Entradas/Saídas. Modelo Conceptual Gestor de Periféricos Unix E/S Windows 2000 E/S. 8/28/2003 Sistemas Operativos. Introdução

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1 Entradas/Saídas Modelo Conceptual Gestor de Periféricos Unix E/S Windows 2000 E/S Introdução Parte do SO que permite a um programa interagir com o ambiente que o rodeia. Cria canais virtuais entre os programas e os periféricos. Programa Word Programa Paint Sistema Opetativo E/S Fax Printer Scanner Video 1

2 Periféricos O número de periféricos tem vindo a aumentar significativamente Teclado, rato, microfone, joystick, leitor de cartões, mesa gráfica, scanner, câmera de video, altifalantes, impressora, display, DVD, disco, disquete, etc. Redes de computadores com diferentes meios físicos: ethernet, wi-fi, gprs, umts, wimax Diferentes características dos periféricos operações aceites: só leitura, só escrita, ambas unidade de transferência de informação: carácter, cadeias de caracteres, blocos de dimensão fixa, etc. velocidade de transferência: de alguns bytes por segundo até aos milhões de bytes por segundo representação de dados: ASCII, EBCDIC, UNICODE, Little Endian, Big Endian, etc. acção em caso de erro: parar e dar erro, alertar operador, insistir, etc. Objectivos das Entradas/Saídas Estender o núcleo do sistema operativo permitindo a inclusão de periféricos Modelo de programação das Entradas/saídas uniforme, evitando que os programadores de aplicações tenham de lidar como detalhe dos diferentes periféricos Modelos de programação dos gestores de periféricos que simplifique a programação, a torne mais robusta e promova a reutilização 2

3 Modelo Computacional das E/S Objectivos Uniformização da designação. Uniformização do acesso. Independência do periférico do SO não deve ser necessário redesenhar o núcleo para cada novo tipo de periférico. Redirecção das E/S. Adaptação automática a novos periféricos Soluções Conceito de periférico virtual Decomposição da iteracção com os periféricos. Uniformização entre os mecanismos de comunicação e E/S Carregamento dinâmico de módulos no núcleo. Entidades do Modelo de E/S Periféricos virtuais: entidades abstractas sobre as quais se realizam todas as operações de E/S - files (Multics, UNIX, Windows), data sets (IBM) Funções de E/S: conjunto reduzido e uniforme de funções necessárias à interacção com qualquer periférico. Gestores de periféricos (GP) (device drivers ou device handlers): componente do modelo (processo autónomo ou parte do programa do sistema operativo) que efectua a interacção real com o periférico 3

4 Diagrama do Modelo de E/S Programa do utilizador Funções de E/S Periférico Virtual Programa do utilizador Funções de E/S Periférico Virtual Barramento de E/S (ex.: USB, SCSI, IDE, RS232, Firewire, etc.) SO Gestor de periférico Controlador hardware Periférico físico - Interrupções - Escrita / leitura de registos - Transferência de dados Exemplo das interrupções GUI GP 3 Barramento E/S CPU TI Controlador do Rato x, y, botões Acorda um processo ou envia uma mensagem ou... (depende do OS) Rotina de tratamento de interrupção Usualmente esta rotina não é invocada directamente. É o gestor de interrupções que analisa o tipo de interrupção e a invoca. Sinaliza uma interrupção Envia 40 vezes/seg { x, y, botões} x, y (mickey = 0.1mm) Botões (1-pressionado, 0-não pressionado) 4

5 Modelo Computacional O periférico virtual é idêntico a um canal de comunicação que é: explicitamente estabelecido sobre o qual são trocadas informações entre o processo utilizador e o gestor de periférico Associação ao periférico virtual: estabelecimento de um canal de comunicação entre o processo e o gestor de periférico: IdCanal = AbrirCanal ( Nome ) FecharCanal ( IdCanal ) Designação dos periféricos: varia consoante os sistemas em Windows (NT/2000/XP) os nomes são mantidos por um gestor de nomes autónomo em UNIX são identificados como ficheiros (especiais, tipo caracter ou bloco) Modelo Computacional(cont.) função de E/S: suporte de vários tipos de sincronização associados à operação suporte de dois tipos de interface para a transferência de dados: sequências de caracteres de dimensão variável (byte stream) blocos de dados de tamanho fixo EfectuaES (IdCanal, Operação, EndereçoDados, Dimensão, Semáforo) sincronização: escrita: o processo cliente fica bloqueado até que os dados tenham sido transferidos para o periférico ou para estruturas de dados internas ao sistema operativo (cache) leitura: o processo cliente fica normalmente bloqueado até que os dados pedidos lhe tenham sido transferidos; no entanto, há sistemas que permitem evitar tal bloqueio e efectuar leituras assíncronas à posteriori 5

6 Utilização dos Periféricos As aplicações podem, se tiverem privilégios para tal, usar directamente os periféricos, abrindo o respectivo canal e efectuando as leituras e escritas necessárias Contudo, muitos periféricos são partilhados (ex.: discos, redes) razão pela qual não são utilizados directamente pelas aplicações mas acedidos através de outros módulos do sistema operativo Partilha de Periféricos Se o processo necessitar de utilização exclusiva de um periférico tal implica a abri-lo em exclusão mútua reservando a sua utilização: bandas magnéticas Os processos usam os periférico de memória de massa para guardar informação mas a sua utilização não obriga a abri-los porque são partilhados através do sistema de ficheiros Discos, memory pen Alguns periféricos são usados em exclusividade durante um certo período de tempo por um processo, mas a optimização da gestão do periférico faz com que sejam controlados por um servidor como qual os restantes processos interactuam impressoras 6

7 Partilha Indirecta de Periféricos de Utilização Exclusiva (spooling) Processo utilizador (1) Escreve o ficheiro (2) (3) Lê o ficheiro Processo servidor de impressão Gestor da impressora (4) Imprime o ficheiro Unix E/S 7

8 Classificação - Localização A maioria dos GPs em Unix são módulos que fazem parte do núcleo. São excepção os gestores de periférico da interface gráfica X Os gestores integrados no núcleo Podem seguir o modelo computacional dos ficheiros, onde se designam como ficheiros e são manipulados essencialmente pelas mesmas funções Podem ter um modelo próprio, estão neste caso os periféricos de controlo das redes Tipos de GPs em Unix Gestor de Periféricos UNIX Nucleo Fazem parte do código do núcleo Utilizador Executam-se num processo previligiado Localização Lista própria Enumeração por tipo de device Sistema de Ficheiros Hirarquia de nomes dos ficheiros Nome Caracter Bloco de caracteres de tamanho variável Bloco Blocos de dados Transferência de dados Intefaces de rede eth0, eth1,... Impressora, teclado Disco Drivers X Gerem a placa gráfica 8

9 Classificação Espaço de Nomes A maioria dos periféricos geridos por gestores no núcleo têm o seu nome no directório /dev As placas de rede têm um espaço de nomes próprio # ifconfig #ls l /dev eth0 Link encap:ethernet HWaddr 00:01:03:04:4F:1B inet Acedido addr: crw-rw-rw- através 1 root do Bcast: comando root 5, ifconfig. 0 Aug Mask: tty UP BROADCAST crw--w---- NOTRAILERS 1 root root RUNNING 4, MTU: Mar Metric:1 tty0 collisions:0 crw txqueuelen:100 1 root root 4, 1 Oct 6 14:42 tty1 Interrupt:7 crw--w---- Base address:0x root tty 4, 10 Aug tty10 crw--w root tty 4, 11 Aug tty11 lo Link encap:local... Loopback inet addr: brw-rw root Mask: floppy 2, 0 Aug fd0 UP LOOPBACK brw-rw---- RUNNING 1 root MTU:16436 floppy 2, Metric:1 4 Aug fd0compaq collisions:0 brw-rw---- txqueuelen:0 1 root floppy 2, 4 Aug fd0d360 brw-rw root floppy 2, 12 Aug fd0d Periféricos no /dev (I) A comunicação faz-se através das mesmas primitivas utilizadas nos sistemas de ficheiros. Tal permite a redirecção fácil das E/S de um periférico para um ficheiro, e vice versa. fd = open( /dev/tty0, O_RDWR); write(fd,&buffer,size); read(fd,&buffer,size); 9

