Sistemas de Entrada e Saída

Transcrição

1 Sistemas de Entrada e Saída Eduardo Ferreira dos Santos Ciência da Computação Centro Universitário de Brasília UniCEUB Maio, / 31

2 Sumário 1 Interrupções 2 Camadas de Software de E/S 2 / 31

3 Interrupções 1 Interrupções 2 Camadas de Software de E/S 3 / 31

4 Interrupções Interrupções revisitadas A estrutura de interrupções em hardware funciona de uma maneira ligeiramente diferente: 1 Ao nalizar o trabalho, o dispositivo de E/S gera uma interrupção enviando um sinal à linha de barramento; 2 O sinal é detectado pelo chip do controlador, que decide o que fazer; 3 Se nenhuma outra interrupção está pendente, o controlador de interrupção processa imediatamente; 4 Se algum outro dispositivo solicitar o recurso e estiver ocupado, é simplesmente ignorado; 5 O dispositivo ca enviando o sinal de interrupção até o barramento estar disponível. 4 / 31

5 Interrupções Implementação hardware Figura 1.1: Ciclo de interrupções de E/S [Galvin et al., 2013] 5 / 31

6 Interrupções Polling Para cada byte de I/O: 1 Dispositivo lê o registrador de status até que esteja disponível (0); 2 Dispositivo ajusta o bit de leitura e/ou escrita. Se estiver escrevendo, copia os dados para o registrador data-out; 3 Dispositivo ajusta o bit de command-ready; 4 Controladora ajusta o bit de ocupado e executa a transferência; 5 Controladora ajusta o bit de ocupado, de erro e de command-ready quando a transferência estiver completa. Durante o passo 1 está no ciclo de busy-wait. Implicações? 6 / 31

7 Interrupções Interrupções O polling pode precisar de três ciclos de CPU: 1 Lê bit de status; 2 Extrai bit de status; 3 Espera ou escreve. O CPU precisa produzir algum tipo de interrupção; Mecanismo de vetor de interrupção: Troca de contexto no começo e no m; Baseado em prioridade; Problema da cadeia de interrupções. Algumas interrupções podem ser ignoradas: mascaradas. 7 / 31

8 Interrupções Vetor de interrupção Figura 1.2: Tabela de interrupções do processador Intel [Galvin et al., 2013] 8 / 31

9 Interrupções Interrupção precisa Pode ser difícil mapear o estado das interrupções em sistema multiprocessados. Ex.: pipeline; Interrupção precisa [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]: 1 O contador de programa (program counter PC) é salvo em um lugar conhecido; 2 Todas as instruções anteriores àquela apontada pelo PC foram totalmente executadas; 3 Nenhuma instrução posterior à apontada pelo PC foi executada; 4 O estado de execução da instrução apontada pelo PC é conhecido. Se os requisitos não forem atendidos a interrupção é considerada imprecisa. 9 / 31

10 Interrupções Exemplo (a) Interrupção precisa; (b) Interrupção imprecisa. Figura 1.3: Exemplo de interrupção precisa e imprecisa [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 10 / 31

11 Interrupções Considerações O mesmo mecanismo utilizado pelas interrupções também é utilizado pelas exceções; Erro no acesso à memória: page fault; A interação com o kernel acontece via trap; Sistemas com múltiplas CPU podem executar interrupções simultâneas; Processamento que leva em consideração o tempo. 11 / 31

12 1 Interrupções 2 Camadas de Software de E/S 12 / 31

13 Objetivos Princípio: independência de dispositivo; Não preciso saber qual é o disco antes de mandar o software escrever; Qualquer input de teclado deve gerar a mesma saída na tela; Nomeação uniforme: o arquivo deve ser identicado pela mesma sequência de caracteres em qualquer dispositivo; O endereçamento do dispositivo é feito pelo nome do caminho: ponto de montagem. O tratamento de erros deve ocorrer o mais próximo do hardware possível; Tipo de transferência: sincrona (bloqueante) ou assíncrona (orientada à interrupção); Utilização de armazenamento temporário: buer. 13 / 31

