Instituto Tecnolgico de la Laguna
Ingeniera en Sistemas ComputacionalesSISTEMAS OPERATIVOS UNIDAD
4 Administracin de dispositivos de entrada y salidaALUMNOS:
07131290 Jorge Eduardo Pea Briones 07131154 Miguel Loya Prez
07130327 Papalotzi Cruz Eduardo 06130645 Felipe de Jesus Puente
Ortiz PROFESORA: Ing. Georgina Vela AlvarezTorren, Coah. A 21 de
Marzo del 2011
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INDICE Administracin de E/S Caractersticas de los dispositivos
4.1.-Dispositivos de Entrada/Salida 4.2.-Mecanismos y funciones de
los manejadores de dispositivos (device drivers) Dispositivos de
bloques y de caracteres E/S programada o por interrupciones
Estructura y componentes del sistema de E/S Organizacin de las
funciones de Entrada/Salida 4.3.-Estructuras de datos para manejo
de dispositivos .. Manejadores de interrupcin.. .. .. . .. . . . ..
.... . ..3 .3 .4 7 ...10 .11 ..13 ..14 .17 .17 ..18 19 20 20 ..21
21 ..21 23 .24 24 25 .25 .. 25 ..26 26
Manejadores de dispositivos . Software de E / S Independiente
del Dispositivo. BUFFERING(uso de memoria intermedia) .. SPOOLING
4.4.-Operaciones de Entrada /Salida ........... Bus de direcciones
Entrada / Salida Mdulo de E/S E/S Programada E/S mediante
Interrupciones Inicio de la Operacin de E/S Procesamiento de la
Interrupcin Tabla de Estado de Dispositivos DMA (Direct Memory
Access) Transferencias va DMA .
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UNIDAD IV: Administracin de E/S Que hace????? El subsistema de
administracin de E/S controla todas las entradas y salidas del
sistema informtico. Para la seguridad, las tareas ms importantes
que lleva a cabo el subsistema de administracin de E/S son
administrar la transferencia de datos. aplicar los controles de
acceso a los datos mientras se estn transfiriendo.
Durante la transferencia de bloques o secuencias de datos, y
durante la operacin de E/S de caracteres, cada transaccin de E/S
est completamente separada de las dems. Esta transaccin sigue una
ruta bien conocida y definida; por tanto, la integridad de todos
los datos se mantiene durante las transacciones con datos. Adems,
se imponen los permisos que protegen los datos contra accesos no
autorizados.
Que caractersticas al menos 3 Caractersticas de los dispositivos
Los dispositivos se caracterizan por su heterogeneidad, lo que
introduce complejidad en el sistema operativo. Algunas de las
caractersticas en las que los dispositivos pueden diferir son las
siguientes: Unidad de transferencia. Unos dispositivos utilizan el
byte como unidad de transferencia (dispositivos de caracteres, como
el teclado o el ratn). Otros transfieren y/o almacenan la
informacin en bloques (dispositivos de bloques, como discos y
cintas magnticas). Velocidad. Los rangos en los que se mueven los
dispositivos son muy amplios. Los discos y los dispositivos de
comunicacin transfieren millones de caracteres por segundo y pueden
hacerlo a velocidad constante, mientras que con el teclado se
transfieren a lo sumo unos cuantos caracteres por segundo, con un
periodo concreto impredecible. Representacin de los datos. Incluso
un mismo dispositivo puede utilizar diferentes codificaciones
configurables en la instalacin, como es el caso del teclado y el
monitor.
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Protocolos de comunicacin. La comunicacin entre el dispositivo y
la CPU se realiza de acuerdo a un determinado protocolo que depende
del dispositivo y del bus de comunicacin. Operaciones. Hay
dispositivos de entrada, de salida y de entrada/salida. Adems,
algunos dispositivos requieren operaciones especficas (por ejemplo,
posicionar el cabezal de lectura/escritura en los discos). Errores.
Las condiciones de error varan con la naturaleza del dispositivo.
Por ejemplo, en la impresora hay que tratar la falta de papel como
una situacin de error especfica, mientras que en un disco puede
haber errores en el posicionamiento del cabezal.
4.1.-Dispositivos de Entrada/Salida Los dispositivos de E/S
pueden dividirse aproximadamente en dos categoras: dispositivos de
bloque y dispositivos de caracteres. Un dispositivo de bloque es
aquel que almacena informacin en bloques de tamao fijo, cada uno
con su direccin. Los tamaos comunes de los bloques van de 128 bytes
a 1024 bytes. La propiedad esencial de un dispositivo de bloques es
que es posible leer o escribir cada bloque en forma independiente
de los dems. En otras palabras, el programa en cualquier momento,
puede leer o escribir en cualquiera de los bloques. Los discos son
dispositivos de bloque. Si se observa cuidadosamente, la frontera
entre los dispositivos que son direccionables por bloque y aquellos
que no lo son no est bien definida. Todos estamos de acuerdo en que
un disco es un dispositivo de bloque direccionable porque no
importa dnde se encuentra corrientemente el brazo, siempre es
posible buscar otro cilindro y esperar entonces a que el bloque
requerido gire debajo de la cabeza. Ahora considrese una cinta
magntica que contenga bloques de 1k byte. Si a la unidad de cinta
se le da un comando para leer el bloque N, sta siempre puede
regresar la cinta y adelantarla hasta que llegue a l bloque N. Esta
operacin es anloga a un disco que realiza una localizacin, salvo
que se lleva mucho ms tiempo. Asimismo, puede o no ser posible
reescribir un bloque en la mitad de una cinta. Aun si fuese posible
utilizar cintas magnticas como dispositivos de bloque, eso nos
lleva a quitar amplitud del concepto de alguna manera: normalmente
no se utiliza en esa forma.
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El otro tipo de dispositivo de E/S es el dispositivo de
caracteres. Un dispositivo de caracteres entrega o acepta un flujo
de caracteres, sin importar de cul estructura de bloques se trate.
