Entradas/Saídas. 1. Princípios de hardware/software de E/S 2. Camadas de software de E/S 3. Relógios (Temporizadores) 4. Gestão de consumo de potência

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1 Entradas/Saídas 1. Princípios de hardware/software de E/S 2. Camadas de software de E/S 3. Relógios (Temporizadores) 4. Gestão de consumo de potência

2 Organização de um Sistema Operativo System Call Handler File System 1... File System m Virtual memory Driver 1 Driver 2... Driver n Threads, thread scheduling, thread synchronization Interrupt handling, context switching, MMU Hide the low-level hardware 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 2

3 Principios de hardware/software de E/S Dispositivos de Entrada/Saída Dispositivo Teclado Rato Modem Linha ISDN Impressora Scanner Ritmo de transferência 10 bytes/sec 100 bytes/sec 7 KB/sec 16 KB/sec 100 KB/sec 400 KB/sec Dispositivo SCSI Ultra-2 GigaBit Ethernet PCI bus SUN Gigaplane XB backplane Ritmo de transferência 78 MB/sec 125 MB/sec 528 MB/sec 20 GB/sec Ethernet USB Disco IDE 40x CD-ROM Fast-Ethernet ISA Bus FireWire XGA Disblay 1.25 MB/sec 1.5 MB/sec 5 MB/sec 6 MB/sec 12.5MB/sec 16.7 MB/sec 50 MB/sec 60 MB/sec 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 3

4 Controladores de dispositivos Dispositivos de E/S têm componentes: mecânicos - o próprio dispositivo e/ou electrónicos placa controladora ou adaptador O componente electrónico é o controlador do dispositivo Pode ser utilizado para controlar vários dispositivos Tarefas do controlador: converter formato de dados fornecido pelo dispositivo (e.g. stream de bits para um bloco de bytes) realizar correcção de erros (e.g. Checksum) colocar resultados da operação de E/S na memória principal 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 4

5 Mapeamento de dispositivos de E/S Dois espaços de endereçamento 0xFF.. Memória Um espaço de endereçamento Dois espaços de endereçamento Portos E/S 0 (A) (B) (C) A) Espaço de endereçamento separados B) Espaço de E/S mapeado no endereçamento de memória C) Solução híbrida Programação fica mais facilitada com E/S em memória. 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 5

6 Mapeamento de dispositivos de E/S Barramento de E/S e Barramento de memória (A) (B) CPU lê e escreve na memória através de um barramento com alta largura de banda. CPU Memória E/S CPU Memória E/S Todos os endereços (memória e E/S) (a) Arquitectura com barramento único (b) Arquitectura com duplo barramento Tem a finalidade de disponibilizar acesso a memória aos dispositivos de E/S Arquitectura Arquitectura dos dos PC s PC s actuais. actuais. Exemplo Exemplo de de barramentos barramentos externos externos do do Pentium: Pentium: -Memória,PCI,ISA -Memória,PCI,ISA 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 6

7 Direct Memory Access (DMA) CPU 1. DMA Endereço Buffer Controlador Disco Drive Memória Contador Controlo Passos numa transferência por DMA 1. CPU programa DMA para fazer a transferência 2. DMA pede transferência para a memória 3. Dados são transferidos 4. Acknowledge 5. Interrompe quando conlcuído Cycle stealing Burst mode Fly-by mode 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 7

8 Revisão de interrupções Passos seguidos quando ocorre uma interrupção. Linhas de interrupções existentes no barramento permitem a cada dispositivo gerar uma interrupção diferente. 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 8

9 Objectivos do software de E/S Independência de dispositivos Programas podem aceder a qualquer dispositivo de E/S, sem especificar o dispositivo com antecedência. (floppy, hard drive, or CD-ROM) Uniformização dos nomes Nome de dispositivo independente do tipo de dispositivo (/mnt/floppy; /mnt/cdrom). Ficheiros e devices são acedidos da mesma forma: usando pathname Independente do tipo de máquina Processamento de erros Processamento o mais próximo do hardware como possível. Se o controlador não conseguir tratar o erro, tem de ser o device driver 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 9

10 Objectivos do software de E/S Abstração das transferência síncronas (no software) vs assíncronas (para o hardware) transferências assíncrona ao nível do hardware (CPU faz pedido e vai fazer outras actividades até receber um interrupt ) Programação normalmente é bloqueante ( depois de um system call tipo read, o programa é suspenso até que a informação esteja disponível). Buffering dados vindos do dispositivo não podem ser armazenados no seu destino final. Pacote tem de ser armazenado no S.O. Distinguir dispositivos dedicados vs partilhados discos são partilhados por vários utilizadores em simultâneo tape drives não são partilhados (só 1 utilizador de cada vez a pode usar). É da responsabilidade do SO lidar com estes dois tipos de dispositivos. 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

11 Programação de E/S Recorrendo à CPU User Kernel Texto para imprimir ABCD EFGH Página impressa próxima ABCD EFGH Página impressa A próxima ABCD EFGH AB Passos para imprimir texto 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

12 Programação de E/S Recorrendo à CPU Sequência de acções executadas pelo SO para o exemplo anterior A CPU fica à espera que dispositivo esteja pronto para receber mais dados. Polling ou espera activa. Desvantagens? 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

