Bacharelado em Ciência da Computação Sistemas Operacionais Prof. Diego Mello da Silva Instituto Federal de Minas Gerais - Campus Formiga 27 de março de 2014 diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 1 / 33
Sumário 1 Visão Geral de I/O 2 Hardware de I/O 3 Interfaces de I/O 4 Ciclo de Vida de Solicitação de I/O 5 Referências Bibliográficas diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 2 / 33
Visão Geral de I/O diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 3 / 33
Visão Geral Principais tarefas de um sistema computacional são I/O e processamento Gerência de I/O: controle de operações e dispositivos de I/O Dispositivos de I/O variam em função e velocidade Dispositivos de Armazenamento Dispositivos de Comunicação Dispositivos de Interação Humana São necessários diferentes métodos para controlá-los Tais métodos foram o subsistema de I/O Subsistema separa o Kernel dos dispositivos de I/O Hardware de I/O: portas, barramentos e controladores de dispositivos Tais elementos suportam grande variedade de dispositivos de I/O Drivers de dispositivo: módulos que apresentam uma interface uniforme de acesso dos dispositivos ao subsistema de I/O diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 4 / 33
Hardware de I/O diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 5 / 33
Hardware de I/O Dispositivo comunica-se com sistema enviando sinais através de cabos ou ar Comunicação com a máquina: portas ou barramentos Barramentos: Conjunto de fios em comum + protocolo de mensagens Exemplo de Barramento: PCI (Peripheral Component Interconnect) Bus diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 6 / 33
Controladores ou Adaptadores Controlador de Dispositivo: componentes eletrônicos que operam porta ou bus Composto normalmente por Processador ou microcontrolador Microcódigo Memória É comum ser encontrado na forma de uma placa de circuito impresso que é inserida em slots de expansão ou embutidos em seus dispositivos de I/O Processador principal deve enviar comandos e dados a um controlador para que a transferência de I/O se realize Controlador possui registradores para dados e sinais de controle Processador lê/escreve padrões de bits nestes registradores Formas de realizar comunicação (i.e., como processador enxerga controlador) (PMIO) Instruções especiais de I/O para mover byte/palavra para end. de I/O (MMIO) Mapeando registradores no espaço de endereço do Processador diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 7 / 33
Controladores: Registradores da Porta de I/O Registrador de Dados possuem geralmente de 1 a 4 bytes de tamanho Alguns controladores possuem buffer FIFO para entrada e saída Registrador Uso Reg. Entrada de Dados Lido pelo processador para obter entrada Reg. Saída de Dados Gravado pelo processador para enviar saída Reg. Estado Bits lidos pelo processador que indicam estado: comando corrente foi completado, byte está disponível para ser lido no reg. de entrada, ocorrência de erros no dispositivo Reg. Controle Gravado pelo processador para iniciar comando ou mudar modalidade do dispositivo (configuração) Através deste registradores SO pode comandar o dispositivo para entregar ou aceitar dados, ligar/desligar dispositivo, ou executar tarefas. Tais registradores são usados nas duas modalidades de comunicação (PMIO) Instruções especiais de I/O para mover byte/palavra para end. de I/O (MMIO) Mapeando registradores no espaço de endereço do Processador diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 8 / 33
Controladores: I/O Mapeada em Porta (PMIO) Instruções especiais de I/O especificam transferência de byte/palavra para um endereço ou porta de I/O (instruções in, inb, inw, inl e out, outb, outw, outl do assembly 1 ) in _Registrador, _Porta ou out _Porta, _Registrador Instrução aciona linhas do barramento para selecionar dispositivo Instruções movimentam dados para dentro e para fora dos registradores Exemplo em ASM: ; Escreve 0x10 porta paralela MOV DX,0378H MOV AL,10H OUT DX,AL Exemplo em C (apenas MS-DOS) #include <dos.h> outportb(0x378,0x10); 1 Ver listagem de portas em http://wiki.osdev.org/i/o_ports diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 9 / 33
