Arquitectura de Computadores, SO

Transcripción

1 Arquitectura de Computadores, SO Gestión E/S Contenido Introducción l Caracterización de los dispositivos de E/S Arquitectura del sistema de E/S l l l Drivers dispositivo Controladoras Modos de transferencia ARCO Gestión E/S 1

2 Introducció n El corazón de una computadora lo constituye la UCP. Pero no serviría de nada sin: Dispositivos de almacenamiento secundario (discos) y terciario (cintas y sistemas de archivo). Dispositivos periféricos, que le permitan interactuar con el usuario. Generalmente están fuera de la computadora y se conectan a ella mediante cables. Son los teclados, ratones, micrófonos, cámaras y cualquier otro dispositivo de E/S que se le ocurra conectar a una computadora. ARCO Gestión E/S Estructura de una computadora Dispositivos de salida (impresora, monitor,...) Unidad principal (UCP, registros, memoria RAM, entrada/salida ( discos internos, red,...)) Dispositivos de entrada (teclado, ratón, lápiz óptico,...) Dispositivos de entrada/salida (discos, cintas, modem,...) ARCO Gestión E/S 2

3 Clasificación de dispositivos Todos estos dispositivos de E/S se pueden agrupar en tres grandes grupos: Periféricos. Se llama así a los dispositivos que permiten la comunicación entre los usuarios y la computadora. Dentro de este grupo se incluyen todos los dispositivos que sirven para proporcionar interfaz con el usuario, tanto para entrada (ratón, teclado, etc.) como para salida (impresoras, pantalla, etc.). Dispositivos de almacenamiento. Se usan para proporcionar almacenamiento no volátil de datos y memoria. Su función primordial es abastecer de datos y almacenamiento a los programas que se ejecutan en la UCP. Según su capacidad e inmediatez se pueden dividir en almacenamiento secundario (discos y disquetes) y terciario (cintas y sistemas de archivo). Dispositivos de comunicaciones. Permiten conectar a la computadora con otras computadoras a través de una red. Los dos tipos de dispositivos más importantes de esta clase son los MODEM y las tarjetas de interfaz a la red. ARCO Gestión E/S Velocidad de los dispositivos El gran problema de todos estos dispositivos de E/S es que son muy lentos. La UCP procesa instrucciones a casi 1 GHz y la memoria RAM tiene un tiempo de acceso de nanosegundos Los dispositivos de E/S más rápidos tienen una velocidad de acceso del orden de milisegundos. Esta diferencia en la velocidad de acceso, y el hecho de que las aplicaciones son cada vez más interactivas y necesitan más E/S, hace que los sistemas de E/S sean el cuello de botella más importante de los sistemas de computación y que todos los sistemas operativos dediquen un gran esfuerzo a desarrollar y optimizar todos los mecanismos de E/S. La figura siguiente muestra la jerarquía del sistema de E/S en función de su velocidad de transferencia ARCO Gestión E/S 3

4 Jerarquía del almacenamiento Registros Memoria RAM Almacenamiento secundario Almacenamiento terciario nsegundos msegundos msegundos ARCO Gestión E/S Funciones del sistema de E/S Parte del sistema operativo que se ocupa de facilitar el manejo de los dispositivos de E/S ofreciendo una visión lógica simplificada de los mismos que pueda ser usada por otros componentes del sistema operativo (como el sistema de archivos) o incluso por el usuario. El sistema operativo debe controlar el funcionamiento de todos los dispositivos de E/S para alcanzar los siguientes objetivos: Facilitar el manejo de los dispositivos periféricos. Para ello debe ofrecer una interfaz entre los dispositivos y el resto del sistema que sea sencilla y fácil de utilizar. Optimizar la E/S del sistema, proporcionando mecanismos de incremento de prestaciones dónde sea necesario. Proporcionar dispositivos virtuales que permitan conectar cualquiertipo de dispositivo físico sin que sea necesario remodelar el sistema de E/S del sistema operativo. Permitir la conexión de dispositivos nuevos de E/S, solventando de forma automática su instalación usando mecanismos del tipo plug&play. ARCO Gestión E/S 4

5 Visión del sistema de E/S La visión del sistema de E/S puede ser muy distinta dependiendo del nivel de detalle necesario en su estudio. Para los programadores, el sistema de E/S es una caja negra que lee y escribe datos en dispositivos externos a través de una funcionalidad bien definida. Para los fabricantes de dispositivos, un dispositivo es un instrumento muy complejo que incluye cientos o miles de componentes electrónicos o electromecánicos. Los diseñadores de sistemas operativos se encuentran en un lugar intermedio entre los dos anteriores.: Les interesa la funcionalidad del dispositivo, aunque a un nivel de detalle mucho más grande que la funcionalidad que espera el programador de aplicaciones. También les interesa conocer la interfaz física de los dispositivos y su comportamiento interno para poder optimizar los métodos de acceso a los mismos. ARCO Gestión E/S Conexión de dispositivos a una computadora CPU Memoria Controlador gráfico Bus del sistem a Controlador de disco estado control datos Bus de expansión ARCO Gestión E/S 5