10 Periféricos no /dev (II) Cada gestor de periféricos pode gerir mais do que um periférico. O gestor de periféricos para um terminal é igual para todos. Cada periférico é identificado por dois números Major number Identifica o gestor do periférico Minor number Identifica o periférico no domínio dos periféricos geridos pelo mesmo gestor. O nome do periférico só é importante para as aplicações não para o núcleo Periféricos no /dev (III) #ls l /dev crw-rw-rw- 1 root root 5, 0 Aug tty crw--w root root 4, 0 Mar tty0 crw root root 4, 1 Oct 6 14:42 tty1 crw--w root tty 4, 10 Aug tty10 crw--w root tty 4, 11 Aug tty11... brw-rw root floppy 2, 0 Aug fd0 brw-rw root floppy 2, 4 Aug fd0compaq brw-rw root floppy 2, 4 Aug fd0d360 brw-rw root floppy 2, 12 Aug fd0d Major Numbers Majors diferentes = gestores diferentes. Majors iguais = mesmo gestor Minor Numbers Minors diferentes = periféricos diferentes Minors iguais e majors diferentes = periféricos diferentes Majors e Minors iguais = mesmo periférico 10

11 Periféricos no /dev (IV) Os periféricos podem ser divididos em Tipo bloco. Tipo caracter. Os periféricos de tipo bloco permitem a transferência de blocos de dados entre a memória e o periférico. Discos, disquetes, etc. Os periféricos de tipo caracter transferem caracter a caracter. Teclado, Écran, Impressora, rato, etc. Instalação de um GP 1. Inserir o GP na tabelas do Kernel root# insmod./new-driver.o 2. Obter o major em que ficou #root ls /proc/devices Character devices: 1 mem 2 pty 3 ttyp 4 ttys 5 cua 190 new-driver Block devices: 2 fd 3 ide0 22 ide1 3. Criação de i-node Associa um nome ao major number Nome mknod /dev/scull0 c Tipo Caracter Minor Major 11

12 Periféricos no /dev (V) Modo caracter #ls l /dev crw-rw-rw- 1 root root 5, 0 Aug tty crw--w root root 4, 0 Mar tty0 crw root root 4, 1 Oct 6 14:42 tty1 crw--w root tty 4, 10 Aug tty10 crw--w root tty 4, 11 Aug tty11... brw-rw root floppy 2, 0 Aug fd0 brw-rw root floppy 2, 4 Aug fd0compaq brw-rw root floppy 2, 4 Aug fd0d360 brw-rw root floppy 2, 12 Aug fd0d Modo bloco GPs de rede Não são acedidos directamente pelo utilizador. O utilizador acede a uma camada do protocolo (ex. Sockets INET) que passa a outra (ex.: TCP) e a outra (ex.: IP) e por fim ao GP. Todas as camadas estão no núcleo pelo que as funções do GP são acedidas directamente. A informação recebida da rede é colocada num tampão denominado sk_buf e colocado no fila backlog. Sendo posteriormente removida por um processo que se executa periodicamente e encaminha o tampão para o protocolo respectivo 12

13 Instalação de um GP de rede A instalação é semelhante Também pode ser um módulo A função init_module é chamada para iniciar o módulo Quatro diferenças: As funções open/read/write/close foram substituídas por outras mais apropriadas; As tarefas dessas funções são muito diferentes; No registo da tabela de funções não se obtém um número (major); Não é necessário criar um i-node para associar um nome a um número, os nomes são dados implicitamente no código do GP ou em sequência começando em eth0, eth1... Gestores de Periféricos fora do Núcleo O único caso notável que se executa num processo autónomo é a classe de gestores de placas gráficas utilizados pelo sistema X. Estes gestores executam-se no mesmo processo que o servidor X. O servidor X é um processo com privilégios de superutilizador A interface destes gestores é definida pelo servidor X, não pelo sistema operativo. 13

14 Windows 2000 E/S História NT Configuração inicial Dois pontos de viragem das E/S na Gestores de periféricos carregáveis dinamicamente. evolução da plataforma NT. Gestores separados em várias camadas Suporte para vários sistemas de ficheiros. Cada sistema de ficheiros é um gestor de periféricos. NT 4.0 Mudança do gestor de gráficos para o interior do núcleo. Windows 2000 WDM (Windows Driver Model) - gestores de periféricos devem conter mais funções específicas de plug-and-play. Gestores de bus não estão incorporados no HAL menor número de alterações à HAL. Nota: vamos seguir o modelo do Windows

