Entrada. Saída. Entrada e Saída. Sistemas Operacionais

Transcrição

1 Entrada Saída Entrada e Saída Sistemas Operacionais

2 Introdução Todos os processos dependem de recursos de entrada e saída. Seja para receber dados ou para apresentar resultados. Há diversos tipos de dispositivos de entrada e saída ligados a um computador, tais como: Mouse, teclado, discos, adaptadores de vídeo, dispositivos USB, conexões de rede, adaptadores de áudio, impressoras, dispositivos de acessibilidade e vários outros...

3 Introdução A ligação dos dispositivos ao computador pode ser por meio de cabos ou através de comunicação sem fio. Internamente, as ligações são realizadas através de barramentos (conjuntos de trilhas - conceitualmente semelhantes a pequenos fios elétricos). Cada barramento utiliza um protocolo de controle, para gerenciar a comunicação e possui diferentes características, tais como largura e banda.

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5 Introdução Cada dispositivo de E/S ligado ao computador será gerenciado pelo SO. Para que o SO saiba como se comunicar e controlar cada um destes dispositivos, um Device Driver deverá ser fornecido. Os dispositivos de E/S podem ser classificados grosseiramente entre: Armazenamento; Comunicação; Interface com usuário; Outros.

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7 Entrada e Saída As operações de E/S costumam ser feitas através: E/S em porta E/S mapeada em memória DMS - Acesso direto à memória

8 Entrada e Saída E/S em porta: Portas específicas para realizar operações de entrada e saída foram os primeiros recursos computacionais criados para que o processador solicite, ou envie, dados para dispositivos de E/S. O endereço das portas são fixados por hardware. Estes dispositivos precisam ser associados a um endereço de porta, em nível de BIOS, e estarão disponíveis apenas em Modo Real ou Modo Kernel. Obs.: processadores trabalhando em modo 64 bits não contemplam mais o uso de portas de E/S.

9 Entrada e Saída Exemplos de portas de comunicação de cada dispositivo: Intervalo de endereço de E/S 000h - 00Fh 020h - 021h 040h - 043h 200h - 20Fh 2F8h - 2FFh 320h - 32Fh 378h - 37Fh 3D0h - 3DFh Dispositivo Controlador DMA Controlador de Interrupção Relógio Controlador de jogo Porta serial secundária Controlador de disco Porta paralela Controlador gráfico

10 Entrada e Saída E/S em porta - exemplo em porta paralela: mov dx,378h mov al, CARACTERE out dx, al Link com exemplo: 1.

11 Entrada e Saída E/S mapeada em memória: Uma abordagem um pouco mais nova do que a utilização de portas de E/S é o mapeamento de um determinado endereço de memória física para um dispositivo de E/S. Desta forma, quando o processador executa um MOV no endereço associado a um dispositivo de E/S, estará lendo, ou gravando, do dispositivo associado a aquele endereço. Este mapeamento dá origem ao plug & play, que é o processo de escolha de um determinado endereço para um novo dispositivo em tempo de execução.

12 Entrada e Saída E/S mapeada em memória: Esta abordagem ainda é dominante em sistemas embarcados e é utilizada pelos SOs apenas em modos de execução com a permissão adequada, tal como em modo Kernel ou em Drivers. Nela, intervalos de memória física são reservados para os dispositivos de E/S.

13 Entrada e Saída E/S mapeada em memória: Memória Principal endereço físico IOMMU MMU endereço do dispositivo endereço virtual Dispositivo CPU

14 Entrada e Saída E/S mapeada em memória - exemplo LPT: FFE0: Caractere para imprimir FFE2: Status da impressora Código Assembly: aguarda: mov bx, [FFE2] and bx, 1 cmp bx, 0 je 0000 imprimi: mov [FFE0], ax...

15 Entrada e Saída E/S mapeada em memória - Atividade prática! Utilizando a memória mapeada para acessar o vídeo.

16 Entrada e Saída DMA - Acesso Direto à Memória: Para dispositivos que trabalham com grandes volumes de dados (tal como em discos), é um enorme desperdício fazer com que o processador se responsável por solicitar que cada dado lido seja armazenado em memória. Somado a isto, lembramos que todos os dispositivos de E/S costumam ser muito mais lentos do que a memória RAM.

17 Entrada e Saída DMA - Acesso Direto à Memória: O DMA também é protegido, por questões de segurança (utilização apenas através de modo Kernel). Durante transferências DMA, o processador pode operar apenas com seus registradores e memória cache, pois a memória RAM e o barramento estarão ocupados na transferência dos dados.

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19 Entrada e Saída Modos de acesso - comparação: Método Vantagem Desvantagem Porta Simples Limitado Mapeado em memória Plug and Play Utiliza memória DMA Eficiente Complexo

20 Entrada Saída Interface de E/S da aplicação Entrada e Saída

21 Interface de E/S da aplicação Além do modo básico de acesso aos dispositivos de E/S, outras questões muito importantes devem ser levadas em consideração ao se planejar as interfaces de comunicação: drivers. Há diferentes dimensões, quando se diferenciam dispositivos de E/S. No próximo slide são apresentados exemplos:

22 Interface de E/S da aplicação Dimensão Variação Exemplo Modo de transferência de dados Método de acesso Agendamento de transferência Compartilhamento Velocidade do dispositivo Direção de E/S Caractere Bloco Sequencial Aleatório Síncrono Assíncrono Dedicado Compartilhável Latência Tempo de busca Taxa de transferência Atraso entre operações Apenas leitura Apenas escrita Leitura e escrita Terminal Disco Modem SSD HDD Teclado Fita magnética Teclado CD-ROM Controladora gráfica Disco

23 Interface de E/S da aplicação Por questões de segurança, somente os drivers dos dispositivos executam em modo com a permissão necessária para comunicar com os dispositivos. Entretanto, a maioria dos OS também tem um escape que permite aos aplicativos enviar comandos diretamente para os drivers dos dispositivos, caso necessário. Em Linux, isto é feito através da chamada de sistema ioctl(): #include <sys/ioctl.h> int ioctl(int fd, unsigned long request, );

24 Interface de E/S da aplicação Dispositivos de Rede: Devido às características e ao crescente número de aplicações que precisam trocar dados através de redes: Mecanismos diferenciados foram criados na maior partes dos SOs para comunicação em rede; Uma das formas mais comuns é a interface socket, que funciona como se fosse um cabo (ou um encanamento) para troca de dados entre dois computadores; Ver atividade prática de sockets em Processos.

