Sistemas Opera r cionais Sistemas de E/S 1

Transcrição

1 Sistemas Operacionais Sistemas de E/S 1

2 Hardware I/O Grande variedade de dispositivos I/O: Dispositivos de memória (discos, cd-rom, fitas) Dispositivos de transmissão (placas de rede e modems) Dipositivos de interface com seres humanos (vídeo, teclado, mouse) Outros dispositivos mais especializados Conceitos comuns de comunicação entre um dispositivo I/O e o computador: Porta (port) Barramento (bus) Controlador (para porta, barramento ou dispositivo) Estrutura típica de um barramento PCI

3 Como é que a CPU pode fornecer comandos e dados a um controlador para efetuar uma transferência I/O? O controlador tem um ou mais registradores para dados (registrador data-in, registrador data-out) e sinais de controle (registrador de status e registrador de controle) A CPU comunica com o controlador através da leitura e escrita de padrões de bits nestes registradores Duas formas de comunicação CPUcontrolador: Instruções I/O diretas Instruções I/O mapeadas em memória Hardware I/O Localizações de algumas portas I/O de dispositivos de PCs

4 Comunicação CPU-Dispositivo I/O via Polling Espera Ocupada da CPU A interação entre a CPU e um controlador faz-se por aperto de mão (handshaking). Assuma que são usados 2 bits (busy bit do registrador status e ready bit do registrador command do controlador) para coordenar a relação produtor-consumidor entre o controlador e a CPU: Determina o estado do controlado command-ready busy Error Ciclo de espera ocupada para esperar pelo dispositivo de I/O

5 Busy Wait A CPU lê repetidamente o bit busy até que seja 0 (busy-wait cycle). A CPU ativa o bit write no registrador command e escreve um byte no registrador data-out. A CPU ativa o bit ready no registrador command. Quando o controlador nota que o bit ready está setado, então escreve seta o bit busy. O controlador lê o registo command e vê o comando write. Lê o registrador data-out para obter o byte, fazendo de seguida a I/O para o dispositivo. O controlador desativa o bit ready, assim como o bit error no registo status, para indicar que a transferência foi bem sucedida, colocando depois resetando o bit busy para indicar que a transferência terminou.

6 Comunicação CPU-Dispositivo I/O via Interrupções Durante I/O, interrupções são feitas por vários dispositivos quando eles ficam prontos para serviço. Estas interrupções significam que a saída de dados terminou, ou que a entrada de dados está disponível, ou que uma falha foi detectada. O controlador interrompe a CPU através da emissão de um sinal na linha de pedido de interrupção; A CPU detecta a interrupção e despacha-a para o interrupt handler, que é uma rotina A interrupt handler determina a causa da interrupção, faz o processamento necessário (rotina de serviço à interrupção) e termina; ao terminar, a CPU volta ao estado anterior à interrupção Ciclo I/O alimentado por interrupções

7 Tabela de eventos do processador Intel Pentium A maior parte das CPUs tem agora duas linhas de interrupção: Linha de interrupção nãomascarável, que é reservada para eventos tais como erros de memória irrecuperáveis Linha de interrupção mascarável, que pode ser desligada pela CPU antes da execução de uma sequência de instruções críticas que não podem serem interrompidas. Vetor de interrupções para despachar cada interrupção para o handler correto Baseado em prioridades Algumas não são mascaráveis (os primeiros 32 eventos do Intel Pentium não são mascaráveis e são usadas para sinalização de erros) Mecanismo de interrupções também usado para exceções (p.ex. divisão por 0, acesso a endereço de memória protegida ou inexistente)

8 Acesso Direto à Memória (DMA) Transferência direta de dados entre dispositivos I/O e a memória sem participação da CPU Requer controlador DMA

9 Interface I/O do kernel: conjunto de funções I/O independentes do hardware (p.ex. read, write, etc.) Device drivers: módulos do kernel dependentes do hardware, cada um dos quais encapsula o funcionamento específico de cada dispositivo (p.ex. mouse, teclado, etc.). Vantagem: um novo periférico pode ser ligado a um computador sem que a empresa vendedora do sistema operacional tenha que fornecer o código de suporte do periférico. Interface de I/O Estrutura I/O do kernel

10 Características dos dispositivos Dispositivos diferenciam-se de várias maneiras: Character-stream ou block. Um dispositivo de caracteres transfere bytes um-a-um, ao passo que um dispositivo de blocos transfere um bloco de bytes como se fosse uma unidade. Seqüênciais ou de acesso aleatório Síncronos ou assíncronos. Transferência de dados é feita com tempos de resposta previsíveis ou não. Compartilhados ou dedicados. Há compartilhamento concorrente por vários processos ou não. Velocidade de operação read-write, read only, ou write only de I/O

11 Dispositivos de blocos e de caracteres Os dispositivos de blocos incluem os discos rígidos Interface básica: read, write, seek Modos de acesso: Acesso de alto-nível através de interface de sistema de arquivos Acesso de baixo-nível através array linear de blocos (raw I/O) Acesso a memory-mapped files colocadas no topo de block-device drivers é possível. Uma memory-mapped interface fornece acesso ao disco através dum array de bytes em memória principal. Os dispositivos de caracteres (stream character) incluem teclados, mouses e portas sériais Interface básica: get, put No topo da interface, é possível construir bibliotecas para edição de linhas (p.ex. Eliminar um caracter do input stream através de backspace).

