Sistemas Operacionais

Aula 19: Sistema de Entrada / Saída

Referências:

Capítulo 12

Porque estudar ?

Essenciais!
Muitos tipos:
Cada fabricante complica de um jeito diferente.
Tempos de resposta são muito diferentes.
Operação é crítica: erros podem travar o computador.

Exemplo: Computador de Uso Geral

Exemplo: Sistema Embutido

Controladores de aeronaves
Robôs
Controladores de usinas de força
Controladores de máquinas industriais
Torradeiras, VCR, telefone...

Tipos de Dispositivos de E/S

Bloco
Caracteres
Outros

Componentes de um Dispositivo

O dispositivo
O controlador do dispositivo
O software que controla o dispositivo -- device driver:
- Parte conversa com o dispositivo;
específica para cada tipo.
- Parte conversa com o SO;
segue um padrão único afim de simplificar a interface com o SO
nem sempre funciona: ioctl()

Comunicação Processador -- E/S

Controladores têm registradores contendo comandos e dados.
Processador acessa estes registradores:
- Através de comandos especiais de leitura/escrita de portas: in(<porta>, valor)
- Através de mapeamento de memória:
e.g. em um PC o endereço 320-32F pode ser associado ao winchester.
Mais simples e elegante;
Contudo pode levar a erros Æ acesso à endereços errados.

Modo de Acesso: Polling

CPU seta registrador de controle pedindo dados;
CPU fica lendo o busy bit do controlador:
- Quando 1, controlador está trabalhando;
- Quando 0, controlador está disponível.
Quando o busy bit vira 0 o dado está pronto.

Usa protocolo de handshake esperando o resultado chegar.
Busy wait.
Ineficiente.

Modo de Acesso: Interrupções

CPU programa ação de E/S;
CPU instala um interrupt handler para ler dados;
Device é programado para gerar interrupção quando dados estiverem prontos;
Quando dados estiverem prontos, interrupção é gerada, e dados são lidos.

Sem busy wait.

Modo de Acesso: DMA

Problema com métodos anteriores:

Transferência de poucos bytes de cada vez, todos com intermediação da CPU.

Direct Memory Access.

Usa um DMA controller que efetua transferências:

CPU programa DMA controller para ler N bytes do device D começando no offset O e colocar resultados no buffer B.
D le os dados e entrega ao DMA controller que por sua vez os coloca em B.
Uma vez que todos os dados são lidos, a CPU é notificada através de uma interrupção.

Software para E/S

Ser independente do dispositivo;
Interface única, e.g. no Unix todo dispositivo é tratado como um arquivo.
Tratamento de erros mais próximo do hardware;
Pode ser blocante ou não blocante
- Em geral E/S é assíncrono (não blocante);
- Mas programas são síncronos.
Compartilhar ou não
- Discos são compartilhados;
- Impressoras não.

Fluxo de Controle de E/S

Usuário: Requisita E/S
Núcleo: Já existe ? Retorna.
Núcleo: Cria buffer; chama device driver; bloqueia processo;
Device driver: Programa controlador;
Controlador: Monitora dispositivo até que E/S termine.
Controlador: Gera interrupção;
Interrupção: Ack E/S; copia dados para buffer.
Device driver: Determina qual E/S terminou; flag it;
Núcleo: Transfere dados para usuário;
Usuário: Continua.

Performance

Performance é crítica: E/S acontece com muita frequência e gasta muito tempo.

Aonde otimizar E/S ?

Reduzir número de trocas de contexto;
Reduzir número de cópias dos dados;
Reduzir número de interrupções através de transferências maiores;
Usar hardware mais sofisticado: e.g. IDE ou SCSI ?
Balancear componentes: não adianta usar CPU de 400 Mhz num banco de dados em um disco ligado à uma controladora ISA.