Este no es direccionable y no tiene ninguna operacin de
localizacin. Las terminales, las impresoras de lneas, las cintas de
papel, tarjetas perforadas, interfaces de redes, los ratones (para
apuntar) y la mayora de los dems dispositivos que no sean como el
disco se pueden concebir como dispositivos de caracteres.
Este esquema de clasificacin no es perfecto. Algunos
dispositivos simplemente no entran en ella. Por ejemplo, los
relojes no son direccionables de bloque. Tampoco generan ni aceptan
flujos de caracteres. Todo lo que hacen es producir interrupciones
en intervalos bien definidos. A pesar de ello, el modelo de los
dispositivos de bloque y de caracteres es lo suficientemente
general que se puede utilizar como base para hacer que algo como el
software del sistema operativo trabaje con la E/S independiente del
dispositivo. Por ejemplo, el sistema de archivo trata precisamente
con dispositivos de bloque abstractos y deja la parte dependiente
del dispositivo al software de nivel inferior llamado manejadores
de dispositivos.
Ejemplos de bloques y de cararcteres 3 de c/u
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DISPOSITIVO TECLADO MOUSE SCANNER VOS (Salida) IMPRESORA (Lnea)
IMPRESORA (Lser) MODEM RED LAN FLOPPY CD CINTA MAGNETICA DISCO
MAGNETICO
COMPORTAMIENTO Entrada " " Salida " " Entrada / salida "
Almacenamiento " " "
CLASIFICACION Carcter " " " " " " " Bloque " " "
TASA KB/SEG. 0,01 0,02 400 0,6 1,0 100 2,0-8,0 500-6000 100 1000
2000 2000-10000
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4.2.-Mecanismos y funciones de los manejadores de dispositivos
(device drivers). Un manejador de dispositivos es un programa de
bajo nivel que permite a los programas de alto nivel interactuar
con el dispositivo (hardware). El controlador es uno de los
componentes ms importantes del sistema operativo, ya que constituye
la interfaz del dispositivo con el bus de la computadora. El
sistema operativo generalmente trabaja con el controlador y no con
el dispositivo. Todo el cdigo que depende del dispositivo est en
los manejadores de los dispositivos. Cada uno de ellos se hace
cargo de un tipo de dispositivo o, cuando mucho, de una clase de
dispositivos ntimamente relacionados. Por ejemplo, probablemente
sera adecuado tener un solo manejador de la terminal, aun si el
sistema soportara varios tipos distintos de terminal, todos un poco
diferentes. Por el otro lado, una terminal tonta de copia dura
mecnica y una terminal inteligente de grficas con mapa de bits son
tan diferentes que deben utilizarse manejadores distintos. Los
controladores tienen uno o ms registros de dispositivo que se
emplean para darle comandos. Los manejadores de los dispositivos
emiten estos comandos y verifican que se ejecuten adecuadamente.
Por lo tanto, el manejador del disco es la nica parte del sistema
operativo que sabe cuntos registros tiene ese controlador del disco
y para que se utilizan. Slo l sabe de los sectores, pistas,
cilindros, cabezas, movimiento del brazo, factores de intercalacin,
manejadores de motor, tiempo de asentamiento de la cabeza y toda la
mecnica restante de hacer que el disco funcione como se debe. En
trminos generales, el trabajo de un manejador de dispositivo
consiste en aceptar solicitudes abstractas del software
independiente del dispositivo que esta sobre l y observar que se
cumpla la requisicin. Una solicitud comn es leer el bloque n. Si el
manejador esta ocioso en el momento en que llega una requisicin,
inicia su ejecucin de inmediato. Sin embargo, si ya esta ocupado
con una solicitud, normalmente meter la nueva solicitud en una
lista de espera de requisiciones pendientes con la cual trabajar lo
ms pronto posible. Como funciona el driver y la explicacion
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Programas independientes del dispositivo
Manejador del dispositivo
Controlador del dispositivo
El primer paso en la ejecucin real de la solicitud de E/S, por
ejemplo, para un disco, consiste en traducirla de trminos
abstractos a concretos. Para un manejador de disco, esto significa
indagar donde est en realidad el bloque solicitado, verificando si
el motor de la unidad est en ejecucin, determinando si el brazo
esta situado en el cilindro adecuado, etc. En resumen, debe decidir
que operaciones del controlador se requieren y en que orden. Una
vez que se haya determinado cuales comandos hay que emitir al
controlador, ste inicia su emisin escribiendo en los registros del
dispositivo del controlador. Algunos controladores pueden hacerse
cargo solo de un comando cada vez. Otros controladores estn
dispuestos a aceptar una lista enlazada de comandos, que despus
ejecutan por si mismo sin ms ayuda del sistema operativo. Despus de
que le comando o comandos se hayan emitido, se aplicar una de dos
situaciones. En muchos casos el manejador del dispositivo debe
esperar hasta que el controlador realice algn trabajo por l, de
modo que se auto bloquee hasta que la interrupcin llegue para
desbloquearlo. Sin embargo, en otros casos la operacin finaliza sin
retraso, de manera que el manejador no necesita bloquearse. Para
poner un ejemplo de esta ultima situacin, el deslizamiento (scroll)
de la pantalla en algunas terminales (entre ella la IBM PC)
requiere la escritura de algunos bytes en los registros del
controlador. No se necesita movimiento mecnico, de manera que toda
la operacin se pueda completar en unos cuantos microsegundos. En el
primer caso, el manejador bloqueado ser desbloqueado por la
interrupcin. En el ltimo caso, nunca se bloquear. En cualquier
forma, despus de que la operacin se ha completado debe verificar si
hay errores. Si todo est bien, el manejador puede hacer que pasen
datos al software independiente del dispositivo (por ejemplo, un
bloque recin ledo) por ltimo, produce alguna informacin sobre la
condicin para transmitirla a su solicitante. Si alguna otra
requisicin se forma en lista de espera, una de ellas puede ser
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seleccionada e iniciada ahora. Si no se coloca nada en la lista
de espera, el manejador se bloquea esperando la siguiente
solicitud. Hay tres registros importantes en casi todos los
controladores: registro de datos, estado y control. 1.- El registro
de datos: Sirve para el intercambio de datos. Se localiza el
controlador cargando los datos ledos y se ir extrayendo los datos
para su escritura en el perifrico. Un bit del registro de estado
sirve para indicar que el controlador puede transferir un dato. 2.-
Estado: En las operaciones de lectura esto significa que ha cargado
un nuevo valor, mientras que en las de escritura significa que
necesita un nuevo dato. Otros bits de este registro sirven para que
el controlador indique los problemas que ha encontrado en la
ejecucin de la ltima operacin de E/S. 3.- El registro de control:
Sirve para indicarle al controlador las operaciones que ha de
realizar. Los distintos bits de este registro indican distintas
acciones que ha de realizar el perifrico. Para empezar una operacin
de E/S, la UCP tiene que escribir sobre los registros anteriores
los datos de la operacin a travs de una direccin de E/S.
Los controladores de dispositivo se suelen agrupar en alguna de
las siguientes categoras o clases: Adaptadores de audio (tarjetas
de sonido). Dispositivos de comunicacin (infrarrojos, mdems, etc).
Dispositivos de visualizacin; pantallas (displays). Teclados. Ratn
( mouse y otros sealadores grficos). Dispositivos multimedia.
Dispositivos de Red. Impresoras. Almacenamiento Las caractersticas
del controlador son muy importantes, ya que definen el aspecto del
perifrico para el sistema operativo. Atendiendo a las
caractersticas del hardware de los
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dispositivos, se pueden observar los siguientes aspectos
distintivos: Direccin de E/S. En general hay dos modelos de
direccionamiento de E/S, los que usan puertos y los que proyectan
los registros en memoria. Unidad de transferencia. Los dispositivos
suelen usar unidades de transferencia de tamao fijo. Hay dos
modelos clsicos de dispositivos: de caracteres y de bloques.
Interaccin computadora-controlador. La computadora tiene que
interaccionar con la computadora para realizar las operaciones de
E/S y saber cundo terminan. Dispositivos de bloques y de caracteres
Definicin y ejemplos Los Dispositivos E/S tambin se pueden
clasificar por medio a su funcionamiento en dos grandes categoras:
Dispositivos de bloque. Dispositivos de carcter.
Los dispositivos de almacenamiento secundario y terciario
manejan la informacin en unidades de tamao fijo, denominadas
bloques, por lo que a su vez se denominan dispositivos de bloques.
Estos bloques se pueden direccionar de manera independiente, lo que
permite leer o escribir un bloque con independencia de los dems.
Los dispositivos de bloque lo son porque el hardware fuerza la
existencia de accesos de un tamao determinado. Un disco, por
ejemplo, se divide en sectores de 512 bytes o de 1 KB, siendo un
sector la unidad mnima de transferencia que el controlador del
disco puede manejar. Las principales caractersticas de los
dispositivos de bloque son: La informacin se almacena en bloques de
tamao fijo. Cada bloque tiene su propia direccin. Los tamaos ms
comunes de los bloques van desde los 128 bytes hasta los 1.024
bytes. Se puede leer o escribir en un bloque de forma independiente
de los dems, en cualquier momento. Un ejemplo tpico de dispositivos
de bloque son los discos. Los dispositivos de caracteres, como los
terminales, impresoras, tarjetas de red, mdems, etctera, no
almacenan informacin en bloques de tamao fijo. Gestionan flujos
de
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caracteres de forma lineal y sin ningn tipo de estructura de
bloque. Un teclado es un buen ejemplo de estos dispositivos. Est
conectado a una UART (Universal Asvnchronous Receiver/Transmiter)
que recibe un carcter del teclado cada vez que se pulsa una tecla.
No es posible leer un bloque de teclas de un golpe o buscar dentro
del dispositivo por ninguna unidad. Un terminal por lnea serie
tambin es un dispositivo de caracteres. Su controlador se limita a
enviar al perifrico el flujo de caracteres que debe representar en
la pantalla y a recibir del mismo los caracteres tecleados por el
usuario.
Las principales caractersticas de los dispositivos de carcter
son: La informacin se transfiere como un flujo de caracteres, sin
sujetarse a una estructura de bloques. No se pueden utilizar
direcciones. No tienen una operacin de bsqueda. Un ejemplos tpico
de dispositivos de caracter son las impresoras de lnea, terminales,
interfaces de una red, ratones, etc.
E/S programada o por interrupciones La informacin entre los
controladores de dispositivo y la unidad central de proceso o
memoria principal se puede transferir mediante un programa que
ejecuta continuamente y lee o escribe los datos del (al)
controlador. Con esta tcnica, que se denomina E/S programada, la
transferencia de informacin entre un perifrico y el procesador se
realiza mediante la ejecucin de una instruccin de E/S. Con esta
tcnica, es el procesador el responsable de extraer o enviar datos
entre el procesador y el controlador de dispositivo, lo que provoca
que el procesador tenga que esperar mientras se realiza la
transferencia entre el perifrico y el controlador. Dado que los
perifricos son sensiblemente ms lentos que el procesador, ste deber
esperar una gran cantidad de tiempo hasta que se complete la
operacin de E/S. En este caso no existe ningn tipo de concurrencia
entre la E/S y el procesador ya que ste debe esperar a que finalice
la operacin.
Empleando E/S dirigida por interrupciones el procesador enva la
orden de E/S al controlador de dispositivo y no espera a que ste se
encuentre listo para enviar o transmitir los datos, sino que se
dedica a otras tareas hasta que llega una interrupcin del
dispositivo que indica que se ha realizado la operacin solicitada.
Las rutinas de interrupcin suelen tener dos partes: una genrica y
otra particular para el
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dispositivo. La parte genrica permite:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Capturar la interrupcin. Salvaguardar el estado del procesador.
Activar la rutina de manejo de la interrupcin. Indicar al
planificador que debe poner lista para ejecutar la rutina
particular. Desactivar la interrupcin. Restaurar el estado del
procesador Ceder el control
Estructura y componentes del sistema de E/S La arquitectura del
sistema de entrada/salida es compleja y est estructurada en capas,
cada una de las cuales tiene una funcionalidad bien definida:
Interfaz del sistema operativo para entrada/salida. Proporciona
servicios de E/S sncrona y asncrona a las aplicaciones y una
interfaz homognea para poderse comunicar con los manejadores de
dispositivo ocultando los detalles de bajo nivel. Sistemas de
archivos. Proporcionan una interfaz homognea, a travs del sistema
de archivos virtuales, para acceder a todos los sistemas de
archivos que proporciona el sistema operativo (FFS, SV, NTFS, FAT,
etc.). Permite acceder a los manejadores de los dispositivos de
almacenamiento de forma transparente, incluyendo en muchos casos,
como NFS o NTFS, accesos remotos a travs de redes. En algunos
sistemas, como Windows NT, los servidores para cada tipo de sistema
de archivos se pueden cargar y descargar dinmica- mente como
cualquier otro manejador. Gestor de redes. Proporciona una interfaz
homognea para acceder a todos los sistemas de red que proporciona
el sistema operativo (TCP/IP, Novell, etc.). Adems, permite acceder
a los manejadores de cada tipo de red particular de forma
transparente. Gestor de bloques. Los sistemas de archivos y otros
dispositivos lgicos con acceso a nivel de bloque se suelen limitar
a traducir las operaciones del formato del usuario al de bloques
que entiende el dispositivo y se las pasan a este gestor de
bloques. El gestor de bloques admite nicamente operaciones a nivel
de bloque e interacciona
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con la cache de bloques para optimizar la E/S. Gestor de cache.
Optimiza la entrada/salida mediante la gestin de almacenamiento
intermedio en memoria para dispositivos de E/S de tipo bloque. Es
importante saber que su tamao vara dinmicamente en funcin de la
memoria RAM disponible y que los bloques se escriben a los
dispositivos segn una poltica bien definida, que en UNIX y WINDOWS
NT es la de escritura retrasada. Manejadores de dispositivo.
Proporcionan operaciones de alto nivel sobre los dispositivos y las
traducen en su mbito interno a operaciones de control de cada
dispositivo particular. Como ya se ha dicho, los manejadores se
comunican con los dispositivos reales mediante puertos o zonas de
memoria especiales.
Cada uno de los componentes anteriores se considera un objeto
del sistema, por lo que habitualmente todos los sistemas operativos
permiten modificar el sistema operativo de forma esttica o dinmica
para reemplazar, aadir o quitar manejadores de dispositivos. Sin
embargo, habitualmente te, y por razones de seguridad, no se
permite a las
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aplicaciones de usuario acceder directamente a los dispositivos,
sino a travs de la interfaz de llamadas al sistema operativo.
Organizacin de las funciones de Entrada/Salida Por otra parte, y
dependiendo en gran parte de las caractersticas del dispositivo,
hay que distinguir tres tipos de entrada/salida, en funcin de cmo
el sistema se sincroniza con el controlador:
E/S programada. La sincronizacin es por encuesta, realizndose un
bucle de espera activa en la consulta del registro de estado del
controlador. Los sistemas operativos multiprogramados evitan este
tipo de operacin.
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E/S por interrupciones. El controlador activa una interrupcin
que permite la comunicacin asncrona del sistema operativo, que
puede estar realizando otras tareas, con el dispositivo. Es la base
que permite implementar un sistema operativo multiprogramado.
o E/S por DMA. Los dispositivos de bloques, que requieren una
tasa de transferencia muy elevada, utilizan el acceso directo a
memoria para las operaciones de entrada/salida, bien utilizando
ciclos de memoria libres (robo de ciclo), bien aduendose de los
buses de memoria para transferir un bloque completo.
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Almacenamiento intermedio de la E/S Cual era el objetivo del
almacvenamieto intermedio y explikar os esquememas de
almacenamiento intermedio Para desacoplar las velocidades de
funcionamiento de los dispositivos con las de otros elementos del
sistema y, por lo tanto, aumentar el rendimiento, es habitual la
utilizacin de almacenamiento intermedio o buffering tanto de
entrada como de salida. El manejador del dispositivo proporciona
buffers del sistema sobre los que se realiza la transferencia de
entrada/salida. El buffer del sistema se copia a/desde el buffer de
usuario, sobre el que la aplicacin especifica la operacin de E/S.
El objetivo es doble. Por una parte, se amortigua la diferencia
entre el ritmo de las peticiones de E/S y la capacidad del
dispositivo para servirlas. Por otra parte, se consigue que, en
sistemas con swapping y/o memoria virtual, las pginas de los
programas de usuario que contienen los vectores especificados para
la E/S no tengan que permanecer en memoria mientras el proceso est
bloqueado. Puede pensarse en diferentes esquemas de buffering, que
dan lugar a diferentes formas de comportamiento de la
entrada/salida en cuanto a la posibilidad de concurrencia entre las
aplicaciones de usuario y los dispositivos (Figura 5.3):
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E/S sin buffer.- La transferencia se realiza directamente sobre
el buffer de usuario, que debe quedar fijado en memoria. Si una
aplicacin pretende transferencias asncronas, debe gestionarse sus
propios buffers. Buffer simple. No permite transferencias
simultneas, pero soporta transferencias asncronas. Buffer doble.
Introduce concurrencia al permitir simultneamente dos
transferencias (usuario-sistema en un buffer y sistema-dispositivo
en otro). Buffer circular, que permite soportar concurrencia del
tipo productor-consumidor. Un ejemplo caracterstico es el buffer de
anticipacin del teclado. La utilizacin de buffers mejora los
parmetros de rendimiento temporal a cambio de espacio para
implementarlos. Tambin mejora la eficiencia de la CPU, aunque
parcialmente compensada por el hecho de tener que copiar informacin
entre los buffers del sistema y del usuario.
