Entrada Salida Sebastián Sánchez Prieto. Introducción a los SSOO 2 1999-2003 S2P, OGP & IGT El...

Entrada Salida

Sebastián Sánchez Prieto

1999-2003 S2P, OGP & IGT Introducción a los SSOO 2

El problema

Los procesos hacen un uso extensivo de E/S Cada dispositivo de E/S tiene su propia idiosincrasia Los dispositivos necesitan ayuda del núcleo Diferentes velocidades

SCSI bus

fast eth

disco duro

ethernet

impresora laser

modem

ratón

teclado

0,00 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00 10000,00 100000,00


Hardware de E/S

Bus PCI

disco

disco

disco

disco

Monitor

Tarjeta gráfica Controladora SCSI

Procesador

Puente memoria/controlador

Caché

Memoria

disco disco

Controladora de disco IDE

disco discoBus de expansión

Interfaz del bus de expansión Teclado

Puerto paralelo Puerto serie


Placas madre

Es la principal placa de circuito en el PC e incluye; Procesador Memoria Ranuras de expansión Buses BIOS (Basic Input/Output System)

Realiza el power-on self test (POST) CMOS RAM

Almacena parámetros de configuración: tipo y cantidad de discos, cantidad de memoria, DRAM timings, valor del RTC

Es actualizable Susceptible de ser modificada por los virus


Buses

Se utilizan para llevar a cabo la interconexión de diferentes elementos

Cada bus queda caracterizado por su velocidad máxima de transferencia y el ancho del mismo

Los buses más rápidos conectan la CPU con la cache L1 El “bus de sistema” conecta la CPU con la cache L2 y la

memoria dinámica (DRAM) Bus de sistema (64 bits de ancho)

66 MHz hasta principios del 98 100 MHz en el Pentium II


DIB

Dual Independent Bus Usado a partir del Pentium II Se sustituye el bus de sistema por:

El backside bus: CPU - L2 El frontside bus: CPU - Memoria/periféricos


Bus ISA

Industry Standard Architecture (1982) Bus de 8 bits a la friolera de 4,77 MHz Posteriormente con el PC/AT (286) paso a ser de 16 bits

y 6 y 8 MHz Capaz de transferir 16 MBps (teóricos) Debido a la multiplexación de direcciones y datos se

queda en 8 MBps En la práctica 5 MBps, suficiente para la mayoría de los

periféricos Problemas con: gráficos, discos y tarjetas de red


MCA y EISA bus

Micro Channel Architecture (IBM) Extended ISA (básicamente Compaq y otros) Ambos de 32 bits El primero a 10 MHz y el segundo a 8MHz Capaces de transferir hasta 20 MBps El primero era propietario El segundo era compatible con ISA Ninguno prosperó


Local bus

Necesidad de acelerar los gráficos Razón: aparecen las IGU o GUI (Windows) En 1990 VESA (Video Electronics Standard Association)

establece el estándar Es un bus que extiende el bus de sistema del 486 y esa

es su mayor desventaja Al estar muy acoplado con la CPU si colocamos más de

dos ranuras VESA la CPU se ve afectada VESA recomienda sólo 2 ranuras a 33 MHz Como el bus VESA va a la misma velocidad del micro,

¿qué pasa si el micro va más rápido?


PCI bus

Peripheral Component Interconnect (Intel) La especificación PCI Local Bus Revision 2.0 es de 1993 PCI está separado del bus de sistema, pero tiene acceso

a la memoria Se utiliza un puente (se permiten varios) PCI está limitado a 5 conectores Soporta PnP Tarjetas de 5 y 3,3 V


PCI bus

Inicialmente PCI iba a 33 MHz PCI 2.1 a 66 MHz (266 MBps) Soporta 32 y 64 bits Hasta 524 MBps Permite interrupciones compartidas


PCI-X bus

Definido por IBM, Compaq y HP (1999) Utilizado por periféricos de gran ancho de banda:

