O documento descreve a arquitetura de entrada e saída em sistemas distribuídos, dividida em 4 camadas: 1) gerenciadores de interrupção, 2) drivers de dispositivo, 3) software independente de dispositivo e 4) software do usuário. Cada camada executa funções específicas para receber requisições de E/S, executar operações no hardware, responder aos solicitantes e tratar erros.

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

2. 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”.
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3. 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)
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4. 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.
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5. 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
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6. Dispositivos de Entrada/Saída
• 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

7. Dispositivos de Entrada/Saída
• 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
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8. Dispositivos de Entrada/Saída
• 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
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9. 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
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10. Controladores de Dispositivos
• 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
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11. Controladores de Dispositivos
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Barramento
Memória
Principal
CPU
Interfaces
de baixo nível
Controlador
de Discos
Controlador
de Vídeo
Controlador
USB
Controlador
de
Impressora
Outros
Controladores
? ? ?

12. Controladores de Dispositivos
• 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
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13. 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
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14. Software de Entrada/Saída
• 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

15. Software de Entrada/Saída
• 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
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16. Software de Entrada/Saída
• 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
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17. 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
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18. 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
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19. 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
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20. 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)
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21. 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
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22. 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
Professor Eduardo Xavier

23. 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
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24. DISPOSITIVODISPOSITIVO
Resumo da Arquitetura
de Entrada/Saída
Professor Eduardo Xavier
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