lunes, 15 de septiembre de 2014


                        GESTION DE DISPOSITIVOS


CARACTERÍSTICAS DE LOS DISPOSITIVOS
Los dispositivos se caracterizan por su heterogeneidad, lo que introduce complejidad en el sistema operativo. Algunas de las características en las que los dispositivos pueden diferir son las siguientes:
• Unidad de transferencia. Unos dispositivos utilizan el byte como unidad de transferencia (dispositivos de caracteres, como el teclado o el ratón). Otros transfieren y/o almacenan la información en bloques (dispositivos de bloques, como discos y cintas magnéticas).
• Velocidad. Los rangos en los que se mueven los dispositivos son muy amplios. Los discos y los dispositivos de comunicación transfieren millones de caracteres por segundo y pueden hacerlo a velocidad constante, mientras que con el teclado se transfieren a lo sumo unos cuantos caracteres por segundo, con un periodo concreto impredecible.
• Representación de los datos. Incluso un mismo dispositivo puede utilizar diferentes codificaciones configurables en la instalación, como es el caso del teclado y el monitor.
• Protocolos de comunicación. La comunicación entre el dispositivo y la CPU se realiza de acuerdo a un determinado protocolo que depende del dispositivo y del bus de comunicación.
• Operaciones. Hay dispositivos de entrada, de salida y de entrada/salida. Además, algunos dispositivos requieren operaciones específicas (por ejemplo, posicionar el cabezal de lectura/escritura en los discos).
Errores. Las condiciones de error varían con la naturaleza del dispositivo. Por ejemplo, en la impresora hay que tratar la falta de papel como una situación de error específica, mientras que en un disco puede haber errores en el posicionamiento del cabezal. Para proporcionar una forma homogénea de direccionar los dispositivos, a nivel hardware éstos se conectan al sistema mediante controladores. El sistema operativo ya no trata con el dispositivo en sí mismo, sino con una interfaz que lo representa mediante un conjunto de direcciones o registros del controlador, que se pueden direccionar en el espacio de direcciones de memoria o constituir un espacio de direcciones independientes. El sistema se comunica con el controlador mediante operaciones de lectura/escritura sobre los registros de datos, estado y control, permitiendo tanto la transferencia de información como el diagnóstico y configuración del dispositivo. Estas operaciones las realizan las funciones de más bajo nivel del núcleo del sistema operativo, y son dependientes del hardware.

TIPOS DE ENTRADA/SALIDA
Por otra parte, y dependiendo en gran parte de las características del dispositivo, hay que distinguir tres tipos de entrada/salida, en función de cómo el sistema se sincroniza con el controlador: E/S programada. La sincronización es por encuesta, realizándose un bucle de espera activa en la consulta del registro de estado del controlador. Los sistemas operativos multiprogramados evitan este tipo de operación. E/S por interrupciones. El controlador activa una interrupción que permite la comunicación asíncrona del sistema operativo, que puede estar realizando otras tareas, con el dispositivo. Es la base que permite implementar un sistema operativo multiprogramado.
E/S por DMA. Los dispositivos de bloques, que requieren una tasa de transferencia muy elevada, utilizan el acceso directo a memoria para las operaciones de entrada/salida, bien utilizando ciclos de memoria libres (robo de ciclo), bien adueñándose de los buses de memoria para transferir un bloque completo.
Este tipo de entrada/salida implica la utilización de interrupciones para la sincronización con el fin de la transferencia.
La evolución del hardware ha llevado a incluir capacidad de proceso dentro del dispositivo (procesadores de E/S). El sistema operativo se comunica con el procesador de E/S para indicarle los parámetros de la operación a realizar y ordenar su inicio. El procesador de E/S ejecuta un código propio que controla los detalles de la operación. Por otra parte, lo habitual hoy en día es incluir una cierta cantidad de memoria RAM en el controlador o en el dispositivo, sobre la que el sistema operativo .realiza la transferencia. Esto ocurre por ejemplo con los discos, las impresoras y las pantallas gráficas, que pueden contar con varios Mbytes de memoria.
Finalmente, un dispositivo puede estar accesible a través de una red, de forma transparente a las aplicaciones, situación habitual hoy en día, por ejemplo en las impresoras. Una pila de protocolos proporciona la comunicación entre la máquina cliente, que lanza la operación, y el servidor remoto, que gestiona el dispositivo.
Este esquema cae fuera del ámbito de la asignatura objeto de estos apuntes.
MODELO GENERAL DE LA ENTRADA/SALIDA
Para facilitar su comprensión, el modelo de entrada/salida que vamos a presentar tiene como objetivo ser lo más sencillo y general posible, por encima de consideraciones acerca del rendimiento, e impone una estructura determinada al sistema operativo. Sus características fundamentales son:
• La entrada y salida se organiza y gestiona por capas, que responden a diferentes niveles de abstracción.
• El acceso a los recursos de entrada/salida se coordina de acuerdo al esquema cliente-servidor.
Los aspectos relacionados con la mejora del rendimiento pueden generalizarse en la utilización de buffers para el almacenamiento intermedio de la entrada/salida, que abordaremos en tercer lugar para completar el modelo.
GESTIÓN DE LA ENTRADA/SALIDA POR CAPAS
Ante un panorama tan heterogéneo, abordar el estudio y diseño de la entrada/salida en un sistema operativo de manera comprensiva conduce a estructurar el sistema en diferentes niveles de abstracción o capas. Una capa Lk ofrece una Interfaz a la capa superior, la capa Lk+1, conjunto de funciones que determinan la forma en que desde la capa Lk+1 se accede a la capa Lk. En un sistema operativo la capa de más arriba corresponde a los programas de usuario, y está ya fuera de sistema operativo. Como ya se conoce, desde esta capa se accede a la capa inferior, ya dentro del sistema operativo, mediante la interfaz de llamadas al sistema. La interfaz de una capa ha de estar bien definida para que el programador sepa a qué atenerse.
 

