Gestión de E/S Contenidos Categorías de dispositivos de entrada ...

Contenidos
Gestión de E/S
• Dispositivos de E/S
• Organización de las funciones de E/S
• Almacenamiento intermedio de la E/S
Sección Stallings: 11.1, 11.2, 11.4
2
Categorías de dispositivos de
entrada/salida
• Dispositivos legibles por los humanos:
– Apropiados para la comunicación con el usuario
– Ejs: impresora, terminales de vídeo (pantalla, teclado),
etc.
• Dispositivos legibles por la máquina:
– Adecuados para comunicarse con equipos electrónicos
– Ejs: Discos, unidades de cinta, sensores, controladores,
etc.
• Dispositivos de comunicaciones:
– Apropiados para comunicarse con dispositivos lejanos
– Ejs: adaptadores de líneas digitales, módem
3
Diferencias entre las clases de
dispositivos de E/S
• Velocidad de los datos:
– Puede haber una diferencia de varios órdenes
de magnitud en las velocidades de transmisión
de datos.
– (ver Figura 11.1.)
4
Diferencias entre las clases de
dispositivos de E/S
• Aplicaciones:
– El Sw. y políticas del SO dependerán de la
utilidad del dispositivo:
• Disco que almacena archivos necesita el soporte de
un Sw de gestión de archivos
• Disco usado como almacén de páginas de un
sistema de memoria virtual necesita el soporte de
un Sw y de un Hw especial
• Un terminal usado por el administrador del sistema
puede necesitar tener prioridad mayor y distinto
nivel de privilegio
5
Diferencias entre las clases de
dispositivos de E/S
• Complejidad del control
– Controlar disco mucho más complejo que impresora
• Unidad de transferencia:
– Los datos pueden transmitirse como flujos de bytes para
un terminal o en bloques mayores para un disco
• Representación de los datos:
– Distintos esquemas de codificación en dispositivos
diferentes (códigos de caracteres, convenios de paridad)
• Condiciones de error:
– Cada dispositivo responde a los errores de diferente
manera
=> Difícil gestionar E/S uniformemente
6
1

Técnicas para realizar la E/S
• E/S programada:
– Procesador emite orden de E/S (de parte del
proceso) a un módulo de E/S
– Proceso espera a que termine la operación
• E/S dirigida por interrupciones:
– Procesador emite orden de E/S
– Continúa con la ejecución de las siguientes
instrucciones (del mismo proceso, si es
posible, de otro si no)
– El módulo de E/S lo interrumpe cuando
completa su trabajo
Técnicas para realizar la E/S
• Acceso directo a la memoria (DMA):
– Un módulo de DMA controla el intercambio
de datos entre la memoria principal y el
dispositivo de E/S
– Procesador envía solicitid de transferencia de
bloque al DMA
– El procesador se interrumpe sólo cuando se
ha transferido el bloque entero
– Es la más utilizada
7
8
Evolución de las funciones de
la E/S
• El procesador controla directamente los
dispositivos periféricos
• Se añade un controlador o módulo de E/S:
– El procesador utiliza E/S programada sin
interrupciones
– El procesador se aisla de los detalles
específicos de las interfaces con dispositivos
externos
Evolución de las funciones de
la E/S
• Controlador o módulo de E/S +
interrupciones:
– El procesador no desperdicia tiempo
esperando a que se realice operación de E/S
• Acceso directo a la memoria:
– Se puede mover un bloque de datos a la
memoria sin que intervenga el procesador
– El procesador sólo interviene al principio y
al final de la transferencia
9
10
Evolución de las funciones de
la E/S
• El módulo de E/S es un procesador de E/S, con
instrucciones propias para E/S:
– La CPU ordena ejecutar un programa de E/S en la
memoria principal
– El procesador E/S lee y ejecuta instrucciones
– El procesador puede especificar secuencia de
instrucciones de E/S y desentenderse hasta que
termine
• Procesador de E/S + memoria local:
– Es un computador independiente
– El procesador se libera cada vez más de E/S
=> aumenta rendimiento
11
Acceso directo a la memoria
• Módulo DMA toma el control del sistema
desde la CPU para transferir datos desde/
hacia la memoria a través del bus del
sistema
• Se utiliza el robo de ciclos para transferir
datos a través del bus del sistema
• El ciclo de instrucción se suspende para
dar paso a la transferencia de datos
12
2