6 Conexión de dispositivos del sistema de E/S En el modelo de un periférico se distinguen dos elementos: Periféricos o dispositivos de E/S. Elementos que se conectan a la unidad central de proceso a través de las unidades de entrada/salida. Son el componente mecánico que se conecta al computador. Controladores de dispositivos o unidades de E/S. Se encargan de hacer la transferencia de información entre la memoria principal y los periféricos. Son el componente electrónico a través del cual se conecta el dispositivo de E/S. Tienen una conexión al bus de la computadora y otra para el dispositivo (generalmente mediante cables internos o externos). ARCO Gestión E/S Controladores Los controladores son muy variados, casi tanto como los dispositivos de E/S. Muchos de ellos, como los de disco, pueden controlar múltiples dispositivos. Otros, como los de canales de E/S, incluyen su propia UCP y bus para controlar la E/S por programa y evitar interrupciones en la UCP de la computadora. En los últimos años ha existido un esfuerzo importante de estandarización de los dispositivos, lo que permite usar un mismo controlador para dispositivos de distintos fabricantes (ejemplo: SCSI, Small Computer System Interface, o IDE, Integrated Drive Electronics). El controlador es el componente más importante desde el punto de vista del sistema operativo, ya que constituye la interfaz del dispositivo con el bus de la computadora y es el componente que se ve desde la UCP. Su programación se lleva a cabo mediante una interfaz de muy bajo nivel que proporciona acceso a una serie de registros del controlador.(ver tra. 14) Las características del controlador son muy importantes, ya que definen el aspecto del periférico para el sistema operativo. Fundamental: Dirección de E/S, Unidad de transferencia e Interacción computadoracontrolador. ARCO Gestión E/S 6

7 Sistema de E/S Software Proceso de usuario SW de E/S independiente de los dispositivos (SF) Manejadores de dispositivos (drivers) Manejadores de interrupciones Copia en memoria del usuario Copia en el sistema operativo Hardware Controladores Dispositivos Copia en el controlador Bloque del dispositivo ARCO Gestión E/S Capas del software de E/S y flujo de una operación Proceso de usuario Modo usuario Modo núcleo SW de E/S independiente de dispositivo SW de E/S independiente de dispositivo SW de E/S dependiente de dispositivo Software Hardware Ap lic a c ió n Sub siste m a o DLL Servicios Gestor de archivos Gestor de bloques Gestor de cache Manejador de dispositivo Manejador de interrupción Controlador Copia en memoria del usuario Copia en el sistema operativo Copia en el controlador Dispositivo Bloque del (disco) dispositivo ARCO Gestión E/S 7

8 Capas del sistema de E/S Unix Interfaz del Sistema Operativo Sistemas de Arc hivos NFTS HPFS FAT CD-ROM... Gestión de Redes (IPX/SPX, NETBEUI, TCP/IP,... ) Gestor de Bloques Gestor de Cache Manejadores de Dispositivos (CD-ROM, cinta, disco, puerto,... ) Controladores de dispositivo ARCO Gestión E/S Flujo de una Operación de E/S Software que ejecuta el usuario Respuesta/ desbloqueo Software que ejecuta el usuario Servidor de archivos Petición / bloqueo Respuesta Servidor de archivos Driver Petición Respuesta Driver Manejador de interrupción Programación del controlador Inicio de la transferencia Controlador de dispositivo Dispositivo periférico Controlador de dispositivo Dispositivo periférico Interrupción Fin de la transferencia Transferencia ARCO Gestión E/S 8

9 Operaciones en un manejador/driver Peticiones de E/S del dispositivo Extraer petición E/S de la lista Contestación a la petición Traducir a formato del controlador Preparar respuesta de error Si Operaciones sobre datos No Enviar mandatos al controlador Error Programación del controlador Si Bloqueo No Leer registros estado del controlador Esperar interrupción Interrupción ARCO Gestión E/S Conexión por puerto o memoria Para empezar una operación de E/S, la UCP tiene que escribir sobre los registros anteriores los datos de la operación a través de una dirección de E/S o de memoria asignada únicamente al controlador. El modelo de dispositivos por puertos es clásico en las arquitecturas de Intel. Cuando se instala un dispositivo, a su controlador se le asigna un puerto de E/S, una interrupción hardware y un vector de interrupción. Una operación de E/S la UCP ejecuta operaciones portin o portout con la dirección de puerto del dispositivo y con parámetros para indicar que registro se quiere manipular. Problema de este tipo de direccionamiento es que exige conocer las direcciones de E/S y programar las instrucciones especiales de E/S, lo que es significativamente distinto del modelo de memoria de la computadora. El modelo proyectado en memoria asigna a cada dispositivo de E/S un rango de direcciones de memoria a través de las cuáles se escribe sobre los registros del controlador. No hay instrucciones específicas de E/S, sino que las operaciones se llevan a cabo usando mediante instrucciones máquina de manejo de memoria. Mapa único de direcciones de memoria. Se reserva una zona de memoria física para asignar las direcciones de E/S. ARCO Gestión E/S 9