En algunos sistemas operativos la utilizacin o no de buffers se
prametriza en la llamada al sistema de abrir y queda reflejada en
la tabla de canales del proceso. 4.3.-Estructuras de datos para
manejo de dispositivos. Los procesos de usuario emiten peticiones
de entrada/salida al sistema operativo. Cuando un proceso solicita
una operacin de E/S, el sistema operativo prepara dicha operacin
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bloquea al proceso hasta que se recibe una interrupcin del
controlador del dispositivo indicando que la operacin est completa.
Las peticiones se procesan de forma estructurada en las siguientes
capas: Manejadores de interrupcin. Manejadores de dispositivos o
drivers. Software de E/S independiente de los dispositivos. Este
software est formado por la parte de alto nivel de los manejadores,
el gestor de cache, el gestor de bloques y el servidor de archivos.
Interfaz del sistema operativo. Llamadas al sistema que usan las
aplicaciones de usuario. Manejadores de interrupcin Los manejadores
de interrupcin se encargan de tratar las interrupciones que generan
los controladores de dispositivos una vez que stos estn listos para
la transferencia de datos o bien han ledo o escrito los datos de
memoria principal en caso de acceso directo a memoria. Para tratar
dicha interrupcin se ejecuta el correspondiente manejador de
interrupcin cuyo efecto es el de salvar los registros, comunicar el
evento al manejador del dispositivo y restaurar la ejecucin de un
proceso (que no tiene por qu ser el interrumpido). Manejadores de
dispositivos Todo el cdigo que depende de los dispositivos aparece
en los manejadores de dispositivos. Cada controlador posee uno o ms
registros de dispositivos: Se utilizan para darle los comandos. Los
manejadores de dispositivos proveen estos comandos y verifican su
ejecucin
adecuada. La labor de un manejador de dispositivos es la de:
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Aceptar las solicitudes abstractas que le hace el software
independiente del
dispositivo. Verificar la ejecucin de dichas solicitudes.
Si al recibir una solicitud el manejador est ocupado con otra
solicitud, agregara la nueva solicitud a una cola de solicitudes
pendientes. La solicitud de e / s, por ej. para un disco, se debe
traducir de trminos abstractos a trminos concretos: El manejador de
disco debe: o Estimar el lugar donde se encuentra en realidad el
bloque solicitado. o Verificar si el motor de la unidad funciona. o
Verificar si el brazo est colocado en el cilindro adecuado, etc. o
Resumiendo: debe decidir cules son las operaciones necesarias del
controlador y su orden. o Enva los comandos al controlador al
escribir en los registros de dispositivo del mismo. o
Frecuentemente el manejador del dispositivo se bloquea hasta que el
controlador realiza cierto trabajo; una interrupcin lo libera de
este bloqueo. o Al finalizar la operacin debe verificar los
errores. o Si todo esta o.k. transferir los datos al software
independiente del dispositivo. o Regresa informacin de estado sobre
los errores a quien lo llam. o Inicia otra solicitud pendiente o
queda en espera. Software de E / S Independiente del Dispositivo La
mayor parte del sistema de E/S es software independiente de
dispositivo. Este nivel incluye el sistema de archivos y el de
gestin de red, el gestor de bloques, la cache de bloques y una
parte de los manejadores de dispositivo. La principal funcin de
esta capa de software es ejecutar las funciones de E/S que son
comunes a todos los dispositivos a travs de una interfaz uniforme.
Internamente, en este nivel se proporciona acceso a nivel de
bloques o caracteres, almacenamiento intermedio, gestin de los
dispositivos, planificacin de la E/S y control de errores.
Funciones generalmente realizadas por el software independiente del
dispositivo:
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Interfaz uniforme para los manejadores de dispositivos. Nombres
de los dispositivos. Proteccin del dispositivo. Proporcionar un
tamao de bloque independiente del dispositivo. Uso de buffers.
Asignacin de espacio en los dispositivos por bloques. Asignacin y
liberacin de los dispositivos de uso exclusivo. Informe de
errores.
Las funciones bsicas del software independiente del dispositivo
son:
Efectuar las funciones de e / s comunes a todos los
dispositivos. Proporcionar una interfaz uniforme del software a
nivel usuario.
El software independiente del dispositivo asocia los nombres
simblicos de los dispositivos con el nombre adecuado.
Que es???? BUFFERING(uso de memoria intermedia). El buffering
trata de mantener ocupados tanto la CPU como los dispositivos de
E/S. La idea es sencilla, los datos se leen y se almacenan en un
buffer, una vez que los datos se han ledo y la CPU va a iniciar
inmediatamente la operacin con ellos, el dispositivo de entrada es
instruido para iniciar inmediatamente la siguiente lectura. La CPU
y el dispositivo de entrada permanecen ocupados. Cuando la CPU est
libre para el siguiente grupo de datos, el dispositivo de entrada
habr terminado de leerlos. La CPU podr empezar el proceso de los
ltimos datos ledos, mientras el dispositivo de entrada iniciar la
lectura de los datos siguientes. Este sistema soluciona en forma
parcial el problema de mantener ocupados todo el tiempo la CPU y
los dispositivos de E/S. Ya que todo depende del tamao del buffer y
de la velocidad de procesamiento tanto de la CPU como de los
dispositivos de E/S. El manejo de buffer es complicado. Uno de los
principales problemas reside en determinar tan pronto como sea
posible que un dispositivo de E/S a finalizado una operacin. Este
problema se resuelve mediante las interrupciones. Tan pronto como
un dispositivo de E/S acaba con una operacin interrumpe a la CPU,
en ese momento la CPUTec. Laguna Pgina 20
detiene lo que est haciendo e inmediatamente transfiere el
control a una posicin determinada. Normalmente las instrucciones
que existen en esta posicin corresponden a una rutina de servicio
de interrupciones. La rutina de servicio de interrupcin comprueba
si el buffer no est lleno o no est vaco y entonces inicia la
siguiente peticin de E/S. La CPU puede continuar entonces el
proceso interrumpido. Que es???SPOOLING. Se refiere al proceso
mediante el cual la computadora introduce trabajos en un buffer(un
rea especial en memoria o en un disco), de manera que un
dispositivo pueda acceder a ellos cuando est listo. El spooling es
til en caso de dispositivos que acceden a los datos a distintas
velocidades. El buffer proporciona un lugar de espera donde los
datos pueden estar hasta que el dispositivo (generalmente ms lento)
los procesa. Esto permite que la CPU pueda trabajar en otras tareas
mientras que espera que el dispositivo ms lento acabe de procesar
el trabajo. La aplicacin ms comn del spooling es la impresin. En
este caso, los documentos son cargados en un buffer, que
habitualmente es un rea en un disco, y la impresora los saca de ste
a su propia velocidad. El usuario puede entonces realizar otras
operaciones en la computadora mientras la impresin tiene lugar en
segundo plano. El spooling permite tambin que los usuarios coloquen
varios trabajos de impresin en una cola de una vez, en lugar de
esperar a que cada uno acabe para enviar el siguiente.
