Capítulo 10: Sistemas I/O

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1 Capítulo 10: Sistemas I/O
Sumário: Hardware de I/O Interface de I/O para aplicações Subsistema I/O do kernel do sistema operativo Transformação de pedidos de I/O em operações de hardware Streams Desempenho Operating System Concepts

2 Estrutura típica dum PCI bus
Hardware I/O Grande variedade de dispositivos I/O: Dispositivos de memória (discos e tapes) Dispositivos de transmissão (placas de rede e modems) Dipositivos de interface com seres humanos (ecrã, teclado, rato) Outros dispositivos mais especializados Conceitos comuns de comunicação entre um dispositivo I/O e o computador: Porto (port) Barramento (bus) Controlador (para porto, barramento ou dispositivo) Estrutura típica dum PCI bus Operating System Concepts

3 Localizações de alguns portos I/O
Hardware I/O (cont.): “Every transfer is an output from one device and an input into another.” Como é que a CPU pode fornecer comandos e dados a um controlador para efectuar uma transferência I/O? O controlador tem um ou mais registos para dados (registo data-in, registo data-out) e sinais de controlo (registo status e registo control) A CPU comunica com o controlador através da leitura e escrita de “padrões de bits” nestes registos Duas formas de comunicação CPU-controlador: Instruções I/O directas (1 byte + endereço de porto I/O) Instruções I/O mapeadas em memória Localizações de alguns portos I/O de dispositivos de PCs Operating System Concepts

4 Hardware I/O: Comunicação CPU-Dispositivo I/O via Polling Espera Ocupada da CPU
A interacção entre a CPU e um controlador faz-se por aperto de mão (handshaking). Assuma que são usados 2 bits (busy bit do registo status e ready bit do registo command do controlador) para coordenar a relação produtor-consumidor entre o controlador e a CPU: Determines state of device command-ready busy Error Busy-wait cycle to wait for I/O from device Operating System Concepts

5 Busy Wait A CPU lê repetidamente o bit busy até que seja 0 (busy-wait cycle). A CPU activa o bit write a 1 no registo command e escreve um byte no registo data-out. A CPU activa o bit ready a 1 no registo command. Quando o controlador nota que o bit ready está a 1, it escreve o bit busy a 1. O controlador lê o registo command e vê o comando write. Lê o registo data-out para obter o byte, fazendo de seguida a I/O para o dispositivo. O controlador desactiva o bit ready a 0, assim como o bit error no registo status, para indicar que a transferência foi bem sucedida, colocando depois o bit busy a 0 para indicar que a transferência terminou. Operating System Concepts

6 Hardware I/O: Comunicação CPU-Dispositivo I/O via Interrupções
Durante I/O, interrupções são feitas por vários dispositivos quando eles ficam prontos para serviço. Estas interrupções significam que a saída de dados terminou, ou que a entrada de dados está disponível, ou que uma falha foi detectada. O controlador interrompe a CPU através da emissão dum sinal na linha de pedido de interrupção; A CPU detecta a interrupção e despacha-a para o interrupt handler, que é uma rotina A interrupt handler determina a causa da interrupção, faz o processamento necessário (rotina de serviço à interrupção) e termina; ao terminar, a CPU volta ao estado anterior à interrupção Ciclo I/O alimentado por interrupções Operating System Concepts

7 Hardware I/O: Tabela de eventos do processador Intel Pentium
A maior parte das CPUs tem agora duas linhas de interrupção: Linha de interrupção não-mascarável, que é reservada para eventos tais como erros de memória irrecuperáveis Linha de interrupção mascarável, que pode ser desligada pela CPU antes da execução duma sequência de instruções críticas que não podem serem interrompidas. Vector de interrupções para despachar cada interrupção para o handler correcto Baseado em prioridades Algumas não são mascaráveis (os primeiros 32 eventos do Intel Pentium não são mascaráveis e são usadas para sinalização de erros) Mecanismo de interrupções também usado para excepções (p.ex. divisão por 0, acesso a endereço de memória protegida ou inexistente) Operating System Concepts

