Sistemas Operacionais. Entrada/Saída

Transcrição

1 Sistemas Operacionais Entrada/Saída Atualizado em 28/02/2014

2 Como ocorre a comunicação de E/S Aplicação Operações de E/S Chamadas de Sistema S.O. Subsistema de E/S Núcleo (Kernel) Drivers HARDWARE Controladoras Dispositivo

3 Papel do S.O. O sistema operacional deve tornar as operações de E/S o mais simples possível para o usuário e suas aplicações. O usuário não deve se preocupar com detalhes do dispositivo que está sendo acessado.

4 Operações de E/S Aplicação Operações de E/S Chamadas de Sistema S.O. Subsistema de E/S Núcleo (Kernel) Drivers HARDWARE Controladoras Dispositivo

5 Operações de E/S Realizadas pela aplicação através das bibliotecas próprias da linguagem de programação ou pelo conjunto de funções (API) do Sistema Operacional. Usam, internamente, as Chamadas de Sistemas de E/S para realizar a comunicação com o dispositivo.

6 Classificação das Operações de E/S Síncronas: O processo que realizou a operação espera pelo seu término. A maioria dos comandos de E/S das linguagens de programação funcionam desta forma Assíncronas: O processo que realizou a operação não espera pelo seu término e continua pronto para ser executado. O S.O. deverá possuir algum mecanismo que avise o processo que a operação foi concluída.

7 Chamadas de Sistema de E/S Aplicação Operações de E/S Chamadas de Sistema S.O. Subsistema de E/S Núcleo (Kernel) Drivers HARDWARE Controladoras Dispositivo

8 Chamas de Sistema de E/S As operações de E/S devem ser realizadas através de Chamadas de Sistema (System Calls), que chamam as rotinas de E/S no núcleo (Kernel) do sistema operacional. As Chamas de Sistema simplificam a interface entre as aplicações e os dispositivos, escondendo do programador as características específicas de cada dispositivo.

9 Subsistema de E/S Aplicação Operações de E/S Chamadas de Sistema S.O. Subsistema de E/S Núcleo (Kernel) Drivers HARDWARE Controladoras Dispositivo

10 Subsistema de E/S Fornece uma interface uniforme para acessar qualquer dispositivo Cria uma unidade lógica de transferência, independente do dispositivo Deixa os detalhes de cada dispositivo para serem descritos pelos Drivers.

11 Responsabilidades do Subsistema de E/S Criar uma interface padronizada com os Drivers Implementar mecanismos de proteção de acesso aos dispositivos. Acesso simultâneo (concorrência) Permissão de acesso Garantia da integridade Bufferização dos dados Visa reduzir o número de operações de E/S

12 Drivers Aplicação Operações de E/S Chamadas de Sistema S.O. Subsistema de E/S Núcleo (Kernel) Drivers HARDWARE Controladoras Dispositivo

13 São geralmente escritos em linguagens baixo nível (ex: Assembly). Sempre devem ser cuidadosamente testados. Drivers Recebe comandos gerais sobre acesso aos dispositivos e traduz para comandos específicos, que poderão ser executados pelas Controladoras. Pode realizar outras funções, como inicialização e gerenciamento dos dispositivos.

14 Controladoras Aplicação Operações de E/S Chamadas de Sistema S.O. Subsistema de E/S Núcleo (Kernel) Drivers HARDWARE Controladoras Dispositivo

15 Controladoras Componentes de Hardware responsáveis por manipular diretamente os dispositivos de E/S. Uma placa independente conectada a um slot da placa mãe. Uma placa embutida (onboard) na placa mãe. Possui memória e registradores próprios, utilizados na execução de instruções enviadas pelo Driver.

16 Responsabilidades de uma Controladora Tratar múltiplos dispositivos Converter fluxo serial de bits em bloco de bytes Executar toda correção de erro necessária Tornar o bloco disponível para ser copiado para a Memória Principal

17 Como funcionam as Controladoras As controladoras realizam operações de leitura/gravação (entrada/saída) no dispositivo usando sua própria memória. Na gravação, os dados que estão em sua memória são transferidos para o dispositivo. Na leitura, os dados do dispositivo são transferidos para sua memória. Após uma operação de leitura/gravação, é feita a verificação de erro.

18 Envio dos dados lidos à Memória Principal Após a leitura e verificação de erro (e se obviamente não houver erro), os dados devem ser enviados para a memória principal. Pode ser feito: Pela CPU; ou Por uma controladora especial, a Controladora de Acesso Direto a Memória (DMA).