12 Dispositivos de rede Têm uma interface bastante diferente da interface read-write-seek usada pelos discos rígidos. Unix e Windows NT/9i/2000 usam uma interface de sockets Há a separação entre o protocolo de rede e o funcionamento da rede Inclui a funcionalidade select para manipular conjuntos de sockets Abordagens muito variadas (pipes, FIFOs, streams, queues, mailboxes)

13 Relógios (clocks) e temporizadores (timers) Fornecem três funções básicas para: Determinar tempo corrente Determinar tempo decorrido Ativar um temporizador para disparar uma operação em um certo tempo. Um programmable interval timer é usado para suportar a segunda e terceira funções anteriores. Este mecanismo é usado pelo escalonador para gerar uma interrupção que preempciona um processo no fim do tempo (algoritmo Round-Robin) A função ioctl (UNIX) aborda aspectos de I/O tais como relógios e temporizadores.

14 I/O bloqueante e I/O não-bloqueante Chamada bloqueante ao sistema - processo suspenso até que a operação I/ O esteja completa Fácil de usar e compreender Insuficiente para algumas necessidades (p.ex. Interface gráfica que recebe entrada de dados do teclado e do mouse, e ao mesmo tempo processa e visualiza dados no vídeo) Chamada não-bloqueante chamada I/O retorna o mais rapidamente possível com um valor de retorno que indica o número de bytes transferidos (quer seja a totalidade dos dados pedidos, ou menos, ou mesmo menhuns) Interface com o usuário, cópia de dados (buffered I/O) Implementada via multi-threading Chamada assíncrona processo continua a executar enquanto I/O ocorre Difícil de usar Subsistema I/O sinaliza processo quando a operação I/O está completa

15 Subsistema I/O do kernel: serviços Escalonamento I/O O escalonamento de um conjunto de pedidos I/O requer a sua ordenação adequada por cada fila de espera de um dispositivo Alguns SO tentam ser justos por forma a que nenhum processo seja mal servido. Buffering um buffer é uma zona de memória que guarda dados enquanto estes são transferidos entre dois dispositivos ou entre um dispositivo e uma aplicação. Serve alguns propósitos: Suportar dispositivos com diferentes velocidades de transferência de dados Suportar dispositivos com diferentes tamanhos de transferência de dados. Caching memória rápida que guarda cópia de dados para impedir muitos acessos ao dispositivo I/O Spooling Um spool é um buffer que guarda a saída para um dispositivo (ex. uma impressora); Spooling é a forma de um SO coordenar a saída concorrente para um dispositivo. O output de cada aplicação é spooled para um arquivo separado em disco. Quando uma aplicação termina a impressão, o sistema de spooling coloca o arquivo correspondente na fila de spooling do dispositivo; Tratamento de erros O SO pode recuperar de falhas de leitura e de escrita transitória, e até mesmo de dispositivo indisponível. Quando um pedido I/O falha, um mensagem de erro é devolvida. Os logs de erros do sistema relatam os problemas.

16 Subsistema I/O do kernel: estruturas de dados do kernel O kernel guarda informação de estado das componentes de I/ O, incluindo as tabelas de arquivos abertos, ligações à rede, comunicações com dispositivos de caracteres,etc. Alguns SOs usam métodos orientados à objetos e passagem de mensagens para implementar I/O. Estrutura I/O do UNIX kernel

17 Transformação de pedidos I/O em operações de hardware Por exemplo, na leitura de um arquivo em disco por um processo: Determinar o dispositivo que guarda o arquivo Traduzir o nome do arquivo na sua representação em disco Ler fisicamente dados do disco e colocá-los num buffer. Disponibilizar os dados ao processo Devolver o controle ao processo

18 Desempenho I/O I/O é um fator fundamental no desempenho do sistema Exige à CPU a execução de código de device driver e a escalonar processos justa e eficientemente quando eles bloqueiam ou desbloqueiam. As trocas de contexto resultantes sobrecarregam a CPU e as suas caches por causa das interrupções Assim, a cópia de dados é uma das principais preocupações; Tráfico de rede também pode provocar uma taxa elevada de comutações de contexto.

19 Desempenho I/O: otimização Reduzir o número de trocas de contexto Reduzir o número de cópias de dados do dispositivo para a memória Reduzir a frequência de interrupções através do uso de transferências de grandes quantidades de dados, controladores inteligentes e polling(se a espera-ocupada puder ser minimizada) Usar DMA Calibrar o desempenho da CPU, memória, bus e I/O para o maior tráfego de dados por unidade de tempo (i.e. uma sobrecarga numa zona não deve provocar a descongestionamento em outras)