14 Implementações de E/S As implementações de E/S são organizadas de acordo com o mecanismo de transferência: E/S programada A CPU faz todo o trabalho. Envia os dados à medida que chegam e ca esperando o sinal de disponível; E/S interrupção E/S orientada à interrupção era uma interrupção ao terminar de enviar cada caractere; E/S DMA Utiliza a DMA para evitar uma interrupção para cada caractere. 14 / 31

15 E/S programada Figura 2.1: Passos ao enviar uma string à impressora [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 15 / 31

16 E/S programada (implementação) Figura 2.2: Escrevendo uma string na impressora utilizando E/S programada [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 16 / 31

17 E/S orientada à interrupção (a) Código executado no momento que a SYSCALL é chamada; (b) Procedimento do serviço de interrupção da impressora. Figura 2.3: Escrevendo uma string na impressora utilizando E/S orientada à interrupção [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 17 / 31

18 E/S orientada à DMA (a) Código executado no momento que a SYSCALL é chamada; (b) Procedimento do serviço de interrupção. Figura 2.4: Imprimindo uma string utilizando DMA [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 18 / 31

19 Camadas de software Cada camada do software de E/S tem uma função bem denida; A comunicação se dá através de uma interface com a camada adjacente. Figura 2.5: Camadas do software de E/S [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 19 / 31

20 Tratadores de interrupção As interrupções normalmente são um fato desagradável e não podem ser evitadas; A implementação no hardware é feita através do driver; Uma das formas de diminuir o risco é bloquear o driver até que a operação de E/S seja nalizada; Ex.: interagir com semáforos; Processar interrupção não é apenas dar um UP num semáforo: existem questões relativas aos estados das tarefas que precisam ser tratadas; Algoritmos de interrupção via software. 20 / 31

21 Algoritmo de interrupção [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 1 Salva todos os registradores que ainda não foram salvos pelo hardware; 2 Estabelece um contexto para a rotina de tratamento da interrupção; 3 Estabelece uma pilha para a rotina de tratamento da interrupção; 4 Sinaliza o controlador de interrupção; 5 Copia os registradores de onde eles foram salvos para a tabela de processor; 21 / 31

22 Algoritmo de interrupção (cont.) 6 Executa a rotina de tratamento de interrupção; 7 Escolhe o próximo processo a executar; 8 Estabelece o contexto da MMU para o próximo processo; 9 Carrega os registradores do novo processo; 10 Inicializa o novo processo. 22 / 31

23 Drivers de dispositivos Figura 2.6: Posicionamento lógico dos drivers de dispositivos [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 23 / 31

24 Utilização dos drivers Kernel monolítico x Microkernel; Principal função do driver: executar requisições de E/S abstratas, independente do dispositivo; Envio de comandos para o dispositivo; Manusear em operação: hot pluggable systems; Os drivers não são aptos a executar chamadas de sistema (SYSCALL). 24 / 31

25 E/S no kernel Figura 2.7: Estrutura de E/S no kernel [Galvin et al., 2013] 25 / 31

26 Independência Figura 2.8: Funções do software de E/S independente do dispositivo [Galvin et al., 2013] 26 / 31

27 Uniformidade (a) Sem uma interface padrão (b) Com uma interface padrão. Figura 2.9: Interface uniforme para tratamento de dispositivos [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 27 / 31

28 E/S no espaço do usuário Alguns pedaços do sistema operacional são construídos no formato de bibliotecas reutilizáveis. Ex.: SYSCALL As bibliotecas são linkadas no momento da compilação; Daemon: Processo especial que consome o diretório de spool. 28 / 31

29 Camadas do espaço do usuário Figura 2.10: E/S implementado por camadas e suas funções [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 29 / 31

30 OBRIGADO!!! PERGUNTAS??? 30 / 31

31 Galvin, P. B., Gagne, G., and Silberschatz, A. (2013). Operating system concepts. John Wiley & Sons, Inc. Tanenbaum, A. S. and Machado Filho, N. (1995). Sistemas operacionais modernos, volume 3. Prentice-Hall. 31 / 31