15 Gestor de objectos identifica o periférico. Gestor de E/S controla os pedidos de entradas saídas. Gestores de periféricos contém as funções de manipulação dos periféricos. Gestor de Plug & Play detecta e instala novos periféricos. HAL (Hardware Abstraction Layer) isola os restantes gestores de variações do Hardware. Entidades do Modelo Gestor de Plug & Play Win32 API DLL Gestor de Objectos Gestor de E/S Gestores Gestores de de Periféricos Gestores de Periféricos Periféricos HAL Gestor de Objectos O gestor de objectos mantém todos os objectos do núcleo, incluindo os relativos às entradas saídas Ex.: objectos ficheiro, objectos gestor, objectos periférico. O gestor de objectos traduz um nome para um objecto. Frequentemente o nome utilizado pelos programadores é diferente do nome interno pelo que o gestor de objectos tem que fazer uma tradução inicial. COM1 \Device\Serial0 Device Object c:\foo\bar.txt GLOBAL??\c:\foo\bar.txt \Device\Harddisk0\Partition1\foo\bar.txt Device object [\foo\bar.txt] 15

16 Gestores de periféricos Aplicação MS-DOS GP virtual VDM Win32 API DLL Aplic. Win32 Windows Executive KDD Kernel-mode Device Driver Subsistema Win32 GDI (motor gráfico) GP de Vídeo GP de impressora Spooler GP de núcleo (KDD) GP de núcleo (KDD) Mini gestor de vídeo (KDD) porta paralela (KDD) Tipos de GPs GPs virtuais Utilizados para emular aplicações MS-DOS. Traduzem referências para portos MS-DOS para referências nativas Win32. GPs de Vídeo e Impressora Traduzem ordens de desenho gerais para ordens de desenho específicas para um periférico. GP de núcleo (KDD Kernel-mode device driver) Satisfaz uma interface específica definida pelo WDM (Windows Driver Model). Acede ao hardware. 16

17 Nome do dispositivo no espaço de nomes do Object Manager Permite que a função NTOpenFile seja independente do espaço de nomes utilizado Modelo Computacional RtlInitUnicodeString(&UnicodeString, L \\Device\Harddisk0\DR0 ); InitializeObjectAttributes(&ObjectAttributes, &UnicodeString, OBJ_CASE_INSENSITIVE, NULL, NULL ); Status = NtOpenFile(&Handle, SYNCHRONIZE FILE_READ_DATA FILE_WRITE_DATA, &ObjectAttributes, &IoStatusBlock, FILE_SHARE_WRITE FILE_SHARE_READ); A função de abertura de canal é genérica para qualquer tipo de espaço de nomes e dispositivo NtWriteFile(Handle, NULL, NULL, NULL, &IoStatusBlock, msg, strlen(msg), 0, 0); Espaço de nomes de objectos Nome do dispositivo aberto no código do slide anterior 17

18 Funções de E/S avançadas Funções para além das normais open, close, read, write: E/S Assíncronas Aumenta o desempenho: o processo pode continuar em paralelo com a E/S O programador tem que o especificar aquando da criação do canal. O programador é responsável pela verificação de fim da operação. Internamente todas as operações são assíncronas Se a operação for síncrona, o processo é bloqueado no núcleo Caso contrário o núcleo retorna ao código do utilizador. Para verificar o fim das operações de E/S: Executa-se a função: HasOverlappedIOCompleted() Instalação de um GP Local onde está o código do GP Define a ordem de carregamento dentro do grupo 0x1 - GP de núcleo 0x2 - Sistema de Ficheiros 0x10, 0x40 Serviço 0x0 Boot Start 0x1 System Start (depois dos 0x0) 0x2 Auto Load (system start em paralelo) 0x3 Load on Demand 0x4 - Disable 18

19 Programação de GPs Unix E/S Windows 2000 E/S Arquitectura de comunicação no GP System call Núcleo IORB GP Instruções de I/O ou memória Controlador hardware Bus de E/S ex.: USB Periférico 19

20 Input/Output Request Block (IORB) os IORB são gerados pelas funções de E/S após a validação possível da coerência dos parâmetros: validade do modo de operação pedido (leitura, escrita, etc.) validade do modo de transmissão (cadeias de caracteres, blocos, etc.) um IORB é uma mensagem normalizada que transmite informação para um gestor de periférico: o gestor está normalmente à espera dos IORB e, quando os recebe, desencadeia a operação pedida introduzindo a sequência de controlo adequada no controlador do periférico a partilha de um periférico por vários utilizadores (externos ou módulos do núcleo) pode-se realizar através de uma fila de mensagens onde o gestor recebe os diversos IORB Programa do utilizador Funções de E/S Arquitectura de E/S Programa do utilizador Funções de E/S System Call (ex.: Em Windows int 2Eh ) Gestão de canais virtuais Input Output Request Block (IORB) Leitura/escrita no controlador ou instruções de in/out Gestor de periférico Controlador hardware Barramento de E/S (ex.: USB, SCSI, IDE, RS232, Firewire, etc.) Periférico 8/28/2003 físicosistemas Operativos Gestor de periférico Controlador hardware Periférico físico Interrupções 20

