Sistemas de Entrada e Saída

Transcrição

1 Sistemas de Entrada e Saída Eduardo Ferreira dos Santos Ciência da Computação Centro Universitário de Brasília UniCEUB Junho, / 44

2 Sumário 1 Dispositivos de E/S 2 Interrupções 3 Camadas de Software de E/S 2 / 44

3 Dispositivos de E/S 1 Dispositivos de E/S 2 Interrupções 3 Camadas de Software de E/S 3 / 44

4 Dispositivos de E/S Denições Diferentes formas de interagir com o hardware: Entradas aceitas; Operações realizadas; Erros repassados aos softwares. Foco: entender as operações que são disponibilizadas aos programas. Dispositivos de bloco Armazenamento de informações em blocos de tamanho xo (discos); Dispositivos de caractere Envia e recebe uxo de caracteres. 4 / 44

5 Dispositivos de E/S Dispositivos de bloco Característica: cada bloco pode ser lido ou escrito independentemente de todos os outros [Tanenbaum and Machado Filho, 1995]; Ex.: CD-ROM, discos, ash drives; Considerações sobre a possibilidade de escrita/leitura de blocos independentes: Como comparar a escrita em discos e tas magnéticas? Como o acesso aleatório afeta o armazenamento ou não em blocos? É possível traçar sempre um limite? Como separar? 5 / 44

6 Dispositivos de E/S Dispositivos de caractere Dispositivos de caracteres: Envia e recebe um uxo de caracteres; Não são endereçáveis; Não tem operação de posicionamento. Assim como os blocos, a classicação não é perfeita. Ex.: relógio Não são endereçáveis por bloco; Não enviam nem recebem caracteres; Operação única: causa interrupção em intervalos denidos. A divisão da classicação facilita o desenvolvimento de interfaces de software. 6 / 44

7 Dispositivos de E/S Componentes Portas Ponto de conexão entre o dispositivo e o computador; Barramentos Mecanismo de conexão disponibilizado à porta; Barramento PCI comum em computadores domésticos e servidores; Barramento de expansão: conecta dispositivos mais lentos. Controlador Dispositivo eletrônico que conecta a porta e os dispositivos. Pode estar integrado ao dispositivo; Pode ser disponibilizado em uma placa separada (adpatador); Pode conter processador, microcontrolador, memória, etc. A orquestração do acesso aos componentes é feita pelo driver. 7 / 44

8 Dispositivos de E/S Barramentos Figura 1.1: Estrutura típica de barramentos do PC [Galvin et al., 2013] 8 / 44

9 Dispositivos de E/S Velocidade dos barramentos Figura 1.2: Taxa de transmissão de alguns dispositivos de E/S [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 9 / 44

10 Dispositivos de E/S Controladores de dispositivos Controlados através de instruções de Entrada/Saída (I/O); Comandos enviados e recebidos através dos registradores: Registrador de entrada (data-in); Registrador de saída (data-out); Registrador de status; Registrador de controle. Os dispositivos possuem endereços que podem ser utilizados por: Instruções diretas Comandos enviados diretamente ao dispositivo; I/O na memória Os dispositivos e seus comandos estão diretamente mapeados no espaço de endereçamento do processador. 10 / 44

11 Dispositivos de E/S Endereços de I/O Figura 1.3: Endereços típicos das portas nos PC's [Galvin et al., 2013] 11 / 44

12 Dispositivos de E/S Comunicação (a) I/O e memória separados; (b) Espaço único de endereçamento; (c) Dois espaços de endereçamento. Figura 1.4: Mecanismos de endereçamento [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 12 / 44

13 Dispositivos de E/S I/O na memória Utilizado para evitar I/O programado (um bit de cada vez) para grande quantidade de dados; Precisa de uma controladora DMA Direct Memory Access; A transferência de dados entre o dispositivo e a memória não passa pela CPU; O barramento rouba ciclos da CPU para transferir os dados; Ao nalizar, gera uma interrupção que sinaliza o m da operação; DVMA: versão que trabalha direto com endereços virtuais. 13 / 44

14 Dispositivos de E/S DMA Figura 1.5: Algoritmo de transferência DMA [Galvin et al., 2013] 14 / 44

15 Interrupções 1 Dispositivos de E/S 2 Interrupções 3 Camadas de Software de E/S 15 / 44

16 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. 16 / 44

17 Interrupções Implementação hardware Figura 2.1: Ciclo de interrupções de E/S [Galvin et al., 2013] 17 / 44

18 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? 18 / 44

19 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. 19 / 44

20 Interrupções Vetor de interrupção Figura 2.2: Tabela de interrupções do processador Intel [Galvin et al., 2013] 20 / 44

21 Interrupções Pipeline Pode ser difícil mapear o estado das interrupções em sistema multiprocessados. Como funciona o ciclo de interrupções no exemplo da gura? Figura 2.3: Execução do pipeline [Chagas, 2016] 21 / 44

22 Interrupções Interrupção precisa Para conseguir realizar a interrupção é preciso atender alguns requisitos obrigatórios; 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. 22 / 44

23 Interrupções Exemplo (a) Interrupção precisa; (b) Interrupção imprecisa. Figura 2.4: Exemplo de interrupção precisa e imprecisa [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 23 / 44

24 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. 24 / 44

25 Camadas de Software de E/S 1 Dispositivos de E/S 2 Interrupções 3 Camadas de Software de E/S 25 / 44

26 Camadas de Software de E/S 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. 26 / 44

27 Camadas de Software de E/S 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. 27 / 44

28 Camadas de Software de E/S E/S programada Figura 3.1: Passos ao enviar uma string à impressora [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 28 / 44

29 Camadas de Software de E/S E/S programada (implementação) Figura 3.2: Escrevendo uma string na impressora utilizando E/S programada [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 29 / 44

30 Camadas de Software de E/S E/S orientada à interrupção (a) Código executado no momento que a SYSCALL é chamada; (b) Procedimento do serviço de interrupção da impressora. Figura 3.3: Escrevendo uma string na impressora utilizando E/S orientada à interrupção [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 30 / 44

31 Camadas de Software de E/S E/S orientada à DMA (a) Código executado no momento que a SYSCALL é chamada; (b) Procedimento do serviço de interrupção. Figura 3.4: Imprimindo uma string utilizando DMA [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 31 / 44

32 Camadas de Software de E/S 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 3.5: Camadas do software de E/S [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 32 / 44

33 Camadas de Software de E/S 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. 33 / 44

34 Camadas de Software de E/S Algoritmo de interrupção É possível denir um algoritmo de tratamento 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; 34 / 44

35 Camadas de Software de E/S 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. 35 / 44

36 Camadas de Software de E/S Drivers de dispositivos Figura 3.6: Posicionamento lógico dos drivers de dispositivos [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 36 / 44

37 Camadas de Software de E/S 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). 37 / 44

38 Camadas de Software de E/S E/S no kernel Figura 3.7: Estrutura de E/S no kernel [Galvin et al., 2013] 38 / 44

39 Camadas de Software de E/S Independência Figura 3.8: Funções do software de E/S independente do dispositivo [Galvin et al., 2013] 39 / 44

40 Camadas de Software de E/S Uniformidade (a) Sem uma interface padrão (b) Com uma interface padrão. Figura 3.9: Interface uniforme para tratamento de dispositivos [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 40 / 44

41 Camadas de Software de E/S 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. 41 / 44

42 Camadas de Software de E/S Camadas do espaço do usuário Figura 3.10: E/S implementado por camadas e suas funções [Tanenbaum and Machado Filho, 1995] 42 / 44

43 Camadas de Software de E/S OBRIGADO!!! PERGUNTAS??? 43 / 44

44 Camadas de Software de E/S Chagas, F. (2016). Notas de aula do prof. fernando chagas. 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. 44 / 44