Curso: Sistema de Informação

Apresentação em tema: "Curso: Sistema de Informação"— Transcrição da apresentação:

1 Curso: Sistema de Informação
Disciplina: Sistemas Operacionais Distribuidos Professor(a): Ma. Elda Sena

2 Entrada/Saída Princípios do hardware de E/S
Princípios do software de E/S Camadas do software de E/S Relógios Gerenciamento de energia

3 Princípios do Hardware de E/S
Diversidade de dispositivos Tipos básicos de dispositivos Arquitetura de E/S Introdução aos barramentos Controladores de dispositivos Comunicação SO (CPU) – Controlador Controle de interrupção

4 A Importância de E/S Tipos de processo: orientado à CPU (CPU-bound)
orientado à E/S (I/O-bound)

5 Princípios do Hardware de E/S Diversidade
125MB/s = 1Gb/s, Observe a diferença de Bytes (B) e bits (b) Taxas de dados típicas de dispositivos, redes e barramentos

6 Tipos básicos de dispositivos
Caracter: transferem bytes um a um. Ex.terminal Bloco: transferem bytes em bloco. Ex. disco Sequencial. Tem acesso em ordem fixa. Ex. modem Acesso randômico: Ordem pode ser alterada. Ex CD-ROM Síncrono: Tem tempo de resposta previsível. Ex. fita Assíncrono: Tempo de resposta imprevisível. Ex. teclado Compartilhável: pode ser usado por vários processos ao mesmo tempo. Ex. teclado Dedicado. Só pode ser usado por um processo por vez. Ex. Impressora Read-write, read only e write-only: disco, cdrom, video

7 Princípios do Hardware de E/S
Diversidade de dispositivos Tipos básicos de dispositivos Arquitetura de E/S Introdução aos barramentos Controladores de dispositivos Comunicação SO (CPU) – Controlador Controle de interrupção

8 Arquitetura de Entrada/Saída
Portas (ports) Comunicação ponto a ponto Ex: Porta serial e paralela Barramentos (bus) Conjunto de condutores elétricos e com um protocolo rígido que define como mensagens trafegam sobre esses condutores Permite a comunicação entre vários componentes Protocolo é um conjunto de regras que definem como as comunicações no barramento serão efetuadas

9 Arquitetura de E/S Controladores Device Drivers
Hw que controla uma porta, barramento ou dispositivo(s) Ex: Controlador da porta serial Controlador SCSI (Small Computer System Interface) Controlador de disco Device Drivers Partes do S.O. que fornecem uma interface de acesso uniforme para cada dispositivo Traduz as chamadas de alto nível (usuário) para o dispositivo específico Conversão de dados Detecção e correção de erros

10 Introdução aos Barramentos Comparação
ISA EISA VLBUS PCI Ano 1984 1987 1992 1993 Dispositivos Vários 2 4 Largura (bytes) 2 (16 bits) 4 (32 bits) 4 a 8 (32 a 64 bits) Frequência (MHz) 8,3 CPU 33 a 66 Taxa (MB/s) 7,9 31,8 127,2 a 508,6 Obs. Restrito ao 80486 Dados e end. multiplexados EISA - Extended Industry Standard Architecture PCI - Peripheral Component Interconnect VLBUS (ou VLB) - VESA (Video Electronics Standards Association) Local Bus

11 Barramento PCI Peripheral Component Interconnect
CPU Cache Bridge/ Cont. de memória DRAM AGP Controlador de Vídeo PCI bus slots Bridge para o ISA ou EISA Controlador EIDE Controlador SCSI LAN EISA bus ou ISA bus EIDE - Enhanced Integrated Drive Electronics ISA ou EISA slots AGP - Accelerated Graphics Port (ou Advanced Graphics Port)

12 Barramentos Dispositivos
Ativos ou Mestres - dispositivos que controlam o protocolo de acesso ao barramento para leitura ou escrita de dados Passivos ou Escravos - dispositivos que simplesmente obedecem a requisição do mestre Exemplo: CPU ordena que o controlador de disco leia ou escreva um bloco de dados  A CPU é o mestre e o controlador de disco é o escravo

13 Princípios do Hardware de E/S
Diversidade de dispositivos Tipos básicos de dispositivos Arquitetura de E/S Introdução aos barramentos Controladores de dispositivos Comunicação SO (CPU) – Controlador Controle de interrupção