Controladores: I/O Mapeada em Memória (MMIO) Registradores do controlador são mapeados no espaço de endereçamento do processador CPU executa solicitação de I/O usando instruções padrão de transferência para ler e gravar nos registradores do controlador. Exemplo: mov _Endereco, _Valor onde _Endereco guarda o endereço associado à porta de I/O Registradores de controle são apenas variáveis na memória Vantagens: Podem ser endereçados em C da mesma maneira que qualquer variável Driver de dispositivo de I/O poderia ser escrito totalmente em C Desvantagem: Registrador de dispositivo mapeado em memória é vulnerável à uma modificação acidental Risco é reduzido com uso de memória protegida diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 10 / 33
Controladores: PMIO e MMIO juntos Alguns sistemas usam tanto PMIO quanto MMIO Exemplo: Personal Computers (PCs) controlando vídeo Usa portas de I/O para operações básicas de controle Possui grande região mapeada em memória para armazenar conteúdo das telas (memória de vídeo / frame buffer) Processo grava dados nesta região mapeada em memória Controlador gera imagem na tela de acordo com conteúdo desta memória Vantagem Técnica simples de usar Gravar milhões de bytes na memória de vídeo é mais rápido que emitir milhões de instruções de I/O Outros dispositivos podem tirar vantagem deste mapeamento, como por exemplo dispositivos geradores de som desde que tenham seus buffers mapeados na memória diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 11 / 33
Mecanismos de I/O diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 12 / 33
Mecanismo: Pooling Interação entre processador e controlador é de responsabilidade do programador Também conhecido como inquirição ou I/O programada Ciclo de funcionamento: (1) Envio de comando ao controlador (2) Espera operação ser realizada Usa registrador de estado para verificar operação pendente Desvantagem Ocorrência de busy waiting (espera ociosa) Segura a CPU o tempo todo até a operação de I/O ser realizada Frequência de pooling alta desperdício de tempo Frequência de pooling baixa esperas desnecessárias/perda de dados Ineficiente devido à ocorrência de busy waiting enquanto ocorre operação de I/O diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 13 / 33
Mecanismo: Pooling (Exemplo 01) Processador grava string de bytes no dispositivo via controlador usando pooling Registradores: entrada, saída, estado, comandos Registrador de Estado Bit Significado Ocupado Dispositivo ocupado atendendo requisição de I/O Comando-Pronto Comando e argumentos definidos para operar Erro Sinaliza ocorrência de erro no I/O Handshaking (repetido para cada byte da string) (1) Processador lê bit ocupado repetidamente até estar desligado (pooling) (2) Processador seta bit gravar no registrador de comandos e escreve byte no registrador de saída (3) Processador seta bit comando-pronto (4) Controlador lê bit comando-pronto ligado e seta bit ocupado (5) Controlador lê registrador de comandos e lê gravar; lê registrador de saída para obter byte; executa I/O no dispositivo (6) Controlador desliga bit comando-pronto; desliga bit erro no registrador de estados e desliga bit ocupado diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 14 / 33
Mecanismo: Pooling (Exemplo 02) Processo de usuário deseja gravar ABCDEFGHI na impressora Pooling (1) Processo solicita impressora usando chamada de sistemas. Se estiver livre, processo toma impressora; caso contrário fica bloqueado; (2) SO copia buffer ABCDEFGHI do espaço do usuário para espaço do kernel (pdados) (3) Processo espera impressora ficar disponível (MMIO) (4) SO copia i-ésimo caracter de pdados para registrador de dados da impressora (MMIO) (5) Processo repete etapa (3) até terminar todos os caracteres Implementação alto-nível copy_from_user(buffer, pdados, qtdade); for(i = 0; i < qtdade; i++) { while(*printer_status_reg!= READY) { /* Busy Waiting */ } *printer_data_register[i] = pdados[i]; } return_to_user(); diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 15 / 33
Mecanismo: Interrupções Pooling é uma técnica ineficiente em virtude da ocorrência de busy waiting Interrupção: controlador notificar a CPU quando está disponível para serviço Funcionamento básico (1) CPU examina linha de solicitação de interrupções da CPU em busca de sinal de interrupção do controlador (2) Quando detectar que algum controlador gerou sinal, CPU salva estado e salta para rotina de tratamento de interrupções em endereço conhecido (3) Manipulador de interrupções determina causa e executa processamento necessário (4) Manipulador de interrupções restaura o estado da CPU e retorna para execução antes da interrupção Controlador provoca a interrupção CPU captura interrupção CPU despacha interrupção para manipulador de interrupções Manipulador de interrupções desliga interrupção ao atender dispositivo diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 16 / 33
