Subsistema de Entrada e
Saída do Kernel
Profa. Priscila Facciolli
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Conteúdo
• Introdução;
• Acesso ao Subsistema de Entrada e
Saída;
• Device Drivers;
• Controladores;
• DMA e Padrões de Conexão;
• Dispositivos de Entrada e Saída;
• Discos Magnéticos e Desempenho;
• Redundância e Proteção de Dados;
• Exercícios.
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Introdução
• O SO é formado por um conjunto de rotinas que oferece servios
aos usuários e às suas aplicações (Kernel).
• A Gerência de Dispositivos de Entrada/Saída é uma das mais
complexas funções do SO e sua implementação é estruturada
através de camadas.
• A diversidade dos tipos de E/S exige que o SO implemente uma
camada chamada de Subsistema de E/S, com a função de isolar a
complexibilidade dos dispositivos da chamada de sistemas de
arquivos e da aplicação, possibilitando ao sistema manter sua
flexibilidade.
• As camadas são divididas em dois grupos:
– O primeiro visualiza os diversos tipos de dispositivos do
sistema de um modo único;
– O segundo é específico para cada dispositivo
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Figura 1 – Gerência de
Dispositivos
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Acesso ao Subsistema de
Entrada e Saída
• O SO possui um conjunto de rotinas que torna possível a
comunicação com qualquer dispositivo que possa ser
conectado ao computador. Essas rotinas são denominadas
de Rotinas de Entrada/Saída e fazem parte do Subsistema
de E/S.
• As operações de E/S são realizadas através de System Calls
que chamam as rotina de E/S do núcleo do SO.
Dessa forma, é possível escrever um programa que
manipule arquivos, estejam eles em disquetes, discos
rígidos, CDs, fitas magnéticas, sem ter que alterar o código
para cada tipo de dispositivo.
• As System Calls responsáveis pois essa comunicação são
chamadas de System Calls de Entrada/Saída, e um de seus
objetivos é simplificar a interface entre as aplicações e os
dispositivos.
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Acesso ao Subsistema de
Entrada e Saída
As operações de E/S podem ser classificadas em:
• Operação Síncrona: Quando o processo que realizou a
operação fica aguardando em estado de espera por seu
término.
• Operação Assíncrona: Quando o processo que realizou a
operação não aguarda pelo seu término e continua pronto
para ser executado. Neste caso deve existir uma sinalização
que indique que a operação foi terminada.
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Figura 2 – Operações de
Entrada/Saída
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Device Drivers
• O Device Driver ou somente Driver, tem como função
implementar a comunicação do subsistema de E/S com os
dispositivos através de Controladores.
• Os Drivers recebem os comandos gerais sobre os acessos
aos dispositivos e traduz para comandos específicos que
poderão ser acessados pelas funções do Controladores e
com isso ele possa entendê-las e executá-las.
• Cada driver manipula um tipo de dispositivo ou grupo de
dispositivos semelhantes e normalmente o SO possui
diferentes drivers para cada recurso computacional.
• Devido ao grau de dependência entre os drivers e o
restante do Núcleo do SO, os fabricantes desenvolvem para
um mesmo dispositivo, diferentes drivers cada um para um
SO.
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Figura 3 – Device Drivers
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Controladores
• São componentes de hardware responsáveis por
manipular diretamente os dispositivos de E/S.
• O Driver comunica-se com os dispositivos através dos
Controladores.
• Ele pode ser uma placa independente conectada a um slot
do computador ou implementada na mesma placa do
processador.
• O Controlador possui memória e registradores próprios.
• São utilizados na execução de instruções enviadas pelo
Driver. Em operações de leitura, armazena em seu buffer
interno, uma seqüência de bits provenientes driver até
formar um bloco. Após verificar se no bloco existem erros,
é transferido para um buffer de E/S na Memória Principal.
• A transferência do bloco para o buffer pode ser realizado
por um controlador de DMA.
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Figura 4: UCP, Memória e Controladores
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DMA e Padrões de Conexão
• DMA (Direct Memory Acess ou Acesso Direto a Memória),
permite que certos dispositivos de hardware acessem a memória
para leitura e gravação independentemente.
• A técnica de DMA evita que o processador fique ocupado com a
transferência do bloco para
a memória.Pode fazer parte do
Controlador ou ser independente.
