Sd02 (si) gerenciamento de entrada e saída

Sistemas Distribuídos
Parte 2
Gerenciamento de Entrada e Saída
Professor Eduardo Xavier

Objetivos do controle de E/S
• Emitir comandos para os dispositivos
– Na maioria das vezes, os programas e o próprio SO
enxergam os dispositivos de uma forma que não é a sua
real interface. Por exemplo:
– Discos são vistos como blocos de bytes, em vez de
trilhas e cilindros.
– Partições lógicas em um mesmo disco são vistas
como discos fisicamente diferentes
• Atender interrupções
– Sempre que uma operação de I/O (Input/Output)
termina, é preciso informar ao SO que o processo que
solicitou a operação já pode ser desbloqueado. Isso é
feito por meio de uma “interrupção”.

Objetivos do controle de E/S (cont.)
• Manipular erros
– Se ocorre algum problema em uma operação de I/O, é
preciso que o erro seja tratado. O tratamento do erro
geralmente se processa de duas formas:
– Definir um curso de ação para fazer com que a
operação de I/O seja processada corretamente
(exemplo: repetir a operação)
– Gerar uma mensagem de erro que será
encaminhada para o SO (ou para quem solicitou o
I/O)

Diversas formas de “ver” o hardware
• Dependendo do ponto de vista de cada indivíduo, o hardware
pode ser encarado de uma maneira diferente
– Programadores de aplicações enxergam cada dispositivo
da forma como suas aplicações devem manipular os dados
– Projetistas de SO visualizam a forma como cada dispositivo
vai interagir com o sistema operacional
– Projetistas de hardware focalizam sua atenção em
consumo de energia e trocas de sinais elétricos entre cada
dispositivo e o restante do hardware do computador
• Nesta parte da disciplina vamos concentra nossa atenção em
como o HW é programado e manipulado pelo sistema
operacional, sem se preocupar com funciona interno.

Dispositivos de Entrada/Saída
• Podemos classificar os dispositivos de I/O em
três categorias:
1. Dispositivos organizados em BLOCOS
2. Dispositivos organizados em CARACTERES
3. Dispositivos organizados de outra forma

• Categoria 1: Dispositivos de BLOCO
• Neste tipo de dispositivo as informações são
armazenadas e transmitidas em blocos de tamanho
fixo e cada bloco tem um endereço próprio que
permite sua localização.
• Normalmente, o tamanho do bloco varia entre 128 e
4096 bytes (mas não se trata de uma restrição e sim
de um padrão normalmente adotado pela indústria)
• É possível ler ou escrever cada bloco
independentemente do outro a qualquer instante
• Exemplo de dispositivo organizado em blocos:
– Discos magnéticosProfessor Eduardo Xavier

• Categoria 2: Dispositivos de CARACTERE
• Este tipo de dispositivo libera ou aceita filas de
caracteres sem levar em conta a padronização da
estrutura de armazenamento
• As informações enviadas/obtidas por este tipo de
dispositivo não são endereçáveis nem aceitam
operações de busca aleatória
• Exemplos de dispositivo organizados em caracteres:
– Impressoras
– Leitoras ópticas

• Categoria 3: Outros dispositivos
• As duas categorias anteriores abrangem a maioria dos
dispositivos hoje fabricados, porém existem alguns que
trabalham de formas diferentes, que não se
enquadram nem na transmissão de dados em blocos
nem em filas de caracteres
• Exemplo de dispositivo cuja organização não se dá nem
em blocos nem em caracteres:
– Relógios - não usam blocos endereçáveis ou filas de
caracteres, apenas geram interrupções em intervalos
regulares

Controladores de Dispositivos
• Unidades de E/S são o resultado da combinação de
componentes mecânicos e componentes eletrônicos
– O componente eletrônico é chamado de controlador de
dispositivo (é comum também ser chamado de device
controler ou adapter em literatura técnica)
• Geralmente, é um circuito impresso que pode ser
inserido no computador
• Exemplos: controlador de vídeo, controladora de discos
– O componente mecânico é o dispositivo propriamente
dito
• Exemplo: vídeo, discos, impressora

• IMPORTANTE
– O SO vê o controlador e não o dispositivo
• O SO usa o(s) barramento(s) para se comunicar com os
dispositivos
• Nos mainframes, estes barramentos são chamados de
“canais de E/S” e servem para aliviar a carga da CPU
• Entre um controlador e cada dispositivo existe uma interface
de baixo nível, responsável por converter a forma como o
dispositivo manipula os dados em uma forma padronizada de
comunicação
– Por exemplo: Discos são formatados em setores, trilhas e
cilindros, mas o driver envia uma lista serial de bits e cabe
ao controlador converter esta lista em um grupo de blocos

Barramento
Memória
Principal
CPU
Interfaces
de baixo nível
Controlador
de Discos
Controlador
de Vídeo
Controlador
USB
Controlador
de
Impressora
Outros
Controladores
? ? ?