10 Direcciones de E/S de controladores ARCO Gestión E/S E/S programada La transferencia de información entre un periférico y el procesador se realiza mediante la ejecución de una instrucción de E/S. El procesador es el responsable de extraer o enviar datos entre la memoria y el controlador de dispositivo -> el procesador tiene que esperar mientras se realiza la transferencia. Muestreo periódico de los dispositivos -> Determina el estado del dispositivo: Listo, ocupado, error Ciclo de espera activa para esperar del dispositivo de E/S Ventaja: no hay gasto de tiempo de gestión de interrupción. Desventaja: Consume mucha CPU para dispositivos poco usados Aplicación: Hardware sin interrupciones Programas de control de canales de E/S ARCO Gestión E/S 10

11 E/S por Interrupciones El procesador envía la orden de E/S al controlador de dispositivo y no espera, se dedica a otras tareas hasta que llega una interrupción del dispositivo que indica que se ha realizado la operación solicitada. Líneas de petición de interrupción de la CPU activadas por los dispositivos El gestor de interrupciones recibe y maneja la interrupción: Enmascarables para ignorar o retrasar interrupciones El vector de interrupción tiene las direcciones de memoria de los manejadores de interrupción Se procesan según distintas políticas: Prioridad, FIFO, etc. Algunas no se pueden enmascarar (NMI). Ejemplo: reset. Los mecanismos de interrupción se usan también para excepciones. Ejemplo: instrucción errónea. ARCO Gestión E/S E/S por Interrupciones CPU 1 Manejador de dispositivo empieza E/S 2 Controlador E/S Em p ie za la E/S Ejecución en CPU Comprrobar interrupciones entre instrucciones 3 7 Interrupción a CPU, cede control al manejador 5 4 Operación completa o error genera una señal de interrupción Proceso datos en manejador int, vuelta de int 6 La CPU reinica, la tareal interrumpida ARCO Gestión E/S 11

12 Rutina de tratamiento de interrupción Las rutinas de interrupción suelen tener dos partes: una genérica y otra particular para el dispositivo. La partegenérica hace los siguiente: Captura de la interrupción. Salvaguarda de estado del procesador. Activación de la rutina de manejo de la interrupción. Indicar al planificador que debe poner lista para ejecutar la rutina particular. Desactivación de la interrupción. Restauración del estado del procesador. Cesión de control (RETI). ARCO Gestión E/S Interrupciones que usan algunos controladores ARCO Gestión E/S 12

13 Acceso Directo a Memoria (DMA) Se usa para evitar la E/S programada de grandes bloques de datos Necesita un controlador con DMA Evita el uso de la CPU transfiriendo los datos directamente entre los dispositivos de E/S y la memoria del usuario del núcleo Básico para aprovechar la CPU en un sistema multiprogramado, ya que libera tiempo de la CPU que se puede usar para ejecutar otros programas. ARCO Gestión E/S Pasos operación Lectura de DMA 1.-Programación de la operación de E/S. Se indica al controlador la operación, los datos a transferir y la dirección de memoria sobre la que se efectuará la operación. 2.-El controlador contesta aceptando la petición de E/S. 3.-El controlador le ordena al dispositivo que lea (para operación lectura) una cierta cantidad de datos desde una posición determinada del dispositivo a su memoria interna. 4.-Cuando los datos están listos, el controlador los copia a la posición de memoria que tiene en sus registros, incrementa dicha posición de de memoria y decrementa el contador de datos pendientes de transferir. 5.-Los pasos 3 y 4 se repiten hasta que no quedan más datos por leer. 6.-Cuando el registro de contador est a a cero, el controlador interrumpe a la UCP para indicar que la operación de DMA ha terminado. ARCO Gestión E/S 13

14 Memoria Sistema de DMA Contador Petic ión DMA (c ontador, direc c ión, datos) Ac eptac ión DMA Interrupc ión Operac ión (L/E) UCP Bus del sistema Re g ist ro de datos Contador Direc c ión Lógic a de control Controlador Disco ARCO Gestión E/S Pasos de la E/S por DMA El controlador por DMA transfiere los bytes al buffer X, incrementando dirección memoria y decrementando C hasta que C=0 Cuando C=0, el DMA interrumpe a la CPU para indicar fin de transferencia 1. Orden al controlador de dispositivo para mover datos del disco al buffer con dirección X 2. El manejador dice al controlador de disco que transfiera C bytes del disco al buffer X DMA/bus/interrupc. controlador CPU cache Bus CPU-memoria x memoria buffer Bus E/S controlador de disco disco disco 3. El controlador de disco inicia transferencia de D MA 4. El controlador de disco envía cada al controlador de DMA disco disco ARCO Gestión E/S 14

15 Procesadores de E/S El PE/S es el controlador de E/S convertido en procesador con un conjunto de instrucciones especializadas en operaciones de E/S, lo que le da un control completo sobre dicha operación En los computadores que incluyen PE/S, la UCP no ejecuta las instrucciones de E/S, éstas se almacenan en memoria principal para ser ejecutadas por un PE/S. Así la UCP inicia una transferencia de E/S al dar una orden al PE/S para que ejecute un programa en memoria ARCO Gestión E/S 15