4.4.-Operaciones de Entrada /Salida. Antes de empezar a hablarles
sobre lo que son los mtodos y tcnicas de entrada y salida de datos
primero daremos un breve repaso sobre el medio de transporte de la
informacin, tal y como lo es el bus de direcciones, para que una
vez comprendido el concepto de este nos sea mas fcil entender los
trminos y el contenido en general sobre la entrada y salida de
datos. Bus de direcciones Es utilizado por el microprocesador para
sealar la celda de memoria (o el dispositivo de E/S) con el que se
quiere operar. El tipo de operacin ser de lectura o de escritura y
los datos implicados viajarn por el bus de datos. Por l circula la
expresin binaria de la direccin de memoria a la cual el
microprocesador quiere acceder. Tiene sentido de flujo
unidireccional desde el microprocesador hacia la memoria. Una vez
localizados los datos perdidos, su transmisin hacia el
microprocesador (o hacia donde sea) se har a travs del bus de
datos.
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Los dispositivos de E/S intercambian la informacin con el
microprocesador mediante los puertos de E/S. Cada puerto est
asociado con un determinado dispositivo y tiene una direccin que lo
identifica. El ancho de este bus tambin es una medida de la
potencia del microprocesador, ya que determina la cantidad de
memoria a la que ste puede acceder, es decir, la cantidad de
espacio direccionable. El espacio de direcciones es el rango de
valores distintos que el microprocesador puede seleccionar. La
cantidad mxima de direcciones disponibles ser 2 a la n, siendo n el
nmero de lneas del bus de direcciones. ENTRADA/SALIDA Tanto en la
E/S programada como la basada en interrupciones, la CPU debe
encargarse de la transferencia de datos una vez que sabe que hay
datos disponibles en el controlador. Una mejora importante para
incrementar la concurrencia entre la CPU y la E/S consiste en que
el controlador del dispositivo se pueda encargar de efectuar la
transferencia de datos, liberando de este trabajo a la CPU, e
interrumpir a la CPU slo cuando haya terminado la operacin completa
de EIS. Esta tcnica se denomina acceso directo a memoria (DMA,
Direct Memory Access).
Cuando se utiliza acceso directo a memoria, es el controlador el
que se encarga directamente de transferir los datos entre el
perifrico y la memoria principal, sin requerir intervencin alguna
por parte del procesador. Esta tcnica funciona de la siguiente
manera: Cuando el procesador desea que se imprima un bloque de
datos, enva una orden al controlador indicndole la siguiente
informacin: Tipo de operacin: lectura o escritura. Perifrico
involucrado en la operacin. La direccin de memoria desde la que se
va a leer o a la que va a escribir directamente con el controlador
de dispositivo (direccin). El nmero de bytes a transferir
(contador).Tec. Laguna Pgina 22
Donde el campo Operacin corresponde al cdigo de operacin de las
instrucciones mquina normales. Especifica la operacin que debe
realizar la CCW. La unidad de control decodifica este campo y enva
las seales adecuadas de control al dispositivo. Existen varias
operaciones, las ms importantes son las siguientes: Lectura: el
canal transfiere a memoria principal un bloque de palabras de tamao
especificado en el campo n de palabras, en orden ascendente de
direcciones, empezando en la direccin especificada en el campo
direccin del dato. Escritura: el canal transfiere datos de memoria
principal al dispositivo. Las palabras se transfieren en el mismo
orden que en la operacin de lectura. Control: se utiliza esta orden
para enviar instrucciones especficas al dispositivo de E/S, como
rebobinar una cinta magntica, etc. Bifurcacin: cumple en el
programa de canal la misma funcin que una instruccin de salto en un
programa normal. El canal ejecuta las CCW en secuencia, salvo
cuando aparece una CCW de este tipo, que utiliza el campo direccin
del dato como la direccin de la siguiente CCW a ejecutar. Flags:
Los bits de este campo indican lo siguiente: CC (Encadenamiento de
comando): cuando este bit est a 1, indica al canal que la siguiente
CCW especifica una nueva operacin de E/S que debe realizarse con el
mismo dispositivo. El canal ejecuta primero la operacin de E/S
especificada en la CCW que tiene a 1 el flag CC. Despus ejecuta la
siguiente sobre el mismo dispositivo. Desde el punto de vista del
dispositivo, las dos operaciones resultantes de la primera y
segunda CCW aparecen como dos comandos de E/S separados. CD
(Encadenamiento de datos): una CCW con el bit CD a 1, indica al
canal que la siguiente CCW contiene una nueva direccin del dato y
un nuevo n de palabras. stos deben utilizarse para transferir un
segundo bloque de datos hacia o desde el dispositivo de E/S,
mediante la orden especificada por la CCW actual. Cuando el canal
termina la transferencia de datos especificada en la CCW con el bit
CD a 1, no corta la conexin con el dispositivo de E/S, contina la
transferencia utilizando la direccin y el n de palabras de la
siguiente CCW. SKIP (Salto): este bit, cuando est a 1, hace que el
programa de canal salte un nmero de palabras igual al especificado
en el campo n de palabras. Cuando se utiliza con la orden de
lectura, este flag hace que los datos se lean del dispositivo sin
que se transfieran a la memoria principal. PCI (Interrupcin
controlada por programa): el canal produce una interrupcin cuando
ejecuta una CCW con el flag PCI a 1. Si esta CCW va precedida por
otra CCW con encadenamiento de comandos, la interrupcin se genera
despus de que
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hayan concluido todas las transferencias de datos. Una vez
emitida la orden, el procesador contina realizando otro trabajo sin
necesidad de transferir el bloque de datos. Es el propio
controlador el que se encarga de transferir el bloque de datos del
perifrico a memoria. La transferencia se realiza palabra a palabra.