19 Operação de Leitura pela CPU CPU 3 Memória Principal Controladora de Impressora 1 2 Controladora de Disco

20 Operação de Leitura pela CPU: Passo a Passo 1) CPU, através do Driver, inicializa os registradores da Controladora de Disco e solicita transferência do conteúdo de um bloco do disco para seu cache. 2) A Controladora de Disco transfere o conteúdo. 3) Caso não haja erro, a CPU transfere os dados de seu cache para a Memória Principal.

21 Operação de Leitura pela Controladora de DMA CPU 1 Controladora de DMA 4 Memória Principal 2 3 Controladora de Impressora Controladora de Disco

22 Operação de Leitura pela Controladora de DMA: Passo a Passo 1) CPU, através do Driver, inicializa os registradores da Controladora de DMA. 2) A Controladora de DMA solicita a Controladora de Disco a transferência do conteúdo de um bloco do disco para sua memória interna (buffer). 3) A Controladora de Disco transfere o conteúdo. 4) Caso não haja erro, a Controladora de DMA transfere os dados de sua memória interna para a Memória Principal.

23 Vantagem do uso da Controladora de DMA Tira da CPU a responsabilidade por controlar a operação de E/S, evitando que a mesma fique ocupada com a transferência dos dados para a Memória Principal. Como resultado, há uma melhora na performance.

24 Como a CPU saberá do término da operação? A Controladora de DMA deve gerar uma Interrupção, avisando a CPU que a operação terminou Em caso de sucesso ou de erro.

25 Interrupção Numa Interrupção, o processador interrompe o que estava executando e desvia o controle para uma rotina responsável por tratar o evento ocorrido, denominada Rotina de Tratamento de Interrupção. Para que o programa possa posteriormente voltar a ser executado, é necessário que, no momento da interrupção, um conjunto de informações sobre a execução seja preservado. Essas informações consistem no conteúdo de Registradores, que serão restaurados para a continuação do programa.

26 Dispositivos de E/S Aplicação Operações de E/S Chamadas de Sistema S.O. Subsistema de E/S Núcleo (Kernel) Drivers HARDWARE Controladoras Dispositivo

27 Dispositivos de E/S Permitem a entrada e saída de dados no computador. É sua interface com o mundo externo.

28 Classificação dos Dispositivos de E/S Dispositivos de Entrada Teclado, Mouse, CD-ROM, etc. Dispositivos de Saída Impressora, Monitor, etc. Há também dispositivos de desempenham as duas funções Discos Rígidos, CD-RW, Memórias Flash (PenDrive), Monitor sensível ao toque, etc.

29 Taxa de dados de alguns dispositivos

30 Discos Magnéticos

31 Discos Magnéticos São constituídos de vários discos sobrepostos, unidos por um mesmo eixo vertical, girando em uma velocidade constante. Cada disco é composto por Trilhas, que são divididas em Setores. Trilhas que ocupam a mesma posição vertical foram um Cilindro.

32 Composição Braço Cabeça de Leitura Setor Eixo Trilha Prato Cilindro

33 Exemplos de parâmetros: IBM PC Original

34 Tempo de Acesso Tempo necessário para ler ou escrever um bloco de disco é determinado por 3 fatores: 1) tempo de posicionamento 2) atraso de rotação 3) tempo de transferência do dado Tempo de posicionamento domina A checagem de erro é feita pelas controladoras

35 Algoritmos de Escalonamento do Braço do Disco Posicionamento Mais Curto Primeiro (SSF)

36 Algoritmos de Escalonamento do Braço do Disco Algoritmo do Elevador

37 Tratamento de Erro a) Uma trilha de disco com um setor defeituoso b) Substituindo um setor reserva por um setor defeituoso c) Deslocando todos os setores para pular o setor defeituoso

38 Desempenho, Redundância e Proteção de Dados RAID Redundant Arrays of Inexpensive Disk Criado no final da década de 1980 por pesquisadores da Universidade de Berkeley Implementa redundância e proteção de dados Possui, originalmente, seis níveis: 1-6 Foi criado o nível 0 posteriormente

39 RAID Podem ser implementados diretamente nos controladores de dispositivos, o chamado RAID Externo O RAID faz o sistema operacional tratar vários discos (um array de discos) como se fosse um. RAID 0: Divisão de uma operação pelos discos não tem redundância, mas otimiza o desempenho RAID 1: Espelhamento o disco primário é espelhado nos demais RAID 5: Redundância com Paridade checagem de erro efetuada a cada gravação

40 RAID

41 RAID Leituras indicadas: 1.MORIMOTO, Carlos E.. Hardware, O guia definitivo Disponível em: 2.TORRES, Gabriel; LIMA, Cássio.Tudo o Que Você Precisa Saber Sobre RAID Disponível em: