Input/Output. Hardware de I/O. Dispositivos de bloco ou caracter Software de I/O deve suportar velocidades diferentes

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1 Input/Output 1 Hardware de I/O Dispositivos de bloco ou caracter Software de I/O deve suportar velocidades diferentes 2 1

2 Controlador de Dispositivo Dispositivos de I/O têm 2 componentes: Componente mecânico Componente electrónico O componente electrónico é o controlador de dispositivo Um controlador pode lidar com vários dispositivos O controlador tem de: Converter stream de bits para blocos de bytes Efectuar a detecção e correcção de erros Copiar bytes para a memória principal Existem interfaces standard entre o controlador e o dispositivo, exemplos? 3 Comunicação entre o SO e o Controlador de Dispositivo Efectuada através de registos no controlador Registos de controlo Buffers de dados (e.g., video RAM) Como é que o SO comunica com estes registos? 4 2

3 Memory-Mapped I/O (1) Espaços de I/O e memória separados I/O mapeados em memória Híbrido Vantagens / Desvantagens? 5 Memory-Mapped I/O (2) Device drivers podem ser escritos em C Não são necessários novos mecanismos de protecção para I/O Aumenta a complexidade do hardware e do SO (e.g., como é feito o caching?) Problemas nalgumas arquitecturas 6 3

4 Memory-Mapped I/O (3) (a) Arquitectura single-bus (b) Arquitectura dual-bus 7 Direct Memory Access (DMA) Sem DMA, o SO (1) espera pela interrupção do dispositivo, (2) lê os bytes do buffer, e (3) escreve-os em memória Se o controlador pode enviar dados para a memória, porque necessita de um buffer? 8 4

5 Interrupções Revisitadas O SO tem de guardar o contexto actual (valores dos registos do CPU) antes de correr o handler Arquitecturas modernas complicam a definição da fronteira entre instruções anteriores e posteriores à interrupção Bus 9 Principios do Software de I/O A que objectivos / características deve obedecer o software de I/O? 10 5

6 Objectivos do Software de I/O (1) Independência do dispositivo Programas podem aceder a qualquer dispositivo de I/O Sem especificar previamente o dispositivo (floppy, hard drive, ou CD-ROM) Espaço de nomes uniforme Nome de um ficheiro ou dispositivo é uma string ou um inteiro Tratamento dos erros Tratamento está tão próximo do hardware quanto possível 11 Objectivos do Software de I/O (2) Transferências síncronas vs assíncronas Bloqueante vs por interrupção Buffering Dados vindos do dispositivo não podem ser guardados no destino final Dispositivos partilhados vs dedicados Discos são partilhados Tape drives não podem ser 12 6

7 Como programar Inputs/Outputs? Já vimos formas diferentes de aceder aos registos do controlador de dispositivo Mas há diferentes formas de interagir e programar com I/Os 13 I/O Programadas (1) Passos para imprimir uma string 14 7

8 I/O Programadas (2) Escrever uma string para a impressora usando I/O programadas Polling ou Busy Waiting Problemático Porquê? Solução? 15 I/O por interrupção Escrever a string para a impressora usando I/O por interrupção Código é executado quando a chamada de sistema para imprimir é chamada Rotina de serviço à interrupção 16 8

9 I/O usando DMA Imprimir uma string usando o DMA Código é executado quando a chamada ao sistema para imprimir é chamada Rotina de serviço à interrupção 17 Níveis do Software de I/O 18 9

10 Tratamento de Interrupções (1) Tratamento de interrupções devem estar escondidas Rotina de interrupção executa-se Depois desbloqueia driver que começou a operação Passos que devem ser dados no software após interrupção de hardware estar concluída 1. Salvaguardar registos que ainda não o tenham sido pela interrupção de hardware 2. Inicializar o contexto (TLB, MMU) para a rotina de serviço à interrupção 19 Tratamento de interrupções (2) 3. Inicializar a pilha para a rotina de serviço à interrupção 4. Ack controlador de interrupções, reactivar interrupções 5. Copiar registos do stack do processo interrompido para a tabela de processos 6. Executar rotina de tratamento de interrupções 7. Correr algoritmo de escalonamento 8. Definir contexto (TLB, MMU) para a execução do próximo processo 9. Carregar registos do novo processo 10. Começar a correr o novo processo 20 10