14 Controladores de Dispositivos
Componentes de dispositivos de E/S mecânico eletrônico O componente eletrônico é o controlador do dispositivo pode ser capaz de tratar múltiplos dispositivos Tarefas do controlador converter fluxo serial de bits em blocos de bytes executar toda correção de erro necessária tornar o bloco disponível para ser copiado para a memória principal

15 Comunicação S.O.(CPU) - Controlador
Como a CPU acessa a informação? E/S isolada Através de instruções especiais de E/S Especifica a leitura/escrita de dados numa porta de E/S E/S mapeada em memória Através de instruções de leitura/escrita na memória Híbrido (ex. IBM-PC): E/S mapeada em memória: memória de vídeo E/S isolada: dispositivos em geral

16 Comunicação S.O.(CPU) – Controlador
Espaços de memória e E/S separados - E/S isolada E/S mapeada na memória Híbrido

17 Comunicação S.O.(CPU) – Controlador E/S mapeada na memória
(a) Arquitetura com barramento único (b) Arquitetura com barramento duplo (dual)

18 Comunicação S.O.(CPU) - Controlador
Como a CPU sabe que o dispositivo já executou o comando? E/S Programada CPU lê constantemente o status do controlador e verifica se já acabou (Polling ou Busy-waiting) Espera até o fim da operação E/S por Interrupção CPU é interrompida pelo módulo de E/S e ocorre transferência de dados CPU continua a executar outras operações E/S por DMA - Acesso Direto à Memória Quando necessário, o controlador de E/S solicita ao controlador de DMA a transferência de dados de/para a memória Nesta fase de transferência não há envolvimento da CPU Ao fim da transferência, a CPU é interrompida e informada da transação

19 Passos da impressão de uma cadeia de caracteres
E/S Programada (1) Passos da impressão de uma cadeia de caracteres

20 E/S Programada (2) count Escrita de uma cadeia de caracteres para a impressora usando E/S programada

21 E/S Orientada à Interrupção
Escrita de uma cadeia de caracteres para a impressora usando E/S orientada à interrupção Código executado quando é feita a chamada ao sistema para impressão Rotina de tratamento de interrupção

22 E/S Usando DMA (Acesso Direto à Memória)
Impressão de uma cadeia de caracteres usando DMA Código executado quando é feita a chamada ao sistema para impressão Rotina de tratamento de interrupção

23 Acesso Direto à Memória (DMA)
Operação de uma transferência com DMA

24 Para Enfatizar: A Importância da Interrupção
O Elo Hardware-Software

25 Motivação Para controlar entrada e saída de dados, não é interessante que a CPU tenha que ficar continuamente monitorando o status de dispositivos como discos ou teclados O mecanismo de interrupções permite que o hardware "chame a atenção" da CPU quando há algo a ser feito.

26 Interrupções de Hardware
Interrupções geradas por algum dispositivo externo à CPU, como teclado ou controlador de disco, são chamadas de interrupções de hardware ou assíncronas [ocorrem independentemente das instruções que a CPU está executando] Quando ocorre uma interrupção, a CPU interrompe o processamento do programa em execução e executa um pedaço de código (tipicamente parte do sistema operacional) chamado de tratador de interrupção não há qualquer comunicação entre o programa interrompido e o tratador (parâmetros ou retorno) em muitos casos, após a execução do tratador, a CPU volta a executar o programa interrompido Execução do Programa P Execução do Tratador de Interrupção Retomada de P Interrupção

27 Interrupção de Relógio (Um tipo de Interrupção de HW)
Permite ao sistema operacional atribuir quotas de tempos de execução (quantum ou time slice – fatias de tempo) para cada um dos processos em um sistema com multiprogramação A cada interrupção do relógio, o tratador verifica se a fatia de tempo do processo em execução já se esgotou e, se for esse o caso, suspende-o e aciona o escalonador para que esse escolha outro processo para colocar em execução

28 Interrupções Síncronas ou Traps
Traps ocorrem em consequência da instrução sendo executada [no programa em execução] Algumas são geradas pelo hardware, para indicar por exemplo overflow em operações aritméticas ou acesso a regiões de memória não permitidas Essas são situações em que o programa não teria como prosseguir O hardware sinaliza uma interrupção para passar o controle para o tratador da interrupção (no SO), que tipicamente termina a execução do programa