8 Hardware I/O: Acesso Directo à Memória (DMA)
Transferência directa de dados entre dispositivos I/O e a memória sem participação da CPU Requer controlador DMA Operating System Concepts

9 Estrutura I/O do kernel
Interface de I/O Interface I/O do kernel: conjunto de funções I/O independentes do hardware (p.ex. read, write, etc.) Device drivers: módulos do kernel dependentes do hardware, cada um dos quais encapsula o funcionamento específico de cada dispositivo (p.ex. rato, teclado, etc.). Vantagem: um novo periférico pode ser ligado a um computador sem que a empresa vendedora do sistema operativo tenha que fornecer o código de suporte do periférico. Estrutura I/O do kernel Operating System Concepts

10 Interface de I/O: Características dos dispositivos de I/O
Dispositivos diferenciam-se de várias maneiras: Character-stream ou block. Um dispositivo de caracteres transfere bytes um-a-um, ao passo que um dispositivo de blocos transfere um bloco de bytes como se fosse uma unidade. Sequenciais ou de acesso aleatório Síncronos ou assíncronos. Transferência de dados é feita com tempos de resposta previsíveis ou não. Partilháveis ou dedicados. Há partilha concorrente por vários processos ou não. Velocidade de operação read-write, read only, ou write only Operating System Concepts

11 Interface de I/O: dispositivos de blocos e de caracteres
Os dispositivos de blocos incluem os discos rígidos Interface básica: read, write, seek Modos de acesso: Acesso de alto-nível através de interface de sistema de ficheiros Acesso de baixo-nível através array linear de blocos (raw I/O) Acesso a memory-mapped files colocadas no topo de block-device drivers é possível. Uma memory-mapped interface fornece acesso ao disco através dum array de bytes em memória principal. Os dispositivos de caracteres (stream character) incluem teclados, ratos e portos série Interface básica: get, put No topo da interface, é possível construir bibliotecas para edição de linhas (p.ex. Eliminar um carácter do input stream através de backspace). Operating System Concepts

12 Interface de I/O: Dispositivos de rede
Têm uma interface bastante diferente da interface read-write-seek usada pelos discos rígidos. Unix e Windows NT/9i/2000 usam uma interface de sockets Há a separação entre o protocolo de rede e o funcionamento da rede Inclui a funcionalidade select para manipular conjuntos de sockets Abordagens muito variadas (pipes, FIFOs, streams, queues, mailboxes) Ethernet Adapter Cards PCMCIA compatible Fax/Modem cards External Fax/Modems Operating System Concepts

13 Interface de I/O: Relógios (clocks) e temporizadores (timers)
Fornecem três funções básicas para: Determinar tempo corrente Determinar tempo decorrido Activar um temporizador para despoletar uma operação numa dada altura Um programmable interval timer é usado para suportar a segunda e terceira funções anteriores. Este mecanismo é usado pelo escalonador para gerar uma interrupção que preempciona um processo no fim de esgotar o seu time-slice (algoritmo Round-Robin) A função ioctl (UNIX) aborda aspectos de I/O tais como relógios e temporizadores. Operating System Concepts

14 Interface de I/O: I/O bloqueante e I/O não-bloqueante
Chamada bloqueante ao sistema - processo suspenso até que a operação I/O esteja completa Fácil de usar e compreender Insuficiente para algumas necessidades (p.ex. Interface gráfica que recebe entrada de dados do teclado e do rato, e ao mesmo tempo processa e visualiza dados no ecrã) Chamada não-bloqueante – chamada I/O retorna o mais rapidamente possível com um valor de retorno que indica o número de bytes transferidos (quer seja a totalidade dos dados pedidos, ou menos, ou mesmo menhuns) Interface com o utilizador, cópia de dados (buffered I/O) Implementada via multi-threading Chamada assíncrona – processo continua a correr enquanto I/O decorre Difícil de usar Subsistema I/O sinaliza processo quando a operação I/O está completa Operating System Concepts