11 Device Drivers Posição lógica dos device drivers é mostrada aqui 21 Device Drivers Código específico a cada dispositivo Pertence ao núcleo do SO (carregados dinamicamente) Acede aos registos do controlador SO define interfaces que dispositivos de bloco e de caractere têm de implementar 22 11

12 Device Drivers Estrutura: Validação e conversão dos parâmetros de input Verificar se o dispositivo está pronto para receber input Senão colocar pedido numa queue ou arrancar dispositivo Enviar sequência de comandos Bloquear até interrupção indicar final da operação Verificar e retornar resultado, tratar pedidos na queue ou bloquear Código pode ter de ser reentrante 23 Device Drivers 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) 24 12

13 Software independente do dispositivo de I/O (1) Uniform interfacing for device drivers Buffering Error reporting Allocating and releasing dedicate devices Providing a device-independent block size Funções do software que é independente do dispositivo de I/O 25 Software independente do dispositivo de I/O (2) (a) Sem uma interface standard (b) Com uma interface standard 26 13

14 Buffering Porquê? Supondo que não havia buffering e um modem gera uma interrupção por caractere lido read(modemfd, destino, 100); 27 Software independente do dispositivo de I/O (3) (a) Sem buffer um retorno ao processo utilizador por byte copiado (b) Buffer no espaço do utilizador E se o buffer é retirado de memória quando chega um byte? 28 14

15 Software independente do dispositivo de I/O (3) (a) Sem buffer um retorno ao processo utilizador por byte copiado (b) Buffer no espaço do utilizador e se o buffer é retirado de memória? (c) Buffer no núcleo e cópia para o espaço do utilizador E se chegam novos bytes quando a página está a ser trazida de disco (swapped in)? 29 Software independente do dispositivo de I/O (3) (a) Sem buffer um retorno ao processo utilizador por byte copiado (b) Buffer no espaço do utilizador e se o buffer é retirado de memória? (c) Buffer no núcleo e cópia para o espaço do utilizador e se chegam novos bytes quando a página está a ser swapped in? (d) Duplo buffer no núcleo 30 15

16 Software independente do dispositivo de I/O (3) Output: write(modemfd, strso, strlen(strso)+1); Quais as implicações das opções (a) e (b)? 31 Software independente do dispositivo de I/O (4) Desvantagens de buffering? 32 16

17 Software de I/O no espaço utilizador Bibliotecas para chamadas de sistema Formatação Spooling: Processo utilizador (1) Escreve o ficheiro (2) (3) Lê o ficheiro Processo servidor de impressão Gestor da impressora (4) Imprime o ficheiro 33 Software de I/O no espaço utilizador Níveis do sistema de I/O e as principais funções de cada nível 34 17

18 Discos Braço Pista (track) Sector Cabeça Cilindro Prato (Platter) Seek (posicionamento) Deslocar o braço para o cilindro a ler 35 Evolução do Hardware (20 anos) Qual a maior taxa de crescimento: (1) capacidade ou velocidade? (2) velocidade de leitura de disco ou de CPU? 36 18

19 Evolução da Capacidade e Dimensão 37 Geometria de um Disco a) b) a) Geometria física de um disco com duas zonas b) Possível geometria virtual do mesmo disco (SO) 38 19

20 Formatação de um Disco Discos requerem uma formatação de baixo nível antes de serem usados Consistem em escrever pistas concêntricas com os respectivos sectores por pista Um sector de disco: 39 Formatação de um Disco (2) O que acontece quando se salta para a pista seguinte ao ler uma sequência de sectores? rpm, 300 sectores/pista, tseek = 0.8 ms. Qual o diferencial entre pistas? 40 20

21 Formatação de um Disco (3) a) Sem interleaving b) Interleaving simples c) Interleaving duplo 41 Algoritmos de Escalonamento do Braço do Disco Tempo de leitura ou escrita determinado pela soma de 3 factores: 1. Tempo de posicionamento (seek time) 2. Latência rotacional 3. Tempo de transferência 42 21

22 Shortest Seek First (SSF) Initial position Pending requests Sequência de seeks? 43 Algoritmo do Elevador Sequência de seeks? 44 22

