O documento explora a estrutura e os princípios do subsistema de entrada e saída (E/S) em sistemas operacionais, abordando desde a complexidade do hardware a detalhes de desempenho. São discutidos conceitos como interrupções, DMA, e a distinção entre dispositivos de bloco e de caracteres, além das chamadas de sistema que encapsulam interações com dispositivos. As considerações sobre desempenho ressaltam a importância de reduzir trocas de contexto e cópias de dados para otimizar operações de E/S.

1. Sistemas Operacionais I
Gerência de Armazenamento: Sistemas de
Entrada e Saída
Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com
Centro de Informática | Universidade Federal da Paraíba
Estes slides são baseados no material que acompanha o livro Operating
Systems Concepts de Silberschatz, Galvin and Gagne

2. Objetivos
 Explorar a estrutura do subsistema de E/S de
um sistema operacional
 Discutir os princípios e complexidade do
hardware de E/S
 Prover detalhes do aspectos de desempenho
do hardware e software de E/S

3. Hardware de E/S
 Variedade imensa de dispositivos de E/S
 Conceitos comuns
 Porta
 Barramento (daisy chain ou acesso
compartilhada direto)
 Controlador (adaptador do hospedeiro)
 Instruções de E/S controlam os dispositivos
 Os dispositivos possuem endereços,
utilizados para
 Instruções de E/S diretas
 E/S Mapeada em memória

4. Uma estrutura típica de
barramento

5. Polling
 Determina o estado de um dispositivo
 Pronto para receber comandos
 Ocupado
 Erro
 Ciclo de Espera ocupada para aguardar E/S
do dispositivo

6. Interrupções
 A CPU tem uma linha de solicitação de
interrupção ativada pelo dispositivo de E/S
 O gerenciador de interrupção recebe o sinal
 Interrupções podem ser mascaradas para que a
CPU ignore ou adie seu tratamento
 Um vetor de interrupções é utilizado para selecionar o
endereço da rotina de tratamento adequada
 Baseado em prioridades
 Algumas não podem ser mascaradas
 O mecanismo de interrupções é utilizado também
para exceções

7. Ciclo de E/S baseado em
interrupções

8. Acesso direto à memória
 Utilizado para evitar o uso de E/S
programada para o movimento de grandes
volumes de dados
 Requer um controlador de DMA
 Dispensa a CPU na transferência de dados
entre o dispositivo de E/S e a memória

9. Seis etapas de uma transferência DMA

10. Interface de E/S para
aplicações
 As chamada de sistema de E/S encapsulam o
comportamento dos dispositivos em classes
genéricas
 A camada do driver de dispositivo esconde as
diferenças entre os controladores de E/S do
núcleo do SO
 Os dispositivos variam em várias dimensões
 Fluxo de caracteres ou blocos
 Acesso sequencial ou aleatório
 Dedicado ou compartilhado
 Velocidade de operação
 Leitura-escrita, apenas leitura, apenas escrita

11. Estrutura de E/S do núcleo

12. Características de dispositivos de
E/S

13. Dispositivos de bloco e de
caracteres
 Dispositivos de bloco incluem drivers de disco
 Comandos incluem read, write, seek
 E/S crua ou via sistema de arquivos
 Possibilidade de acesso a arquivos mapeados
em em memória
 Dispositivos de caracteres incluem teclados,
mouses e portas seriais
 Comandos incluem get, put
 Bibliotecas permitem edição de linhas

14. Dispositivos de rede
 Diferenciam-se o suficiente de dispositivos de
bloco e de caracteres para terem sua própria
interface
 Unix e Windows NT/9x/2000 incluem uma
interface socket
 Separam protocolo de rede de operação da rede
 Incluem uma função select
 As abordagens variam amplamente (pipes,
FIFOs, streams, queues, mailboxes)

15. Relógios e Temporizadores
 Fornecem o tempo atual, tempo decorrido e
temporizador
 Temporizador de intervalo programado
utilizado para temporização e interrupções
periódicas