25 Interface de E/S da aplicação Relógios e Temporizadores: Três tipos de serviços de tempo são geralmente necessários em SOs modernos: Obter a data e hora atuais; Obter o tempo decorrido desde um evento prévio; Definir um temporizador para disparar um evento X em um momento T. Um temporizador de interrupção programável (PIT - programmable interrupt timer) pode ser utilizado como gatilho de operações e para medir o tempo decorrido.

26 Interface de E/S da aplicação Bloqueio em E/S: As operações de E/S podem ser: Com Bloqueio (síncrona): o processo é movido para a fila de espera quando a E/S é solicitada. Ao terminar a E/S ele retorna para a fila de prontos. Sem Bloqueio (assíncrona): o processo continua sem interrupção, mesmo que a operação E/S não tenha concluído. uma abordagem comum dos programadores (para evitar o bloqueio) é de implementar um programa com múltiplas threads. Desta forma, apenas as threads responsáveis pela E/S é que serão bloqueadas.

27 Interface de E/S da aplicação Bloqueio em E/S: (a) com bloqueio e (b) sem bloqueio

28 Interface de E/S da aplicação Buffering (retenção): Um buffer é uma região de memória que guarda dados temporariamente. O buffering em E/S é realizado por ao menos 3 principais motivos: 1. Diferença de velocidade entre dois dispositivos; 2. Diferença de tamanho em transferência de dados; 3. Para suportar semântica de cópia.

29 Interface de E/S da aplicação Buffering (retenção): 1. Diferença de velocidade entre dois dispositivos: Um dispositivo lento deve escrever dados em um buffer. Tudo que foi escrito será enviado rapidamente ao dispositivo rápido. É comum a implementação de 2 buffers: Enquanto o dispositivo lento escreve no buffer A, o dispositivo rápido lê do buffer B. E vice-versa. Isto é conhecido como double buffering e é muito utilizado em animação gráfica (um buffer é visualizado e outro está em construção)

30 Interface de E/S da aplicação Buffering (retenção): 2. Diferença de tamanho em transferência de dados: É mais utilizado em comunicação de redes; As mensagens escritas em sockets costumam ser muito maiores do que os pacotes de transferência podem carregar. Então, cada mensagem é quebrada em partes menores (em um buffer) e enviadas ao destinatário; Ao receber a mensagem fragmentada, o destinatário deverá armazenar os pacotes em um buffer, até ser capaz de montar a mensagem completa.

31 Interface de E/S da aplicação Buffering (retenção): 3. Para suportar semântica de cópia : Quando um processo solicita uma escrita em disco, os dados a serem gravados são copiados da memória do usuário para um buffer no kernel. Os dados serão eventualmente gravados pelo kernel mais tarde: É importante para o SO registrar o tempo correto da solicitação, para fins de registro no arquivo. É utilizado em outros contextos, não apenas para discos.

32 Interface de E/S da aplicação Caching: Um cache é uma cópia de dados em algum local mais ágil do que o original (geralmente armazenado): Caching e Buffering são muito similares, exceto que o buffer detém a única cópia de um determinado dado naquele momento, enquanto o cache supõem a duplicidade em outro local. Na prática ambos trabalham em conjunto. Ex.: após um buffer ser escrito no disco, a cópia em memória pode ser usada como cache.

33 Interface de E/S da aplicação Spooling (reserva de dispositivo): Um spool (simultaneos peripheral operations on-line) é um buffer especial para dispositivos que não suportam fluxos de dados intercalados. Ex.: uma impressora não pode imprimir dois documentos ao mesmo tempo. Nesta caso, cada buffer é um arquivo. Ao terminar de escrever o arquivo (fechar), o SO sabe que aquele buffer está pronto para ser enviado ao dispositivo. O SO gerenciará uma fila de buffers.

34 Conclusões Do ponto de vista do processador, tudo são operações de escrita e leitura (saída e entrada); Diferentes recursos de E/S devem ser disponibilizados pelo SO, principalmente para resolver divergências de multiprogramação e de paralelismo. Dos níveis mais baixos (driver) até os níveis mais alto (chamadas de sistema) o SO é responsável por controlar e viabilizar operações que executam fundamentalmente sobre o hardware.

35 Exercícios 1. Geralmente os computadores tem dois gerenciadores DMA, com 4 canais cada. a. Pesquise qual é a utilização mais comum para cada canal. b. Qual é o comando Linux para verificar a utilização dos canais DMA? 2. Sobre drivers: a. Busque informações e informe quais são os principais requisitos para desenvolver um driver de dispositivo para o SO Windows. b. Por que drivers necessitam de privilégios especiais e não podem rodar em modo usuário?

36 Exercícios 3. Classifique as dimensões de um socket, no que se refere às seguintes dimensões: a. Modo de transferência de dados; b. Método de acesso; c. Agendamento de transferência; d. Compartilhamento; e. Direção de E/S; 4. Pesquise e apresente uma função equivalente à ioctl para o SO Windows.