21 Funções do GP esperar por um IORB validar os parâmetros dependentes do periférico programar o controlador do periférico de acordo com o pedido expresso no IORB esperar pela conclusão da operação e analisar ou processar o resultado da mesma: normalmente a conclusão é assinalada por uma interrupção no entanto, as rotinas de interrupção devem executar um conjunto reduzido de instruções durante o mais curto espaço de tempo possível tratamento das condições de erro se necessário transferir dados entre tampões próprios e o espaço de endereçamento do processo do utilizador avisar o processo utilizador da conclusão da operação Programação de um GP Armazenamento temporário de dados: conjunto fixo ou variável de tampões tendo em conta um fluxo médio expectável ou a optimização de transferências regulação de fluxo Interacção com a gestão de memória: fixação de páginas dos processos utilizadores na memória principal utilização de endereços reais em vez de endereços virtuais Rotina de interrupção: determinar a causa da interrupção executar as operações necessárias assinalar ao gestor o respectivo acontecimento (normalmente usando mecanismos especiais e não semáforos) 21

22 GPs no núcleo ou fora do núcleo Processo independente: maior flexibilidade (teoricamente). necessidade de privilégios especiais que permitam ultrapassar as protecções habituais (alta prioridade, controlo de interrupções, gestão de memória, etc.). isolamento de espaços de endereçamento entre os gestores e o núcleo do sistema operativo. Ex.: servidor X na maioria dos sistemas Unix. Integrado no núcleo : poupa o tempo gasto na comutação entre processos. maior simplicidade e redução das operações do núcleo do sistema operativo. Caso mais comum. GP Integrado no Núcleo Utilizador Sistema Interrupção Efectua E/S: - Validação inicial - Função sistema - Validação - Iniciar operação - Esperar (periférico) - Pós-processamento - Tratamento dos valores a retornar Gestor de periférico - Tratamento da interrupção - Assinalar (Periférico) 22

23 GP como Tarefa Independente Utilizador Efectua E/S Função de E/S Gestor de Periférico Rotina de Interrupção Validação Inicial Chamada Sistema Esperar (SemUtil) - Validação - Inicialização do IORB Esperar (SemGestor) Seleccionar IORB - Colocar o IORB na fila do dispositivo - Assinalar (SemGestor) - Retorno Inicializar Operação Esperar (SemPerif) - Pós-processamento - Tratamento dos parâmetros de saída Tratamento da Interrupção Assinalar (SemPerif) - Assinalar (SemUtil) Acesso do SO aos controladores Portabilidade do sistema operativo Virtualização do hardware Acesso ao Hardware (ex.: registos, portos, controladores, etc.) através de uma camada reduzida usualmente escrita em assembly. Em Windows chama-se HAL (Hardware Abstraction Layer) Em Linux, não tem nome mas existem um conjunto de funções que são de utilização recomendável e que efectuam essa abstracção. Estas camadas dificultam a utilização de potencialidades específicas dos processadores. 23

24 Acesso do processador ao controlador Instruções específicas de entradas saídas Alguns processadores possuem instruções específicas para acesso ao espaço de endereçamento de E/S ex.: in R1,300h lê para R1 o valor no endereço 300h do espaço de endereçamento de E/S Este acesso é ortogonal ao acesso a memória pelo que não interfere com os mecanismos de memória virtual. Estas instruções não são normalmente geradas pelos compiladores de linguagens de alto nível pelo que é necessário programá-las em assembly. E/S mapeadas em memória Memória do controlador mapeada no espaço de endereçamento físico do processador. Nos sistemas operativos com memória virtual são necessárias funções que asseguram que determinados endereços virtuais correspondes a endereços físicos. É necessário possuir mecanismos que indiquem que a memória mapeada nestes endereços não é passível de ser colocada em cache. Mesmo em processadores com instruções específicas de entradas saídas este é o método mais utilizado para comunicação com os controladores. Modos de transferência de dados E/S programáticas O processador executa um conjunto de instruções do gestor de periféricos que escrevem/lêem para/do o periférico. Direct Memory Access (DMA) Unidade de hardware especializada que transfere blocos de dados da memória para a memória do periférico. Presente na maioria do computadores. Permite libertar o processador para computação interna e com acesso à cache, mas usualmente não permite o acesso à memória. Processador de periféricos Processador especializado que partilha a memória com o processador principal e gere o acesso aos controladores. Muito pouco comum (ex.: CDC6600) 24