Ethernet Gigabit Ultra3 SCSI Gráficos de alto rendimiento

PCI-X aumenta la velocidad del bus y el número de slots de alta velocidad

PCI permite slots de 33 MHz y uno a 66 MHz PCI-X soporta un slot a 133 MHz de 64 bits


Puerto AGP

Accelerated Graphics Port (Intel) AGP opera a la velocidad del frontside bus (66 MHz) Utilizado para gráficos 3D


Nuevas tecnologías

La conexión de dispositivos externos está muy limitada: Puerto serie: 115,2 Kbps Puertos paralelo: 500 Kbps ¿Qué se puede hacer con periféricos rápidos?

No hay posibilidad de conectar varios dispositivos al mismo puerto

El número de interrupciones está limitado (16 líneas IRQ)


USB

Universal Serial Bus (definido por un consorcio en 1995) Se pueden conectar hasta 127 dispositivos utilizando

“Daisy-chaining” o utilizando un hub USB A cada hub USB se pueden conectar 7 dispositivos entre

los que se puede colocar otro hub USB y así sucesivamente

USB es capaz de proporcionar una alimentación de 5 V para pequeños dispositivos

La velocidad de transferencia es de hasta 12 Mbit/s Para dispositivos lentos puede transferir a 1,5 Mbit/s


USB

Distancia máxima entre dispositivos: 5 m Soporta modo isócrono: se puede reservar ancho de

banda para ciertos dispositivos Puede distribuir hasta 500 mA por cada puerto


IEEE 1394 (Firewire)

Similar a USB pero más rápido La interfaz tiene dos niveles:

Backplane bus: dentro del ordenador (12,5 - 25 y 50 Mbit/s) Interfaz punto a punto (100 - 200 y 400 Mbit/s)

Un puente conecta ambas interfaces La nueva especificación pretende llegar a 800 Mbit/s y 1,6

Gbit/s Conectores tipo Nintendo



Longitud máxima: 4,5 m Lleva 6 cables La alimentación entre 8 y 40 V dc Hasta 1,5 A Permite transmisión asíncrona e isócrona La transmisión isócrona hace al bus Firewire adecuado

para aplicaciones con restricciones de tiempo real Soporta hasta 63 canales isócronos



Niveles IEEE 1394

Dirección: 64 bits (10 red - 6 nodo y 48 dirección de memoria)



Ejemplo de interconexión


USB 2.0

Propuesto por Compaq, HP, Intel, Lucent, Microsoft, NEC y Philips

Un rendimiento entre 30 y 40 veces el de USB Surge como respuesta a Firewire Compatible con USB estándar Velocidad 360-400 Mbit/s


Interfaz con los controladores

Instrucciones específicas de E/S Espacio de E/S proyectado en memoria Interrupciones Muestreo (polling) Acceso directo a memoria (ADM)


Acceso directo a memoria

Objetivo: solapar operaciones de CPU y E/S El ADM es un elemento básico para realizar de forma

eficiente la multiprogramación Programación del ADM:

Número de datos a transferir Puntero a la zona de memoria

Problema: Necesidad de buffers en los controladores Solución: p.e. intercalado en los discos


Acceso directo a memoria

disco disco disco disco

CPU

caché

Bus CPU/memoriaADM Memoria buffer

Bus PCI

Controladora IDE

1 El manejador (driver)Inicia la operación de lectura

4 ADMTransfiere los bytes al bufferIncrementa el puntero de memoriay decrementa N

2 El controlador inicia la transferencia3 Cada byte va al controlador ADM

5 Si N==0 se interrumpe a la CPU


Programación de la E/S

Objetivos: Ocultar el HW a los niveles superiores Presentar una interfaz uniforme de acceso Independencia de dispositivo

sort < entrada > salida Manejo de errores Manejo de distintos tipos de dispositivos (compartibles y

dedicados)


Cómo alcanzar estos objetivos

“Idea nueva”: estructuración en niveles Manejador de interrupciones Manejadores de dispositivos (drivers) Programas de S.O. independientes del dispositivo Programas de usuario