Cuando el controlador ha completado la transferencia, genera una
interrupcin que activa la rutina de tratamiento correspondiente, de
tal manera que se sepa que la operacin ha concluido. Mdulo de E/S
Cada controlador est a cargo de un tipo especfico de dispositivo.
Dependiendo del controlador, pueden estar varios dispositivos
conectados al mismo controlador. El controlador se encarga de mover
datos entre el dispositivo periferico que controla y el buffer de
almacenamiento local. El tamao del buffer vara de un controlador a
otro y depende del dispositivo que controla. Son posibles tres
tcnicas para las operaciones de E/S: E/S programada E/S mediante
interrupciones DMA E/S Programada Los datos se intercambian entre
el CPU y el mdulo de E/S. El CPU ejecuta un programa que controla
directamente la operacin de E/S, incluyendo la comprobacin del
estado del dispositivo, el envo de la orden de lectura o escritura
y la transferencia del dato. Cuando el CPU enva la orden debe
esperar hasta que la operacin de E/S concluya. Si el CPU es ms
rpido, ste estar ocioso. El CPU es el responsable de comprobar
peridicamente el estado del mdulo de E/S hasta que encuentre que la
operacin ha finalizado. Normalmente habr muchos dispositivos de E/S
conectados al sistema a travs de los mdulos de E/S. Cada
dispositivo tiene asociado un identificador o direccin. Cuando el
CPU enva una orden de E/S, la orden contiene la direccin del
dispositivo deseado. E/S mediante Interrupciones El problema con
E/S programada es que el CPU tiene que esperar un tiempo
considerable a que el mdulo de E/S en cuestin est preparado para
recibir o transmitir los datos. El CPU debe estar comprobando
continuamente el estado del mdulo de E/S. Se degrada el desempeo
del sistema. Una alternativa es que el CPU tras enviar una orden de
E/S continue realizando algn trabajo til. El mdulo de E/S
interrumpir al CPU para solicitar su servicio cuando est
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preparado para intercambiar datos. El CPU ejecuta la
transferencia de datos y despus continua con el procesamiento
previo. Se pueden distinguir dos tipos: E/S sncrona y E/S asncrona
E/S Sncrona: cuando la operacin de E/S finaliza, el control es
retornado al proceso que la gener. La espera por E/S se lleva a
cabo por medio de una instruccin wait que coloca al CPU en un
estado ocioso hasta que ocurre otra interrupcin. Aquellas mquinas
que no tienen esta instruccin utilizan un loop. Este loopcontinua
hasta que ocurre una insterrupcin transfiriendo el control a otra
parte del sistema de operacin. Slo se atiende una solicitud de E/S
por vez. El sistema de operacin conoce exactamente que dispositivo
est interrumpiendo. Esta alternativa excluye procesamiento
simultneo de E/S. E/S Asncrona: retorna al programa usuario sin
esperar que la operacin de E/S finalice. Se necesita una llamada al
sistema que le permita al usuario esperar por la finalizacin de E/S
(si es requerido). Tambin es necesario llevar un control de las
distintas solicitudes de E/S. Para ello el sistema de operacin
utiliza una tabla que contiene una entrada por cada dispositivo de
E/S (Tabla de Estado de Dispositivos). La ventaja de este tipo de
E/S es el incremento de la eficiencia del sistema. Mientras se
lleva a cabo E/S, el CPU puede ser usado para procesar o para
planificar otras E/S. Como la E/S puede ser bastante lenta
comparada con la velocidad del CPU, el sistema hace un mejor uso de
las facilidades. Inicio de la Operacin de E/S Para iniciar una
operacin de E/S, el CPU actualiza los registros necesarios en el
mdulo de E/S. El mdulo de E/S examina el contenido de estos
registros pare determinar el tipo de accin a ser llevada a cabo.
Por ejemplo, si encuentra un requerimiento de lectura, el mdulo de
E/S empezar a transferir data desde el dispositivo a los buffers
locales. Una vez terminada la transferencia, el mdulo informa al
CPU que la operacin ha terminado por medio de una interrupcin.
Procesamiento de la Interrupcin Cuando un dispositivo de E/S
termina una operacin de E/S, se produce la siguiente secuencia de
eventos: El dispositivo enva una seal de interrupcin al procesador
El procesador termina la ejecucin de la instruccin en curso antes
de responder a la interrupcin. El procesador comprueba si hay
alguna interrupcin. Si hay alguna, enva una seal de reconocimiento
al dispositivo que la origin
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El procesador debe prepararse para transferir el control a la
rutina de interrupcin.
Debe guardar la informacin necesaria para continuar con el
proceso en curso en el punto en que se interrumpi. Guarda en la
pila del sistema el contenido de los registros, etc. El procesador
carga en el PC la direccin de inicio del programa de gestin o
servicio de interrupcin solicitada. Una vez modificado el PC, el
procesador contina con el ciclo de instruccin siguiente. Es decir,
se transfiere el control a la rutina servidora de la interrupcin.
Cuando finaliza el servicio de la interrupcin, se restauran los
valores de los registros.