15 Subsistema I/O do kernel: serviços
Spooling Um spool é um buffer que guarda o output para um dispositivo (ex. uma impressora) que não pode aceitar data streams entrelaçados. Spooling é a forma dum sistema operativo coordenar o output concorrente para um dispositivo. O output de cada aplicação é spooled para um ficheiro separado em disco. Quando uma aplicação termina a impressão, o sistema de spooling coloca o ficheiro correspondente na fila de spooling para output para a impressora. Tratamento de erros O sistema operativo pode recuperar de falhas de leitura e de escrita transitória, e até mesmo de dispositivo indisponível. Quando um pedido I/O falha, um mensagem de erro é devolvida. Os logs de erros do sistema relatam os problemas. Escalonamento I/O O escalonamento dum conjunto de pedidos I/O requer a sua ordenação adequada por cada fila de espera dum dispositivo Alguns sistemas operativos tentam ser justos por forma a que nenhum processo seja mal servido. Buffering – um buffer é uma zona de memória que guarda dados enquanto estes são transferidos entre dois dispositivos ou entre um dispositivo e uma aplicação. Serve três propósitos: Suportar dispositivos com diferentes velocidades de transferência de dados Suportar dispositivos com diferentes tamanhos de transferência de dados. Manter a “semântica de cópia” Caching – memória rápida que guarda cópia de dados para impedir demasiados acessos ao dispositivo I/O Operating System Concepts

16 Taxas de transferência de dados: Sun Enterprise 6000
Operating System Concepts

17 Subsistema I/O do kernel: estruturas de dados do kernel
O kernel guarda informação de estado das componentes de I/O, incluindo as tabelas de ficheiros abertos, ligações à rede, comunicações com dispositivos de caracteres,etc. Alguns sistemas operativos usam métodos orientados por objectos e passagem de mensagens para implementar I/O. Estrutura I/O do UNIX kernel Operating System Concepts

18 Transformação de pedidos I/O em operações de hardware
Por exemplo, na leitura dum ficheiro em disco por um processo há que: Determinar o dispositivo que guarda o ficheiro Traduzir o nome do ficheiro na sua representação em disco (p.ex., em UNIX, o nome é mapeado para o número dum i-node, o qual contém a informação do ficheiro em disco) Ler fisicamente dados do disco e colocá-los num buffer. Disponibilizar os dados ao processo Devolver o controlo ao processo Ciclo de vida dum pedido leitura bloqueante Operating System Concepts

19 STREAMS STREAM – canal de comunicação full-duplex entre um processo do utilizador e um dispositivo Um STREAM consiste em: - uma STREAM head que faz a interface com o processo do utlizador - uma driver end que faz a interface com o dispositivo - zero ou mais módulos STREAM entre eles. Cada módulo contém uma read queue e uma write queue Passagem de mensagens é usada para a comunicação entre queues No System V, o mecanismo de sockets é implementado por streams Estrutura de um stream Operating System Concepts

20 Desempenho I/O (performance)
I/O é um factor fundamental no desempenho do sistema Exige à CPU a execução de código de device driver e a escalonar processos justa e eficientemente quando eles bloqueiam ou desbloqueiam. As comutações de contexto resultantes sobrecarregam a CPU e as suas caches por causa das interrupções Face a isto, a cópia harmoniosa de dados é uma das principais preocupações dum arquitecto de computadores. Tráfico de rede também pode provocar uma taxa elevada de comutações de contexto. Exemplo: num login remoto, um carácter escrito numa máquina local tem de ser transportado para a máquina remota Comunicação dum carácter entre computadores Operating System Concepts

21 Desempenho I/O: optimização
Reduzir o número de comutações de contexto Reduzir o número de cópias de dados do dispositivo para a memória Reduzir a frequência de interrupções através do uso de transferências de grandes quantidades de dados, controladores inteligentes e polling(se a espera-ocupada puder ser minimizada) Usar DMA Calibrar o desempenho da CPU, memória, bus e I/O para o maior débito de dados por unidade de tempo (i.e. uma sobrecarga numa zona não deve provocar a descongestão noutras) Fim de Capítulo Operating System Concepts