• Registradores internos de cada controlador
– Cada controlador tem uns poucos registradores que são
usados para comunicação com a CPU
– Em algumas máquinas estes registradores fazem parte do
espaço de endereçamento regular, ou seja, podem ser
endereçados diretamente
– O SO realiza operações de E/S escrevendo comandos e
parâmetros (que os comandos utilizam) nestes
registradores
– Quando o comando é completado, o controlador causa
uma interrupção para permitir que a CPU assuma o
comando novamente e teste o resultado da operação
– As informações a respeito do andamento da operação
também são armazenadas nestes registradores

Software de Entrada/Saída
• O gerenciamento de I/O é organizado como uma
série de camadas sobrepostas
– As camadas mais baixas se preocupam com o
hardware
– As camadas mais altas se destinam a manter uma
interface simples para o usuário

• Conceitos importantes:
– Independência do dispositivo físico
• Exemplo: qualquer software que acessa discos deve
conseguir funcionar para vários tipos de disco sem
necessitar ser recompilado a cada mudança de
hardware
– Uniformidade de nome
• O nome de um dispositivo deve ser uma cadeia de
caracteres ou um inteiro. A formação deste nome não
deve depender do dispositivo
– Manipulação de erros:
• Erros devem ser tratados o mais próximo possível do
hardware e só são repassados para as camadas
superiores caso não possam ser resolvidosProfessor Eduardo Xavier

• Tipos de Transferências de Dados
– Transferências Síncronas
• Transferências de dados síncronas são realizadas em
blocos
– Transferências Assíncronas
• Transferências de dados assíncronas são controladas
por interrupções
• Muitos dispositivos de E/S são assíncronos
– A CPU inicia a transferência e vai cuidar de outra coisa
enquanto esta é processada até que ocorra uma
interrupção
• Para o usuário geralmente isso se apresenta de
forma síncrona (blocos), pois facilita a programação

• Existem dispositivos dedicados ou compartilhados
por vários usuários
– IMPORTANTE: Dispositivos dedicados também podem
gerar DEADLOCK
• O software de E/S pode ser estruturado em 4
camadas:
– Software de manipulação de interrupções
– Drivers de dispositivos
– Software do sistema operacional independente do
dispositivo
– Software em nível de usuário

Camada 1:
Software de Manipulação de Interrupções
• O que são “Interrupções”?
– Interrupções são eventos complexos, que
devem ser isolados de modo que apenas uma
pequena parte do sistema operacional os
manipule
• O isolamento pode ser feito através do
bloqueio de processos envolvidos com a
operação de I/O solicitada
– Quando a operação de I/O se encerra, uma
interrupção é gerada para informar o fato ao
sistema operacional

Camada 1:
Software de Manipulação de Interrupções
• Como funciona o software de manipulação
de interrupções?
– Ao captar uma interrupção, a rotina de
tratamento da mesma desbloqueia o processo
que dependia da operação de I/O
• OBS: O bloqueio aconteceu no momento em
que este processo solicitou a execução da
operação de entrada/saída, conforme foi
visto nas aulas de gerenciamento de
processos

Camada 2:
Drivers de Dispositivos
• O que é um “Driver de Dispositivo”?
– Parte do SO que conhece intimamente o
controlador de dispositivo
– Cada driver manipula um dispositivo ou uma
classe de dispositivos
– O trabalho do driver é aceitar requisições de
software de alto nível e atendê-las

Camada 2:
Drivers de Dispositivos
• Funcionamento dos Drivers
– Os drivers organizam as requisições pendentes em filas
– Passos do funcionamento dos drivers:
1.Traduz a requisição em comandos de baixo nível que o
controlador de dispositivo entenda
2.Escreve os comandos nos registradores do controlador
3.Aguarda a execução ou bloqueia-se (se as operações
forem lentas)
4.Verifica erros (quando a operação é completada)
5.Repassa o resultado (dados e/ou status) para o
solicitante
6.Atende a próxima requisição da fila (volta ao passo 1)
ou aguarda nova requisição (se a fila estiver vazia)

Camada 3:
Software Independente de Dispositivo
• Este tipo de software realiza operações de E/S que são
comuns a todos os dispositivos usando uma interface
uniforme para o SW do usuário
• É sua função:
– Encarregar-se do mapeamento entre nomes simbólicos de
dispositivos e drivers
– Proteger os dispositivos (garante apenas acessos autorizados)
– Manipular blocos lógicos de informação de forma padronizada,
independente do dispositivo físico
• Exemplo: o SW se encarrega de mostrar ao usuário um tamanho de bloco
lógico único, independente da formatação de cada disco
– Executar “bufferrização” para tornar transparente o fluxo de dados
– Coordenar a alocação de espaço em dispositivos do tipo BLOCO
– Controlar a alocação e liberação de dispositivos dedicados
– Gerenciar erros

Camada 4:
Software em Nível de Usuário
• O que é?
– É uma pequena porção de software formada por
bibliotecas ligadas (linkadas) juntamente com
programas de usuário
• Grande parte das “system calls” partem deste
nível
• Geralmente, a formatação de uma entrada ou
saída de dados é feita por um procedimento de
biblioteca

Camada 4:
Software em Nível de Usuário
• Spooling
– Nem todo o software de E/S utilizado pelo usuário
consiste de procedimentos da biblioteca. Outra
importante categoria é o spooling.
• Spooling é um modo de negociação com dispositivos
dedicados de E/S em sistemas multiprogramados
• Exemplo: Spooling de impresão
– Durante as aulas de gerenciamento de processos o
funcionamento do spooling de impressão (fila de impressão)
foi usado para exemplificar o problema de condições de
corrida

DISPOSITIVODISPOSITIVO
Resumo da Arquitetura
de Entrada/Saída
Gerenciadores
de Interrupção
Drivers de Dispositivo
Software Independente
do Dispositivo
Processos do Usuário
Camadas
Requisição de E/S
Resposta da
Requisição de E/S
Funcionalidades
Executa operação de E/S
Identificação, proteção, bloqueio e
“bufferização”
Inicializa registradores do dispositivo
Verifica Status da operaçao
Desbloqueia o driver quando a operação
de E/S se completa
Executa fisicamente a operação de E/S

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