29 Traps (cont.) Traps também podem ser geradas explicitamente por instruções do programa Essa é uma forma do programa acionar o sistema operacional, por exemplo para requisitar um serviço de entrada ou saída Um programa não pode "chamar" uma rotina do sistema operacional, já que o SO é um processo a parte, com seu próprio espaço de endereçamento... Através do mecanismo de interrupção de software, um processo qualquer pode ativar um tratador que pode "encaminhar" uma chamada ao sistema operacional Como as interrupções síncronas ocorrem em função da instrução que está sendo executada (ex. READ), nesse caso o programa passa algum parâmetro para o tratador

30 Interrupção: Suporte de HW
Tipicamente, o hardware detecta que ocorreu uma interrupção, aguarda o final da execução da instrução corrente e aciona o tratador, antes salvando o contexto de execução do processo interrompido Para que a execução do processo possa ser reiniciada mais tarde, é necessário salvar o program counter (PC) e outros registradores de status Os registradores com dados do programa devem ser salvos pelo próprio tratador (ou seja, por software), que em geral os utiliza Para isso, existe uma pilha independente associada ao tratamento de interrupções CPU – HW Execução do Programa P - SW Execução do Tratador de Interrupção (SO - SW) Retomada de P Interrupção

31 Entrada/Saída Princípios do hardware de E/S
Princípios do software de E/S Camadas do software de E/S Gerenciamento de energia

32 Princípios do Software de E/S Objetivos do Software de E/S (1)
Independência de dispositivo Programas podem acessar qualquer dispositivo de E/S sem especificar previamente qual (disquete, disco rígido ou CD-ROM) Nomeação uniforme Nome de um arquivo ou dispositivo pode ser uma cadeia de caracteres ou um número inteiro que é independente do dispositivo Tratamento de erro Trata o mais próximo possível do hardware

33 Objetivos do Software de E/S (2)
Transferências Síncronas vs. Assíncronas transferências bloqueantes vs. orientadas a interrupção utilização de buffer para armazenamento temporário dados provenientes de um dispositivo muitas vezes não podem ser armazenados diretamente em seu destino final – buffer, “broker”, … Dispositivos Compartilháveis vs. Dedicados discos são compartilháveis unidades de fita não são

34 Entrada/Saída Princípios do hardware de E/S
Princípios do software de E/S Independência de dispositivo Nomeação uniforme Tratamento de erro o mais próximo possível do hardware transferências bloqueantes vs. não-bloqueantes mas orientadas a interrupção Dispositivos compartilháveis vs. dedicados Camadas do software de E/S Gerenciamento de energia

35 Camadas do Software de E/S
Camadas do sistema de software de E/S

36 Camadas do Software de E/S Tratadores de Interrupção (1)
As interrupções devem ser escondidas (transparentes) o máximo possível uma forma de fazer isso é bloqueando o driver que iniciou uma operação de E/S até que uma interrupção notifique que a E/S foi completada Rotina de tratamento de interrupção cumpre sua tarefa e então desbloqueia o driver que a chamou

37 Camadas do Software de E/S Tratadores de Interrupção (2)
Passos que devem ser executados em software salva registradores que ainda não foram salvos pelo hardware de interrupção estabelece contexto para rotina de tratamento de interrupção estabelece uma pilha para a rotina de tratamento de interrupção sinaliza o controlador de interrupção, reabilita as interrupções copia os registradores de onde eles foram salvos executa rotina de tratamento de interrupção escolhe o próximo processo a executar estabelece o contexto para o próximo processo a executar carrega os registradores do novo processo começa a executar o novo processo

38 Camadas: Drivers dos Dispositivos
Posição lógica dos drivers dos dispositivos A comunicação entre os drivers e os controladores de dispositivos é feita por meio do barramento

39 Camadas: Software de E/S Independente de Dispositivo (1)
Funções do software de E/S independente de dipositivo Interface uniforme para os drivers dos dispositivos Armazenamento em buffer Relatório de erros Alocação e liberação de dispositivos dedicados Fornecimento de tamanho de bloco independente de dispositivo