25 Arquitectura do Computador com DMA CPU Cache Barramento do CPU Em simultâneo com a transferência de DMA Bridge Barramento da Memória Memória DMA Bridge e.g. PCI Controlador Rato Controlador Disco Sincronização Os GPs têm de sincronizar o acesso aos dados globais. A execução de um GP pode ser interrompida para dar lugar a uma tarefa de maior prioridade (preempção) O código pode ser executado por mais do que um processador em simultâneo Soluções Aumentar o nível da interrupção Spinlocks 25

26 Unix E/S Estruturas do núcleo - /dev - Rede Sincronização Periféricos no /dev Realização de uma operação num periférico Localização do periférico Agulhagem da operação/interrupção Criação de um periférico 26

27 Localização do Major/Minor a partir do descritor de ficheiros P0 Pn Tabela de ficheiros abertos Write(fd,...); fd índice da tabela de descritores de ficheiros inode... Major Minor... Localização do Major/Minor a partir do descritor de ficheiros A abertura de um periférico é feita com o comando open tal como para um ficheiro Facilita o redirecionamento O método de abertura é semelhante Depois de aberto a tabela de ficheiros abertos fica com uma nova entrada que aponta para um i-node. O i-node contém o major e o minor do periférico (veremos à frente como criar esse i-node especial). 27

28 Agulhagem das funções Tabela de Despacho Major N open close read write ioctl 0 conopen conclose conread conwrite conioctl 1 syopen nulldev syread sywrite syioctl Arquitectura Interna das Entradas/Saídas open close read write ioctl open/mount close/unmount read write cache Tabela de Despacho para Dispositivos Carácter Tabela de Despacho para Dispositivos Bloco Rotina dos Gestores de Periféricos Rotina de Interrupção Rotina dos Gestores de Periféricos Rotina de Interrupção Vector de Interrupção Vector de Interrupção Agulhagem das funções Existe uma tabela com todos os gestores de periféricos. Cada GP tem as suas funções específicas. Essas funções são apontadas pela tabela e indexadas pelo major. Com o major obtido no passo anterior é possível chamar a função respectiva e passar-lhe o minor. 28

29 Criação de um GP Carregamento do módulo com o GP Registo das funções Registo da interrupção Reserva de memória Operações realizadas pelo código do GP Carregamento de um módulo O linux suporta carregamento de módulos: #define MODULE #include <linux/module.h> int init_module(void) { printk("<1>hello, world\n"); return 0; } void cleanup_module(void) { printk("<1>goodbye cruel world\n"); } Para carregar um módulo root# gcc -c hello.c root# insmod./hello.o Hello, world root# rmmod hello Goodbye cruel world root# 29

30 Insmod Obtém a tabela de símbolos do Kernel para resolver as chamadas do módulo ao kernel (ex.. printk) Chama a função sys_init_module que: Reserva memória para o módulo Copia o código para a memória reservada Resolve as chamadas ao kernel Chama a rotina de inicialização do módulo (int init_module(void)) Registo das funções struct file_operations scull_fops = { llseek: scull_llseek, read: scull_read, write: scull_write, ioctl: scull_ioctl, open: scull_open, release: scull_release, }; Funções definidas anteriormente Chamada pelo int init_module(void) {... cmd insmod /* Register your major, and accept a dynamic number. */ result = register_chrdev(scull_major, "scull", &scull_fops); if (result < 0) { printk(kern_warning "scull: can't get major %d\n",scull_major) return result; } if (scull_major == 0) scull_major = result; /* dynamic */ 30