Mecanismo: Interrupções Ciclo de I/O dirigido por interrupções Mecanismo básico habilita CPU a responder a eventos assíncronos diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 17 / 33
Mecanismo: Interrupções Computadores Modernos: Hardware controlador de interrupções (1) Retardar manipulação de interrupções em processamento crítico (2) Despachar manipulador de interrupções eficientemente (3) Distinguir interrupções de prioridade alta e baixa (1) Retardar manipulação de interrupções durante processamento crítico Interrupções mascaráveis e não-mascaráveis Mascaráveis: desligadas pela CPU durante processamento crítico Não-Mascaráveis: reservadas para erros irrecuperáveis Arquitetura Intel x86: registrador de flags e comandos para habilitar ou desabilitar interrupções mascaráveis (ex: seção crítica) IF (interrupt flag) CLI (clear interrupt bit) STI (set interrupt bit) diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 18 / 33
Mecanismo: Interrupções (2) Despacho eficiente (sem inquirir dispositivo) Endereço associado com interrupção Vetor de interrupções: ponteiro para manipuladores de interrupção Exemplo: tabela de vetores de interrupção do Intel Pentium diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 19 / 33
Mecanismo: Interrupções (3) Distinguir interrupções por prioridade Implementa níveis de prioridade de interrupções CPU autoriza manipulação de interrupções de baixa prioridade sem desmascarar todas as interrupções Interrupção de alta prioridade pode interceptar execução de interrupção de baixa prioridade Resumo: como funcionam as interrupções diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 20 / 33
Mecanismo: DMA (Direct Memory Access) Mecanismo usado para grandes transferências de dados (disco, por exemplo) Libera CPU de verificar estado e alimentar dados nos reg. do controlador Funcionamento (1) CPU grava bloco de comando DMA na memória (ponteiro para origem e destino, e contador de bytes a transferir) (2) CPU informa endereço do bloco para o controlador de DMA, e prossegue com outra tarefa (3) Controlador DMA opera no bus de memória sem ajuda da CPU (4) No término da transferência controlador DMA interrompe CPU Handshaking DMA - Controlador de dispositivo Linha DMA-Request: sinaliza palavra disponível para transferência Linha DMA-Acknowledge: sinaliza que linha de endereço está preenchida Roubo de ciclos: impedimento momentâneo para acessar memória principal durante uso do barramento de memória No entanto, CPU ainda pode acessar itens em cache diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 21 / 33
Mecanismo: DMA (Direct Memory Access) Transferência DMA passo a passo diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 22 / 33
Exercícios (Para Casa) 1 Ler as seções 13.2, 13.2.1, 13.2.2 e 13.2.3 de [Silberschatz] 2 Ler as seções 5.1, 5.1.1, 5.1.2, 5.1.3, 5.1.4 e 5.1.5 de [Tanembaum] 3 Ler a seção 5.1 de [Oliveira] 4 Faça uma breve pesquisa sobre (a) PCI Bus (Peripheral Component Interconnect) (b) ISA Bus (Industry Standard Architecture) (c) Tecnologia Plug and Play (d) interface SCSI (Small Computer System Interface) 5 Explique os seguintes mecanismos de I/O: Pooling Interrupções Direct Memory Access (DMA) diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 23 / 33
Interfaces de I/O diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 24 / 33
Interface de I/O da Aplicação Estrutura de I/O do kernel Bloco ou caractere Aleatório ou sequencial Síncrono ou assíncrono Compartilhado ou dedicado Velocidade de operação R, W, R/W Dispositivos de I/O devem ser tratados de modo padrão e uniforme (interfaces) Drivers encapsulam diferenças, mas exportam interfaces padrão diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 25 / 33