23 Caching no Controlador Ler um sector de cada vez é ineficiente. Porquê? Ao ler um sector, controlador faz caching dos sectores adjacentes (na mesma pista) Diferente da cache gerida pelo SO. Porquê? 45 Tratamento de Erros O que significa um sector ter um erro? Quem deve lidar com os erros nos sectores? a) Pista com um sector danificado ( bad sector ) b) Substituição por um sobressalente c) Deslocar todos os sectores para saltar o bad sector 46 23

24 RAID Striping Em que situações é útil? Desvantagem? ECC (Correcção de erros) Níveis 0 a 2 Drives de backup e paridade a sombreado 47 RAID (cont.) Pode fazer correcção e não apenas detecção. Como? Funciona mal com escritas pequenas, sobrecarrega drive de paridade. Porquê? Níveis 3 a 5 Drives de backup e paridade a sombreado 48 24

25 I/O em Unix e Linux Como é que os programas acedem aos dispositivos? 49 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 Acedido através do comando ifconfig. # ifconfig #ls l /dev eth0 Link encap:ethernet HWaddr 00:01:03:04:4F:1B crw-rw-rwinet addr: root root Bcast: , 0 Aug Mask: tty crw--w---- UP BROADCAST 1 root NOTRAILERS root 4, RUNNING 0 Mar 15 MTU: tty0 Metric:1 crw collisions:0 1 root txqueuelen:100 root 4, 1 Oct 6 14:42 tty1 crw--w---- Interrupt:7 1 Base root address:0x2000 tty 4, 10 Aug tty10 crw--w root tty 4, 11 Aug tty11 lo... Link encap:local Loopback brw-rw---- inet addr: root floppy Mask: , 0 Aug fd0 brw-rw---- UP LOOPBACK 1 root RUNNING floppy MTU: , 4 Aug Metric: fd0compaq brw-rw---- collisions:0 1 txqueuelen:0 root floppy 2, 4 Aug fd0d360 brw-rw root floppy 2, 12 Aug fd0d

26 Periféricos no /dev (1) 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. Chamada a ioctl permite acções específicas a um dispositivo fd = open( /dev/tty0, O_RDWR); write(fd,&buffer,size); read(fd,&buffer,size); 51 Periféricos no /dev (2) #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 52 26

27 Implementação do I/O Ao aceder a um ficheiro especial, o sistema de ficheiros determina o major e minor device number, e o tipo de dispositivo Major number é usado para indexar uma de duas tabelas (bdevsw, cdevsw) 53 Exemplo de uma tabela cdevsw Entradas são ponteiros para as rotinas (dos drivers) que implementam as chamadas standard 54 27

28 Sistema de I/O: Bloco vs. Caracter Buffer cache LRU com lista ligada Qualquer tipo de acesso (temporizador para escrita) 55 Sistema de I/O: Bloco vs. Caracter Disciplina de Linha Permite concentrar funcionalidades comuns Dados são agregados em C-lists antes de serem filtrados 56 28

29 Streams Módulos de processamento inseríveis dinamicamente Efectuam buffering e transformações arbitrárias Interfaces bem definidas, permitem interoperabilidade Podem efectuar multiplexagem, exemplo? 57 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"); } root# gcc -c hello.c root# insmod./hello.o Hello, world root# rmmod hello Goodbye cruel world root# insmod reserva memória e carrega o módulo Chama uma rotina de inicialização que, no caso dos drivers: Actualiza interrupt handlers Actualiza tabelas com rotinas do novo major number 58 29

30 I/O em Windows (tm) Suporte plug-and-play Plug-and-play manager envia pedido a cada slot para o dispositivo se identificar Aloca recursos de hw, procura drivers, carregaos em memória Sinergias entre I/O mgr e power mgr Máquina tem estados de poupança de energia Permite I/O assíncrono Como programar com I/O assíncrono? 59 Device Drivers MS definiu um Windows driver model Tratar pedidos de I/O num formato standard (IORP) Permitir plug-and-play, power mgt Reentrante Ser OO, implementar uma lista de métodos 60 30

31 Métodos dos Drivers DriverEntry Inicializa campos do objecto driver, e.g., ponteiros para as rotinas Cria objectos device (um por dispositivo) AddDevice Invocado pelo plug-and-play mgr sempre que um dispositivo é adicionado ao sistema Interrupt handlers, etc Empilhamento de Drivers Pedidos passam por vários drivers E.g., gestão do bus E.g., filtros para comprimir dados HAL Isola os drivers de variações do hardware