Esta figura consta de cuatro capas o niveles. De abajo arriba, el nivel más interno del sistema operativo (núcleo) programa los controladores de los dispositivos y maneja las interrupciones. Esta capa contiene software dependiente de los dispositivos y algunas partes han de ser codificadas en lenguaje máquina. Sobre el núcleo, en un segundo nivel se gestionan las peticiones de acceso a los dispositivos. Aquí residen los manejadores de los dispositivos (drivers), que tratan con las características particulares de los mismos y los controlan a través de las primitivas del núcleo. La tercera capa contiene software independiente del dispositivo: gestión de directorios, nombres, etc. Sobre estos niveles intermedios se monta la capa superior, que proporciona la interfaz de llamadas al sistema para las aplicaciones y muestra los dispositivos como abstracciones que se representan por canales, proporcionando conceptos como el re-direccionamiento de la entrada-salida.


ESQUEMA CLIENTE-SERVIDOR
Las operaciones de entrada/salida se especifican desde las aplicaciones mediante las llamadas al sistema, que trabajan con canales o dispositivos lógicos3. En general, una llamada al sistema típica (lectura o escritura) especifica de manera explícita o implícita los siguientes parámetros:
• La operación a realizar (leer, escribir...).
• El canal sobre el que se realiza la operación.
• La dirección (o posición) en el dispositivo E/S donde se accede. Normalmente está implícita (siguiente posición en un fichero) o incluso carece de sentido (lectura de teclado o ratón).
• La fuente o destino de la transferencia (dirección de memoria).
• La cantidad de información a transferir (longitud).
• En los sistemas que permiten operaciones síncronas y asíncronas, se indica esta condición y el evento con el que el programa que solicita la operación se va a sincronizar explícitamente.
El tratamiento de una operación de entrada/salida tiene dos partes. La primera, independiente del dispositivo, es el código utilizado por la llamada al sistema. Nos referiremos a ella como rutina de E/S. La segunda es el código del driver o manejador del dispositivo, y es dependiente del dispositivo. En nuestro modelo, la implementación del sistema operativo adopta el esquema cliente-servidor: las rutinas de E/S, ejecutadas por los procesos de usuario, corresponden a la parte del cliente del servicio, y el manejador, que se ejecuta como un proceso del sistema operativo, a la parte del gestor de la petición. A continuación presentaremos las estructuras de datos que proporcionan la interfaz entre las rutinas de E/S y los manejadores de los dispositivos, y que permiten hacer a la rutina de E/S independiente de las particularidades de la gestión del dispositivo.
REPRESENTACIÓN DE LA E/S
La estructura que proporciona la comunicación entre la rutina de E/S y el manejador del dispositivo se suele denominar IORB (Bloque de Petición de E/S, I/O Request Block). La rutina de E/S utiliza un IORB para cada petición. Contiene la siguiente información:
• Identificación del proceso cliente.
• Parámetros de la petición.
• Evento para la sincronización del cliente con el final de la operación.
• Diagnóstico de la operación, a establecer por el manejador de acuerdo al resultado de la operación.
En un sistema operativo donde toda la E/S fuera síncrona, cada proceso dispondría de un IORB único y privado, asociado a su PCB, y el evento puede ir implícito. En un modelo general donde también es posible la E/S asíncrona, cadaproceso puede disponer de IORBs de un conjunto, que reservaría en exclusión mutua, y el evento de sincronización sería explícito. En este modelo general, los procesos se bloquean por eventos en vez de por operaciones de E/S.




INTERRUPCIONES.




Un computador debe disponer de los elementos suficientes para que el programador tenga un control total sobre todo lo que ocurre durante la ejecución de su programa. La llegada de una interrupción provoca que la CPU suspenda la ejecución de un programa e inicie la de otro (rutina de servicio de interrupción).

Es por ello que las interrupciones deber controlarse cuidadosamente.


PASOS A SEGUIR EN CASO DE INTERRUPCIONES


1.- El dispositivo envía la solicitud de interrupción mediante la línea INTR.
 
2.- El procesador termina la ejecución de la instrucción en curso y analiza la
línea de petición de interrupción, INTR. Si esta línea no está activada    continuará normalmente con la ejecución de la siguiente instrucción, en caso  contrario se pasa a la etapa siguiente.

3.- La CPU reconoce la interrupción, para informar al dispositivo de ello, activa la línea de reconocimiento de interrupción, INTA.

4.- El dispositivo que reciba la señal INTA envía el código de interrupción por el
bus de datos.

5.- La CPU calcula la dirección de memoria donde se encuentra la rutina de servicio de interrupción (vector de interrupción).

6.- El estado del procesador, y en particular el contador de programa, se salva en la pila de la misma forma que en una llamada a procedimiento.

7.- La dirección de la rutina de servicio de interrupción se carga en el contador de programa, con lo que se pasa el control a la citada rutina.

8.- La ejecución continúa hasta que el procesador encuentre la instrucción de retorno de interrupción.
 
9.- Cuando se encuentre la instrucción de retorno de interrupción se
restaura el estado del procesador, en especial el contador de programa,
y se devuelve el control al programa interrumpido.

Normalmente la primera instrucción de la rutina de servicio tendrá como fin
desactivar las interrupciones para impedir el anidamiento, por otra parte, antes
de devolver el control al programa interrumpido se volverán a habilitar si es
necesario.



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