40 Camadas: Software de E/S Independente de Dispositivo (2)
(a) Sem uma interface-padrão do driver (b) Com uma interface-padrão do driver

41 Camadas: Software de E/S Independente de Dispositivo (3)
Entrada sem utilização de buffer Utilização de buffer no espaço do usuário Utilização de buffer no núcleo seguido de cópia para o espaço do usuário Utilização de buffer duplo no núcleo (ex. tolerância a falha)

42 Camadas: Software de E/S Independente de Dispositivo (4)
A operação em rede pode envolver muitas cópias de um pacote

43 Camadas: Software de E/S no Espaço do Usuário
Camadas do sistema de E/S e as principais funções de cada camada

44 Entrada/Saída Princípios do hardware de E/S
Princípios do software de E/S Camadas do software de E/S Gerenciamento de energia

45 Gerenciamento de Energia (1)
Tecnologia mais avançada Aumento do desempenho Consumo de energia de várias partes de um laptop

46 Gerenciamento de Energia (2)
Execução em velocidade máxima do relógio Cortando a voltagem pela metade corta a velocidade do relógio também pela metade, consumo de energia cai para 4 vezes menos

47 Gerenciamento de Energia (3): Impactos na Entrada/Saída
Dizer aos programas para usar menos energia pode significar experiências mais pobres para o usuário Exemplos muda de saída colorida para preto e branco reconhecimento de fala com vocabulário reduzido menos resolução ou detalhe em uma imagem

48 Entrada/Saída Princípios do hardware de E/S
Princípios do software de E/S Camadas do software de E/S Gerenciamento de energia

49 Um processador é capaz de realizar operações como:
Como o processador “enxerga” a memória e os demais dispositivos ou como o processador se comunica com o seu exterior Um processador é capaz de realizar operações como: Ler um dado da memória Escrever um dado na memória Receber (ler) um dado de dispositivos de E/S Enviar (escrever) dados para dispositivos de E/S Nas operações de acesso à memória, o processador escreve e lê dados, praticamente sem intermediários Nos acessos a dispositivos de E/S, existem circuitos intermediários, que são as interfaces

50 Cada dispositivo de E/S possui a sua própria interface: Diversidade
Monitor Placa de vídeo Teclado Interface de teclado Alto falante Interface de alto falante Impressora Interface paralela ou USB Mouse Interface serial, PS/2 ou USB Disco rígido IDE Interface IDE Disco rígido SCSI Interface SCSI Joystick Interface para jogos ou USB Scanner Placa de interface de scanner, paralela ou USB Câmera digital Interface serial, paralela ou USB Para controlar um dispositivo de E/S, o processador precisa realizar acessos de leitura e escrita na sua interface

51 E/S programada O processador controla o “transporte” dos dados entre a memória e a interface

52 E/S por Acesso Direto a Memória
O processador fica momentaneamente desabilitado enquanto o controlador de DMA assume o controle dos barramentos e faz as transferências A grande vantagem do DMA é que o processador não precisa se ocupar diretamente da operação de recepção e transmissão de cada byte, ficando livre para executar outros processamentos Normalmente as interfaces que utilizam DMA, utilizam também uma interrupção para avisar o processador sobre o término da transferência do número de bytes pré-programado

53 Arquitetura de Entrada/Saída
Portas (ports) Comunicação ponto a ponto Barramentos (bus) Permite a comunicação entre vários componentes Controladores Hw que controla uma porta, barramento ou dispositivo(s) Device Drivers Partes do S.O. que fornecem uma interface de acesso uniforme para cada dispositivo

54 Princípios do software de E/S
Independência de dispositivo Nomeação uniforme Tratamento de erro o mais próximo possível do hardware Transferências bloqueantes vs. não- bloqueantes mas orientadas a interrupção Dispositivos compartilháveis vs. dedicados

55 Camadas do Software de E/S

56 Um abraço a todos e Obrigada.
Lembrem-se: “Não se consegue nada sem o devido esforço” Um abraço a todos e Obrigada.

57 CONTATOS Profa. Elda Sena: elda.sena@ceuma.br
Suporte Universidade Ceuma – Campus Renascença Telefone (98) Coordenadora EAD Profª Cristiane Oliveira – Campus Anil Assessora Semipresencial Nancy Leal – Campus Renascença – CEUMA IV 2º ANDAR,