31 Registro de interrupções if (short_irq >= 0) { result = request_irq(short_irq, short_interrupt, SA_INTERRUPT, "short", NULL); if (result) { printk(kern_info "short: can t get assigned irq %i\n", short_irq); short_irq = -1; } else { /* actually enable it -- assume this *is* a parallel port */ outb(0x10,short_base+2); } } ls /proc/interrupts Memória E/S (PCI/ISA mem) Dependendo da arquitectura o acesso ao hardware dos periféricos pode ser efectuado por: Instruções de in e out específicas Memória paginada Memória não paginada Para garantir independência da arquitectura o acesso é feito através de funções específicas. 31

32 Memória E/S (PCI/ISA mem) if (check_mem_region(mem_addr, mem_size)) { printk("drivername: memory already in use\n"); return -EBUSY; } request_mem_region(mem_addr, mem_size, "drivername"); [...] unsigned readb(address); unsigned readw(address); unsigned readl(address); void writeb(unsigned value, address); void writew(unsigned value, address); void writel(unsigned value, address); [...] release_mem_region(mem_addr, mem_size); Sincronização I Activação/Desactivação de interrupções Sti() / Cli() Não aconselhável porque reduz o desempenho e em multiprocessadores não funciona Spinlock spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; spin_lock_init(&my_lock); spin_unlock(spinlock_t *lock); [...] /* Outras variantes */ 32

33 Sincronização II Variáveis de sincronização Bits Inteiros /* try to set lock */ while (test_and_set_bit(nr, addr)!= 0) wait_for_a_while(); /* do your work */ /* release lock, and check... */ if (test_and_clear_bit(nr, addr) == 0) something_went_wrong(); /*already released: error*/ int atomic_inc_and_test(atomic_t *v); int atomic_dec_and_test(atomic_t *v); int atomic_add_and_test(int i, atomic_t *v); int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v); Windows 2000 E/S 33

34 Tipos de GPs de núcleo Sistema de ficheiros. Aceita pedidos para ficheiros e emite pedidos para periféricos. Gestor intermédio. Intercepta pedidos de E/S e executa processamento adicional. Gestor de periféricos. Realiza as E/S para um conjunto de periféricos semelhante. Mini gestor. Gestor reduzido que utiliza a funcionalidades de um gestor genérico. Utilizado para simplificar o desenvolvimento de GPs. Gestor de barramento. Gere a comunicação com os periféricos de um barramento. Identifica novos periféricos (Plug and Play) e passa essa informação ao Gestor de Plug and Play. Relações entre GPs de núcleo Interface do subsistema de E/S SF de CD-ROM GP de CD-ROM NTFS Gestor de bus FAT Disco virtual (redundância e uniformização) Gestor de Disco Mini gestor de bus Sistemas de ficheiros (têm que ser os primeiros gestores) Gestor intermédio de cima (seria debaixo se fosse colocado depois do gestor de periférico) Gestores de periférico (podem incluir mini gestores) Gestor de barramento. Comunica directamente com o HAL ou com outro gestor intermédio ou de barramento. Mini gestor. Podem existir minigestores noutros tipos de gestores, e.g. gestor da placa gráfica. 34

35 Permite a escrita em vários discos em simultâneo Gestor de redundância Inserção de um GP intermédio Gestor de E/S NtWriteFile(fh,buffer) Serviços Sistema Escreve buffer a partir de uma posição de um ficheiro Utilizador Núcleo Sistema de ficheiros Traduz deslocamento no ficheiro para deslocamento relativo no disco Gestor de disco Traduz deslocamento relativo do disco para localização física e escreve buffer. Gestor de bus Elimina pedido Estrutura de um GP WDM DriverEntry é invocada sempre que um gestor de periféricos é inicializado. AddDevice é invocada sempre que o gestor de Plug&Play encontra um novo periférico. As funções de despacho são as usuais de read/write/ioctl/create/close. A rotina unload é invocada para remover o gestor. A rotina de serviço de interrupção é executada aquando de uma interrupção; envia uma DPC. A rotina de serviço da DPC efectua o trabalho da interrupção. DriverEntry AddDevice Funções de despacho Unload Rotina de serviço de interrupção Rotina de serviço de DPC Outras opcionais Obrigatórias Opcionais Deferred Procedure Call Reduz a dimensão da rotina de interrupção de modo a promover a interactividade. 35