Dispositivos de Blocos Transferem blocos de bytes em uma única operação Exemplos: discos magnéticos, ópticos, pen drives, floppy (armazenamento) Aplicações normalmente acessam estes dispositivos através de uma interface de sistema de arquivos. No Linux, são dispositivos de bloco comuns (/dev) Arquivo fd0 hda hda3 sda sda1 sr0 Dispositivo Primeira unidade de disquetes Disco rígido IDE / CD-ROM na primeira porta IDE Terceira partição do primeiro disco rígido IDE Disco rígido SCSI Primeira partição do primeiro disco rígido SCSI Unidade de CD-ROM SCSI Chamadas de Sistema (além de open() e close()) read(): leitura de bloco write(): escrita de bloco seek(): posiciona em bloco específico Driver é responsável por mapear chamada em operações no dispositivo físico diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 26 / 33
Dispositivos de Caracteres Transferem bytes um a um, em sequência (orientados a fluxo) Exemplos: teclados (terminal), impressora, modems, mouses, placas de áudio, portas seriais e paralelas Aplicações normalmente acessam estes dispositivos através de uma interface de sistema de arquivos. No Linux, são dispositivos de caracter comuns (/dev) Arquivo ttys0 psaux lp0 audio Dispositivo Porta serial COM1 Mouse PS/1 Porta paralela LPT1 Placa de som Chamadas de Sistema (além de open() e close()) get(): lê um caracter put() escreve um caracter Driver é responsável por mapear chamada em operações no dispositivo físico diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 27 / 33
Ciclo de Vida de Solicitação de I/O diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 28 / 33
Ciclo de Vida de Solicitações de I/O Ciclo de I/O típico de leitura com bloqueio, da requisição ao atendimento 1 Processo emite chamada de sistema com bloqueio 2 Kernel verifica se parâmetros estão corretos. Se for entrada com resultado disponível, retorna para processo e encerra I/O 3 Caso contrário, executa I/O físico. Processo vai para fila de espera. Solicitação é incluída no scheduling. Quando atendida, subsistema de I/O repassa solicitação para o driver. 4 Driver aloca espaço no buffer do kernel para receber os dados. Driver envia comando para controlador de dispositivo através de seus registradores 5 Controlador do dispositivo opera o hardware e transfere dados diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 29 / 33
Ciclo de Vida de Solicitações de I/O Ciclo de I/O típico de leitura com bloqueio, da requisição ao atendimento 6 Driver pode fazer pooling no dispositivo ou solicitar DMA no buffer do kernel, gerando interrupção no término. 7 Interrupt handler recebe interrupção, armazena dados necessários, notifica driver e retorna da interrupção. 8 Driver recebe sinal, encerra a solicitação corrente, informa ao subsistema que I/O terminou. 9 Kernel transfere dados para espaço de endereçamento do processo. Processo volta a fila de prontos. 10 Processo desbloqueado ao retornar para fila de prontos. Quando for escalonado para usar CPU ele retornará a execução no término da chamada de sistema. diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 30 / 33
Exercícios (Para Casa) 1 Ler as seções 13.3, 13.3.1 e 13.5 de [Silberschatz] 2 Ler as seções 5.3.1, 5.3.2 e 5.3.3 (opcional) de [Tanembaum] 3 Defina os seguintes conceitos: (a) Driver de dispositivo (b) Dispositivo de Blocos (c) Dispositivo de Caracteres (d) Interrupt handler (tratadores de interrupção) 4 Replique a figura 5.11 de [Tanembaum] e explique com suas palavras o fluxo de execução de uma chamada de sistema para enviar dados para a impressora. Localize no diagrama onde se processam as chamadas de sistema, os drivers de dispositivo, a comunicação entre o driver e os controladores, o mecanismo de I/O, e os tratadores de interrupção. 5 Faça um diagrama resumido explicando passo a passo o ciclo de vida de uma requisição de I/O para leitura de um bloco de bytes em um dispositivo de blocos diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 31 / 33
Referências Bibliográficas diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 32 / 33
Referências Bibliográficas SILBERSCHATZ, Abraham. Fundamentos de sistemas operacionais. 8a edição Editora LTC, 2010. ISBN 9788521617471. OLIVEIRA, R. S. ; CARISSIMI, A. S.; TOSCANI, S. S. Sistemas Operacionais. 4a. Edição Editora Bookman. ISBN: 9788577805211. TANEMBAUM, A. S. Sistemas Operacionais Modernos. 3a. edição Editora Pearson Prentice-Hall, 2009. ISBN 978-85-7605-237-1. diego.silva@ifmg.edu.br (IFMG) Sistemas Operacionais 27 de março de 2014 33 / 33