13 Programação de E/S E/S baseado em interrupções System System Call Call Escrita de uma string para a impressora utilizando interrupções: (a) Código é executado a chamada ao sistema é efectuada (b) Rotina de atendimento de interrupção Uma interrupção em cada caracter. Rotina Rotina de de atendimento atendimento de de interrupções interrupções 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

14 Programação de E/S E/S utilizando DMA Só Só é é executado executado 1 1 vez vez Impressão da string utilizando DMA: Código é executado quando o system call é realizado Rotina de atendimento de interrupções 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

15 Camadas de software de E/S User-level I/O software Device-independent SO software Device drivers Interrupt handlers Hardware Camadas do software do sistema de E/S 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

16 Gestores de interrupções (1) SO deve ocultar pormenores de interrupções Usar um driver que inicie a operação de E/S e que bloqueie até a tarefa terminar Rotina de interrupção faz as suas tarefas e depois liberta o driver que iniciou a operação. => Qual o custo de uma interrupção para o sistema? 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

17 Gestores de Interrupções (2) Passos a realizar pelo software quando ocorre interrupção: 1. Guardar registos que ainda não tenham sido guardados pelo hardware 2. Preparar o contexto para a rotina de atendimento de interrupções 3. Preparar stack para rotina de atendimento de interrupção 4. Ack controlador de interrupções, activar interrupções 5. Copiar registos de onde foram guardados 6. Executar rotina de atendimento 7. Escolher qual o novo processo que vai correr 8. Preparar contexto da MMU para executar próximo processo 9. Carregar registos do novo processo 10. Executar o novo processo 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

18 Drivers de dispositivos Drivers no Kernel User space Programa User Kernel space Hardware Driver Impressora Controlador Impressora Resto do Sistema Operativo Driver Camera Controlador Camera Driver CD-ROM Controlador CD-ROM Acções de um driver de um dispositivo Plug&Play? Dispositivos Drivers existem no kernel; por caracter ou bloco; comunicação entre os drivers e controladores de dispositivos é feita através do barramento. 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

19 Software de E/S independente de dispositivos Interface normalizada com drivers de dispositivos Definição de dimensão de bloco de dados independente do dispositivo Buffering Processamento de erros Reserva e liberação de dispositivos dedicados Funções do software independente do dispositivo de E/S. 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

20 Software de E/S independente de dispositivos (a) Sem uma interface normalizada (b) Com uma interface normalizada 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

21 Software de E/S independente de dispositivos (a) Input sem buffering (b) Buffering no espaço de utilizador (c) Buffering no kernel seguido de uma cópia para o espaço de utilizador (d) buffering duplo no kernel 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

22 Software de E/S independente de dispositivos Em algumas situações o buffering poderá diminuir o desempenho do sistema. 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

23 Camadas de software de E/S - sumário Resposta E/S Pedido E/S Processos utilizador Software independente de dispositivos Drivers de dispositivos Interrupt handlers Hardware Chamada a rotina de E/S; configura E/S; spooling Naming, protecção, buffering, reserva de recursos Verifica estado, programa registos de dispositivos Acorda driver quando operação terminar Efectua operação E/S Camadas do sistema de E/S e as funções correspondentes 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

24 Relógios Hardware de relógios Oscilador de cristal Contador é decrementado em cada impulso Valor de registo é utilizado para carregar o contador. Exemplo de um relógio programavel 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

25 Software de relógios 64 bits 32 bits 32 bits Tempo do dia em ticks Contador em ticks Tempo do dia em segundos Nº de ticks no segundo actual Solução Solução 1 1 Usar Usar contador contador bits bits Tempo de boot do Solução sistema em Solução 2 2 segundos Manter Manter o o tempo tempo em em segundos segundos em em vez vez de Solução de Solução 3 3 ticks. ticks. (2^32 (2^32 = = anos) anos) -Contador -Contador de de ticks ticks desde desde que que o o sistema sistema iniciou iniciou -tempo -tempo de de boot boot é é usado usado calculando calculando o Três modos de manter a hora o clock clock backup backup do dia -quando -quando necessário necessário usam-se usam-se os os /16/2002 Sistemas Operativos 2001/2002 para para calcular calcular o o tempo tempo actual actual 25

26 Software de relógios Clock Header Tempo actual Próximo sinal X Simulação de múltiplos relógio com um único relógio 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

27 Soft Timers Segundo relógio para gerar interrupções em aplicações Especificado pelas aplicações Sem problemas caso a frequência seja baixa Soft timers evitam interrupções Kernel verifica se um soft timer expirou Desempenho depende da frequência do soft timer Reduz overhead provocado pela rotina de atendimento da interrupção (context switching; TLBs) 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

28 Power management Device Display CPU Disco Rigido Modem Som Memória Outros Li et al. (1994) 68 % 12 % 20 % 0.5 % Lorch and Smith (1998) 39% 18% 12% 6% 2% 1% 22% Consumo de vários elementos de um computador portátil. 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

29 Power management (2) As zonas são retro-iluminadas de acordo com a zona do écran que está a ser utilizada. 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

30 Power management (3) (a) Sistema com relógio ao máximo (b) Utilizando metade da voltagem (a) Reduz o relógio para metade (b) Reduz o consumo em 4 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

31 Power management (4) Informando as aplicações para gastarem menos energia Implicando uma perca da qualidade de utilização Exemplos Mudar o output de cor para preto e branco Reduzir vocabulário no reconhecimento de voz Reduzir resolução ou detalhe das imagens 12/16/2002 Sistemas Operativos 2001/

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