36 Modelo Funcional A informação sobre os periféricos, os gestores de periféricos, e os canais abertos entre utilizadores e periféricos são mantidos em objectos do núcleo. Os objectos do núcleo Windows são simples estruturas de dados com vários campos que descrevem o objecto. Existem quatro tipos de objecto manipulados pelo subsistema de E/S Ficheiro. Gestor de periférico. Periférico. Pedido de E/S. Modelo Funcional - Tipos de Objectos Objecto ficheiro Representa um ficheiros aberto, ou um canal para um dispositivo. Ex.: Nome, Tipo de acesso (exclusivo, partilhado), ponteiro para o objecto do periférico. Objecto periférico Representa um periférico físico ou lógico. Descreve várias características do dispositivo e mantém as filas de pedidos pendentes e de DPCs pendentes. Objecto gestor de periférico. Representa um GP Contém referências para as funções de um gestor. 36

37 Gestor de E/S Entrega os pacotes com os pedidos de E/S aos GPs (IRPs I/O request packets). Fornece algumas funções de suporte utilizadas pelos GPs, de modo a simplificar os GPs. Permite que um GP comunique com outro GP de forma padronizada. Gere os tampões de entrada saída Gestor de E/S Cria um IRP para cada E/S. Entrega o IRP ao respectivo GP. Recebe o IRP do GP. Entrega o IRP a outro GP ou Apaga o IRP. GP Recebe IRP. Executa o pedido. Entrega o IRP ao Gestor de E/S Modelo Funcional Relações entre objectos Objecto gestor de periférico DriverEntry AddDevice Read Write Objecto Ficheiro O gestor de objectos começa por obter um ponteiro para o Objecto ficheiro a partir do nome. A partir desse ponteiro é invocada a função respectiva tendo como parâmetros o objecto periférico e o objecto com o pedido de E/S Objecto periférico Objecto periférico Objecto periférico 37

38 Modelo Funcional Acesso a um GP Gestor de E/S cria objecto pedido com um pedido para o sistema de ficheiros. Pedido esse que contém um apontador para um objecto ficheiro. Obtém o endereço do objecto gestor a partir do objecto ficheiro e invoca a função respectiva. Utiliza o resultado do pedido anterior para efectuar o pedido seguinte. Gestor de E/S Objecto periférico Serviços Sistema Objecto gestor do Sistema de ficheiros Objecto gestor de disco Gestor de bus NtWriteFile(fh,buffer) Objecto ficheiro Utilizador Núcleo Cabeçalho Do Objecto Pedido p/ o Sistema de ficheiros Pedido p/ o disco Pedido p/ o barramento Elimina o objecto pedido. Funções de E/S avançadas (II) E/S rápidas (Fast I/O) Não gera os IRPs. Vai directamente à cache do sistema. Ficheiros mapeados em memória (Mapped File I/O) CreateFileMapping()/MapViewOfFile(). Utilizado pelos gestores de sistemas de ficheiros. A cache cresce dinamicamente. 38

39 Acesso aos Periféricos E/S programadas O código do gestor é que comanda a transferência. Acesso: memória partilhada; registo partilhado; instruções de E/S. E/S por DMA Controlam o barramento onde está o periférico. Podem aceder directamente à memória principal. Acesso aos periféricos Espalha/Reagrupa (Scatter/Gather) Método de E/S avançado fornecido pela HAL Utilizado para escrever/ler tampões virtuais espalhados por várias páginas físicas. Se possível utiliza o encadeamento de pedidos no DMA. Nalgumas arquitectura (alpha) utiliza a UGM existente entre barramentos para que o DMA aceda a memória virtual e não física. Nas arquitecturas x86 a sua utilização é discutível porque a HAL fornece ao DMA uma zona contígua e depois tem de efectuar outra cópia para as páginas finais. 39

40 Sincronização No Kernel do NT são utilizados dois mecanismos de sincronização Elevação do IRQL (só em uniprocessadores) SpinLock (em multiprocessadores) 4) É criado um novo objecto para o periférico e é lhe pedido para devolver a sua configuração. Objecto do novo periférico Plug&Play Gestor Plug&Play Gestor Plug&Play utilizador núcleo 6) Finalmente obtém o gestor do periférico e instala-o 5) Como ainda não existe gestor específico para o periférico quem responde é o gestor de barramento Gestor de 3) É pedida uma nova Barramento lista de periféricos no barramento. 2) O gestor de barramento envia uma mensagem de lista de objectos no barramento inválida. 1) O gestor de barramento detecta um novo periférico (dependente do barramento) 40