Tabla de Estado de Dispositivos Que es y ejemplo no lo mandara
de la exposicin el dibujo Cuando el CPU recibe una interrupcin que
indica que se ha finalizado una operacin de E/S, el sistema de
operacin debe saber a cul proceso pertenece. Para esto se mantiene
una tabla de estado de dispositivos. Cada entrada en la tabla
contiene el tipo de dispositivo, su direccin y su estado (ocioso,
ocupado, no funcionando). Si es dispositivo se encuentra ocupado,
entonces el tipo de solicitud junto con otros parametros son
almacenados en la tabla (lista). Las operaciones TYPEAHEAD son un
esquema usado por algunos dispositivos que permiten a los usuarios
"adelantar" la entrada de datos antes de ser requeridas. Cuando
sucede la interrupcin de final de E/S no hay proceso que la
requiri, por lo tanto se necesita un buffer para almacenar los
caracteres adelantados hasta que algn programa los requiera. En
general, se requiere un buffer para cada terminal de entrada. DMA
(Direct Memory Access) La E/S con interrupciones, aunque ms
eficiente que la E/S programada, tambin requiere la intervencin del
CPU para transferir datos entre la memoria y el mdulo de E/S.
Consideren el siguiente ejemplo: Cuando se va a leer una lnea desde
un terminal, el primer carcter escrito es enviado al computador.
Cuando el carcter es recibido por el controlador, ste interrumpe al
CPU. El CPU le da servicio a la interrupcin y luego continua con el
proceso que estaba ejecutando. Esto es posible cuando el
dispositivo es muy lento comparado con el CPU. Entre un carcter y
otro el CPU lleva a cabo gran cantidad de procesamiento. Pero qu
sucede cuando estamos trabajando con dispositivos de E/S ms
veloces? Tendramos interrupciones muy seguidas y se estara
desperdiciando mucho tiempo. Para evitar esto, se utiliza DMA para
dispositivos de E/S de alta velocidad. E1 controlador del
dispositivo transfiere un bloque de datos desde o para sus buffers
de almacenamiento a memoria directamente sin intervencin del CPU.
Solo se produce una interrupcin por bloque en lugar de tener una
interrupcin por cada byte (o palabra).
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Por ejemplo, un programa solicita una transferencia de datos. El
Sistema de Operacin busca un buffer disponible. El controlador de
DMA tiene sus registros actualizados con las direcciones del fuente
y del destino y la longitud de la transferencia . Por lo general
esta actualizacin es realizada por el manejador de dispositivo
(rutina). Se indica al controlador de DMA a travs de bits de
control en un registro de control pare que inicie la operacin de
E/S. Mientras tanto el CPU puede llevar a cabo otras operaciones.
El controlador de DMA interrumpe el CPU cuando la transferencia ha
sido terminada . El CPU interviene solo al comienzo y al final de
la transferencia. Transferencias va DMA. Algunos dispositivos de
entrada/salida envan datos a la memoria ms rpido de lo que el
microprocesador puede manejar. El controlador de DMA (Direct Memory
Access) es un circuito integrado dedicado que puede enviar y
recibir datos ms rpido que el microprocesador. Luego, dispositivos
como discos pticos y magnticos utilizan este integrado para acceder
a la memoria del sistema. El controlador de DMA (Direct Memory
Access) toma prestado los buses de datos, de direcciones y de
control del sistema y envia un nmero programado de bytes desde un
dispositivo de entrada/salida hasta la memoria. El "8237 DMA
controller" es el nombre del circuito integrado que utilizan los
PCs para esta funcin. Cuando un dispositivo tiene un bloque de
datos preparado para enviar a la memoria, envia una peticin al DMA
poniendo una seal DRQn a "1". Si el canal de DMA se halla
disponible, el DMA enviar una seal HRQ (hold request) al
microprocesador. El microprocesador responder dejando los buses
libres y enviando una seal HLDA (hold acknowledge) al DMA. Luego el
DMA obtiene el control de los buses poniendo la seal AEN a nivel
alto y envia la direccin de memoria a ser escrita. Despues el DMA
envia la seal de DACKn (DMA acknowledge) al dispositivo. Finalmente
el controlador de DMA se ocupa de manejar las seales de MEMW y IOR
del bus de control. Cuando la transferencia de datos se ha
completado vuelve a poner la seal HRQ a nivel bajo y el procesador
recupera el control de los buses de nuevo. Si un dispositivo
necesita datos de la memoria, el proceso es similar. La nica
diferencia consiste en que el controlador de DMA usa las seales
MEMR y IOW en el bus control. Utilizando acceso directo a memoria
el procesador nicamente se ve involucrado al inicio y al final de
la transferencia. Por tanto, cuando el sistema operativo despierta
al proceso que pidi la E/S, no tiene que copiar el bloque a memoria
porque ya est all. El DMA requiere una etapa de almacenamiento
intermedio en el controlador del dispositivo para armonizar la
velocidad del dispositivo de EIS con la copia de los datos en
memoria principal. La razn para este almacenamiento intermedio
reside en que una vez que el dispositivo empieza la transferencia
de datos, sta debe hacerse a velocidad constante para evitar
transferencias parciales y nuevas esperas de posicionamiento del
dispositivo sobre los datos (latencia). Una vez transferidos los
datos a la memoria del controlador, ste los copia en memoria
principal aprovechando el ancho de banda libre del bus. Los pasos a
seguir en una operacin de E/S con DMA son los siguientes:
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Los paso a seguir en un DMA SON: 1. Programacin de la operacin
de E/S. Se indica al controlador la operacin, los datos a
transferir y la direccin de memoria sobre la que se efectuar la
operacin. 2. El controlador contesta aceptando la peticin de E/S.
3. El controlador le ordena al dispositivo que lea (para operacin
de lectura) una cierta cantidad de datos desde una posicin
determinada del dispositivo a su memoria interna. 4. Cuando los
datos estn listos, el controlador los copia a la posicin de memoria
que tiene en sus registros, incrementa dicha posicin de memoria y
decrementa el contador de datos pendientes de transferir. 5. Los
pasos 3 y 4 se repiten hasta que no quedan ms datos por leer. 6.
Cuando el registro de contador est a cero, el controlador
interrumpe a la UCP para in dicar que la operacin de DMA ha
terminado.
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