• Exemplos: Controladores de Disco, placas de rede e som.
• Uma transferência por DMA copia um bloco de memória de uma
dispositivo para o outro. A UCP inicia a transferência, mas não a
executa.
Alguns padrões de Conexão:
• SCSI (Small Computer Systens Interface);
• IDE (Integrated Drive Electronics) ou ATA (Advanced Techology)
Attachment.
• ATA, SATA, S-ATA, tecnologias de transferência de dados em série.
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Figura 5 – Técnica de DMA
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Dispositivos de Entrada e Saída
Permitem a comunicação entre o SO e o mundo externo.
São classificados como:
• Entrada de Dados: (CD-ROM, teclado, etc)
• Saída de Dados: (impressoras) ou ainda,
• Entrada/Saída de dados: ( modem, discos, CD-ROM.)
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Dispositivos de Entrada e Saída
Em função da forma com que os dados são armazenados, são
classificados em:
• Dispositivos Estruturados: Armazenam as informações
em blocos de tamanho fixo possuindo cada qual um
endereço que pode ser lido/gravado. Ex. Disco rígido.
Seus tipos:
– Acesso Direto: Quando um bloco pode ser recuperado
através de seu endereço.
–
Acesso Seqüencial: Quando para se acessar um bloco,
o dispositivo
blocos.
percorre
seqüencialmente
os
demais
• Dispositivos não Estruturados: Enviam ou recebem uma
seqüência de caracteres sem estar estruturado no formado
de um bloco. Ex.: Terminais, impressoras, interfaces de
rede.
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Figura 6 – Tempo de Acesso
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Discos Magnéticos e
Desempenho
Entre os diversos dispositivos de E/S, os discos magnéticos
são o principal repositório de dados.
O tempo utilizado pela leitura e gravação de dados em um
disco está em função de três fatores:
•
Tempo de Seek: Tempo do posicionamento do cabeçote
de leitura/gravação.
• Latência Rotacional: Tempo de espera até que o setor
desejado posicione sobre o mecanismo de leitura /
gravação.
• Tempo de Transferência: Tempo necessário
transferir o bloco da MP para o setor do disco.
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para
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Redundância e Proteção de
Dados
Na década de 80, os pesquisadores desenvolveram técnicas
de gerenciamento de disco para otimizar as operações de
E/S e implementar redundância e proteção de Dados
conhecidos como RAID (Redundant Arrays of Inexpensive
Disk).
• Uma característica da técnica de RAID é a criação de um
dispositivo virtual, o Array de Discos.
• Consiste em um grupo de discos físicos que são tratados
pelo SO como um único disco, trazendo mais capacidade de
armazenamento, maior desempenho e confiabilidade nos
dados armazenados.
• As técnicas de Raid estão distribuídas em 6 níveis (1-6) e
um novo nível foi introduzido denominado RAID 0.
Detalhamento dos níveis foram abordados na disciplina de Organização e Arquitetura
de Computadores.
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Redundância e Proteção de
Dados
Dentre as técnicas de RAID temos:
• RAID 0 (Striping)
Que distribui as operações de E/S entre diversos discos
físicos visando aumento de desempenho,
• RAID 1 (Espelhamento / Mirroring)
Que replica todo o conteúdo do disco principal, chamado de
primário em discos secundários;
• RAID 5 (Acesso Independente com Paridade
Distribuída)
Distribui dados entre os discos do array e implementar
redundância baseada em paridade, requerendo espaço
adicional menor para ser implementada.
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Figura 7 – Níveis do RAID
RAID O
RAID 1
RAID 5
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Exercícios
1) Qual é a função do Subsistema de E/S para o SO?
2) Em qual aspecto, a System Calls é importante no acesso ao
Subsistema de E/S?
3) Diferencie Operações Síncronas e Assíncronas.
4) Descreva a função dos Devices Drivers.
5) O Controlador é responsável por_______________
complete a frase.
6) A técnica de DMA facilita em que a execução dos
Controladores?
7) No que consiste os Dispositivos Estruturados?
8) "O tempo utilizado pela leitura e gravação de dados em um
disco está em função de 3 fatores". Explique-os.
9) Como a tecnologia RAID trabalha?
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