módulos O desenvolvedor de módulos deve utilizar apenas as bibliotecas empregadas na programação do núcleo. Por exemplo, libc não pode ser empregada em módulos (razão pela qual o exemplo anterior não utilizou a função printf). Durante o teste do módulo uma falha pode comprometer todo o núcleo (lembre-se que módulos são parte do núcleo). O desenvolvedor pode utilizar User-mode Linux (UML) para desenvolver e testar módulos. UML é uma máquina virtual que executa o sistema Linux no espaço do usuário. Acionadores de Dispositivos 0 1 N-1 Blocos e Inodes (visão abstrata do dispositivo) Acionador de Dispositivo (Device Driver) Dispositivo físico de armazenamento

6 Acionadores de Dispositivos Núcleo Acionador de Dispositivo dados int. controle Barramento (PCI, ISA, etc.) Buffer Registradores Controlador de Dispositivo Interface de comunicação (SATA, USB, etc.) Dispositivo Dispositivos de E/S Os acionadores de dispositivos operam de duas formas em função do dispositivo físico que controlam Orientados a bloco: a transferência de dados se dá em blocos de bytes. Acionadores de disco, CD-ROM, memória USB são exemplos deste tipo. Orientados a caractere: a transferência de dados se dá byte a byte. Acionadores de terminais, porta serial e porta paralela são exemplos deste tipo. Via de regra, os acionadores de dispositivos orientados a bloco utilizam um cache de blocos ou páginas em memória (cache de buffers ou páginas no Unix/Linux). Portanto, são mais complexos que os orientados a caractere.

7 Acionadores de Dispositivos no Linux No Linux, acionadores de dispositivos são acessados a partir do espaço do usuário da mesma forma que arquivos. Para tal, cada acionador de dispositivo é representado por um arquivo especial no diretório /dev. Para relacionar um arquivo no diretório /dev com um acionador de dispositivo são empregados dois identificadores: número maior e número menor. O comando mknod cria um arquivo especial que será associado a um acionador de dispsitivo, por exemplo mknod /dev/mydriver c 60 0 cria um acionador de de dispositivo de nome mydriver do tipo caractere (c) cujos números maior e menor são 60 e 0, respectivamente. Acionadores de Dispositivos no Linux

8 Acionadores de Dispositivos no Linux open close read write mmap ioctl Chamadas de Sistema (E/S) Implementadas pelo acionador de dispositivo Acionador de Dispositivo Dispositivo de E/S Exemplo: Video for Linux (v4l) Inicia/encerra operação do dispositivo Mapeia buffer de imagem do acionador de dispositivo na memória do processo open close mmap ioctl Chamadas de Sistema (E/S) Configura dispositivo (formato e tamanho da imagem) Controla o dispositivo (captura de imagem) /dev/video0 Acionador de Dispositivo (videodev) WebCam Acionador de Dispositivo (uvcvideo) USB

9 Acesso Direto à Memória Acesso direto à memória (DMA: Direct Memory Access) é um componente fundamental do subsistema de entrada e saída e presente em praticamente todos os dispositivos de entrada e saída orientados a bloco como discos, CD-ROM, etc. Estes dispositivos possuem um componente de hardware denominado controlador de DMA. Este controlador tem por objetivo liberar a CPU de copiar dados de/para a memória em operações de entrada e saída. DMA é usado tipicamente em: Transferência de páginas entre memória e área de swap. Transferência de blocos entre memória (cache de bufffers ou de páginas) e disco. Transferência de pacotes de rede entre memória e NIC. Acesso Direto à Memória CPU Memória CPU Memória CPU Memória Controlador de DMA Controlador de DMA Controlador de DMA (a) Programação do controlador de DMA (b) Transferência de dados para a memória (c) Notificação via interrupção barramento

10 Acesso Direto à Memória Memória Barramento CPU-Memória CPU Chamadas de Sistema (E/S) Acionador de Dispositivo dados int. controle Barramento Controlador de DMA Controlador de Dispositivo Interface de comunicação (SATA, USB, etc.) Dispositivo