16. E/S bloqueante e não-
bloqueante
 Bloqueante – processo suspenso até a conclusão da
operação de E/S
 Fácil de utilizar e de entender
 Insuficiente para algumas necessidades
 Não-bloqueante – a chamada de E/S retorna com os dados
disponíveis no momento
 Interface do usuário, cópia de dados (bufferização de E/S)
 Implementado utilizando múltiplas threads
 Retorna rapidamente com a contagem de bytes lidos ou escritos
 Assíncrona – o processo roda enquanto a operação de E/S
é executada
 Difícil de usar
 Subsistema de E/S sinaliza quando a operação de E/S /e
concluída

17. Dois métodos de E/S

18. Subsistema de E/S do núcleo
 Escalonamento
 Filas por dispositivo para ordenação de requisições
de E/S
 O sistema operacional tenta manter alguma justiça
 Bufferização – dados são armazenados na
memória enquanto estão sendo transferidos entre
dispositivos
 Ajuda a lidar como diferenças de velocidade entre os
dispositivos
 Ajudar a lidar com diferenças nos tamanhos de
transferência dos dispositivos
 Ajuda a manter a “semântica de cópia”

19. Subsistema de E/S do núcleo
 Cache – memória rápida para armazenamento
temporário de dados
 Sempre mantém apenas uma cópia
 Aspecto chave para melhorar o desempenho
 Spooling - mantém a saída para um dispositivo
 Útil se o dispositivo só pode atender uma requisição por
vez
 Ex. Impressora
 Reserva de dispositivo – provê acesso exclusivo a
um dispositivo
 Chamadas de sistema para alocação e liberação
 Risco de deadlocks!

20. Tabela de estado de dispositivo

21. Tratamento de erros
 O sistema operacional pode se recuperar de
um erro de leitura de disco, erro de dispositivo
indisponível e falhas transientes de escrita
 Precisa reportar um código de erro quando
uma requisição de E/S
 Log de erros do sistema mantem um registro
dos problemas

22. Proteção de E/S
 Processos de usuário podem acidentalmente
ou propositalmente tentar interferir na
operação normal do sistema utilizando
operações de E/S ilegais
 Todas as instruções de E/S foram definidas para
ter acesso privilegiado
 Operações de E/S precisam ser realizadas
através de chamadas de sistema

23. Uso de chamadas de sistema para
realizar operações de E/S

24. Estruturas de dados do núcleo
 O núcleo mantem informação de estado dos
diversos componentes envolvidos nas operações
de E/S, incluindo tabelas de arquivos abertos,
conexões de rede, estado de dispositivos de
caractere
 Muitas, mas muitas mesmo, estruturas de dados
complexas para gerenciar buffers, alocação de
memória, blocos ocupados, etc
 Alguns sistemas utilizam orientação a objetos e
troca e de mensagens para implementar
operações de E/S

25. Requisições de E/S para
operações do hardware
 Considere um processo tentando ler um
arquivo do disco:
 Determinar o dispositivo onde o arquivo está
armazenado
 Traduzir o nome em uma representação do
arquivo no dispositivo
 Fazer a leitura dos dados do disco para um buffer
 Disponibilizar os dados lidos para o processo
 Retornar o controle

26. Ciclo de vida de uma requisição de
E/S

27. Desempenho
 Operações de E/S representam um fator
chave no desempenho do sistema:
 Demanda para a CPU executar código dos
drivers de dispositivo
 Troca de contextos devido a interrupções
 Cópia de dados
 Tráfego de redes é especialmente dispendioso

28. Comunicação entre
computadores

29. Melhorando o desempenho
 Reduzir o número de trocas de contexto
 Reduzir a quantidade de dados copiados
 Reduzir o número de interrupções utilizando
pacotes maiores para transferências,
controladores inteligentes e polling
 Utilizar DMA
 Balancear o uso de CPU, memória,
barramentos e dispositivos de E/S para vazão
máxima

30. Progressão da funcionalidade dos
dispositivos