DMA
DMA
Líneas de datos
Líneas de direcciones
Solicitud de DMA
Reconocimiento de DMA
Interrupción
Lectura
Escritura
Cuenta
de datos
Registros
de datos
Registros
de dirección
Lógica
de control
Figura 11.2. Diagrama de bloques de un DMA típico.
• Se solicita lectura/escritura
(línea de lectura/escritura)
• Se comunica la dirección del dispositivo de E/S
involucrado (línea de datos)
• Se comunica la ubicación del comienzo de lectura/
escritura en la memoria (línea de datos), que se almacena
en el registro de dirección del módulo DMA
• Se comunica nº de pals. a leer/escribir (línea de datos),
que se almacena en el registro contador de datos
• El procesador continúa con otro trabajo
• Módulo DMA envía señal cuando completa transferencia
13
14
Tiempo
DMA
Ciclo de instrucción
Ciclo del
procesador
Leer
instrucción
Ciclo del
procesador
Descodificar
instrucción
Ciclo del
procesador
Leer
operando
Puntos de
ruptura posible por DMA
Ciclo del
procesador
Ejecutar
instrucción
Ciclo del
procesador
Almacenar
resultado
Ciclo del
procesador
Interrupción
del proceso
Puntos de ruptura
posible por interrupción
Figura 11.3. Puntos de ruptura por DMA y por interrupción en un ciclo de instrucción.
• El robo de ciclos hace que la CPU ejecute más
lentamente (procesador espera un ciclo)
• Aún así, es más eficiente que E/S programada
o por interrupciones (para varias palabras)
• El número de ciclos de bus requeridos se
puede acortar mediante la integración de las
funciones del DMA y de la E/S.
• Debe haber un camino entre el módulo de
DMA y el módulo de E/S que no pase por el
bus del sistema.
15
16
DMA
DMA
Procesador DMA E/S E/S Memoria
Procesador DMA DMA
Memoria
(a) DMA separada, bus sencillo
E/S
E/S
E/S
- Único bus
- Estructura sencilla y barata
- Transferencia entre Memoria y dispositivos de E/S a través del
módulo DMA, por lo que consume 2 ciclos de bus por cada
palabra transferida (solicitud de transferencia + transferencia),
como en la E/S programada
17
(b) DMA integrada, bus sencillo
- El módulo DMA está conectado directamente a uno o más
bloques de E/S, de modo que la transferencia de datos no
Figura 11.4. Configuraciones posibles de DMA.
emplea el bus del sistema.
- Intercambio de datos entre DMA y módulos de E/S fuera
del bus de sistema
18
3

DMA
Canales de E/S
Bus del sistema
Procesador
DMA
Bus de E/S
Memoria
- Extensión de DMA, donde cada canal tiene
control absoluto de las operaciones de E/S
E/S E/S E/S
(c) Bus de E/S
- Bus del sistema + bus de E/S
- Módulos de E/S conectados al DMA mediante un bus
- Intercambio de Figura datos 11.4. entre Configuraciones DMA y módulos posibles de de DMA. E/S fuera del bus
de sistema
- Configuración fácilmente ampliable
- Instrucciones E/S:
- almacenadas en memoria principal
- ejecutadas completamente en un procesador
de propósito específico situado en el propio
canal
19
20
Tipos de dispositivos
• Dispositivos orientados a bloque:
– Información almacenada en bloques de tamaño fijo
– Se transfiere 1 bloque cada vez
– Ejs: discos y cintas
• Dispositivos orientados a flujo:
– Datos transferidos como serie de bytes
– Ejs: terminales, impresoras, puertos de
comunicación, ratones y otros dispositivos que no
son de almacenamiento secundario
21
Almacenamiento intermedio de la
E/S
• Procesos, E/S y SO:
– Los procesos deben esperar a que termine la
operación de E/S para continuar
– Algunas páginas deben permanecer en la memoria
principal durante la E/S (para que se carguen en ellas
los datos), aunque el SO quiera intercambiar las
páginas o suspender el proceso
=> Memoria implicada en la operación E/S debe quedar
en memoria principal desde la solicitud
=>Almacenamiento intermedio (buffering)
Memoria intermedia sencilla, doble y circular
22
Memoria intermedia sencilla
Memoria intermedia sencilla
• SO asigna espacio en memoria principal, en la
parte del sistema, a una solicitud de E/S de un
proceso de usuario
• Dispositivos orientados a bloque:
– Las transferencias de entrada se realizan en el espacio
del sistema
– Cuando sea necesario/posible, el proceso mueve el
bloque al espacio del usuario y solicita otro bloque
⇒ Lectura por adelantado:
⇒ Supone que el bloque se necesitará más adelante
⇒ Normalmente ocurre así (lectura secuencial)
23
Sistema operativo
Proceso de usuario
Entrar
Dispositivo de E/S
(a) Sin almacenamiento intermedio
Sistema operativo
Proceso de usuario
Entrar
Mover
Dispositivo de E/S
(b) Almacemiento intermedio sencillo
Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).
24
4

Memoria intermedia sencilla
• Ventajas y desventajas:
– Proceso de usr. puede procesar bloque de datos
mientras se lee el siguiente
=> Mayor velocidad
– La entrada tiene lugar en la memoria del sistema
y no en la de usuario
=> SO puede expulsar el proceso (intercambio),
los datos se quedan en la memoria del sistema
– El SO debe guardar constancia de las
asignaciones de memorias intermedias del
sistema a procesos de usuario
Memoria intermedia sencilla
• Dispositivos orientados a flujo:
– Se aplica por líneas o por bytes
• Líneas: entrada/salida a través de un terminal
(líneas marcadas con un retorno de carro al final)
• Bytes: sensores y controladores
– Memoria intermedia guarda 1 línea (o 1 byte)
– Proceso se suspende si:
• No puede recibir 1 línea completa
• No puede escribir una 2ª línea (porque la 1ª
todavía no ha salido del buffer de memoria
intermedia)
=> Complica la lógica del SO
25
26
Memoria intermedia doble
• Usa 2 almacenes intermedios del sistema
• Un proceso puede transferir datos hacia/
desde una memoria intermedia mientras el
SO vacía o rellena la otra
• Mejora eficiencia, incrementa complejidad
Dispositivo de E/S
Entrar
Sistema operativo
Mover
Proceso de usuario
Memoria intermedia circular
• Usa más de dos memorias intermedias
• Memoria intermedia circular formada por
memorias intermedias individuales
• Se usa cuando operaciones de E/S deben ir al
ritmo del proceso (productor/consumidor)
Dispositivo de E/S
Entrar
Sistema operativo
Mover
Proceso de usuario
(c) Almacenamiento intermedio doble
(d) Almacenamiento intermedio circular
Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).
27
Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).
28
RAID
Diseño sobre múltiples discos
(posibles organizaciones con varios discos)
Figura 11.9A. Niveles RAID.
29
5