Manejadores de interrupciones Las interrupciones se deben ocultar El núcleo se debe encargar de ellas


Manejadores de dispositivos

Contienen el código dependiente del dispositivo Cada manejador mantiene su cola de solicitudes

Dispositivo: unidad de disco 1Estado: libre

Dispositivo: unidad de disco 2Estado: ocupado

Operación: lecturaArchivo: datos.txt

Dispositivo: impresoraEstado: ocupada

Archivo: trp.ps

Operación: escrituraArchivo: bal.mp3

Dispositivo: tecladoEstado: libre

Dispositivo: disco SCSIEstado: libre

...


E/S independiente de dispositivo

La frontera de este nivel con el anterior es difusa Funciones:

Ofrecer una interfaz uniforme a los procesos de usuario Asignar nombres a los dispositivos Proteger los dispositivos Ofrecer un tamaño de bloque independiente de los dispositivos Almacenar los datos temporales en las transferencias de E/S Gestionar la asignación del espacio en dispositivos de bloques Reservar y liberar dispositivos dedicados Informar de los posibles errores Un aspecto muy importante en un SS.OO. es la asignación de

nombres a los archivos y dispositivos y su protección


E/S en el espacio de usuario

Procedimientos de biblioteca: Forman parte del del software de E/S en espacio de

usuario. Ejemplo: printf ("Solucion = %d \n"), dato);

Sistema de spooling: Así se evita que los usuarios monopolicen el uso de los

dispositivos de E/S P.e. el sistema de impresión


Spooling

Programa

Programa

Programa

Driver deimpresora

spooler

Driver de impresora


Esquema global

Procesos de usuario

SW independiente de dispositivo

Manejadores de dispositivo

Manejadores de interrupciones

Hardware

Petición de E/SRespuesta de E/S

Llamada de E/S; formateo de E/S; spooling

Asignación de nombres, protección, bloqueo,buffering, asignación de dispositivos

Asignación de valores a los registros dedispositivo, comprobación del estado

Reactivación del manejador cuando se completa la E/S

Realización de la E/S


Ejemplo: discos

Coordenadas: Pista, cabeza, sector (x, y, z)

Tiempos de acceso: T. posicionamiento T. latencia T. transferencia

¿Optimización?


Particiones en el PC

MBR

Sector de boot

Partición 1

Sector de boot Sector de boot Sector de boot

Partición 2 Partición 3 Partición 4 (extendida)

MBR

Partición lógica 1 Partición lógica 4Partición activa

Tabla de particiones

Código de arranque



Master Boot Record (primer sector) Bytes 1-446: código de arranque Bytes 447-510: tabla de particiones (4 entradas) Bytes 511-512: número mágico AA55

El resto de sectores pueden estar: Sin utilizar En una partición En espacio libre que puede ser asignado a nuevas

particiones



En el MBR sólo se puede especificar hasta 4 particiones primarias Cada entrada de la tabla de particiones incluye:

Tipo de partición (Linux, NTFS, HURD, etc.) Etiqueta de “bootable” o no Posición inicial y final en el disco

Con objeto de permitir un mayor número de particiones se introduce un tipo especial denominada “partición extendida”

La partición extendida puede tener hasta cuatro particiones lógicas La partición extendida puede contener particiones extendidas, que

contengan particiones extendidas y así sucesivamente La partición extendida puede ocupar cuarquier posición. No es

necesario que sea la última En Linux cada partición se representa como /dev/hda1,

/dev/hda2, etc.


Planificación FCFS

Es la forma más sencilla de planificar FCFS es aceptable con carga ligera


Sortest Seek Time First

Problemas: Posible inanición de solicitudes Se discrimina a las pistas externas


SCAN (algoritmo del ascensor)

Una variante del SCAN es el C-SCAN el cual proporciona un tiempo de espera más uniforme


Posibles errores en los discos

De programación (p.e. sector no existente) Transitorios (polvo en las cabezas) Permanentes (daños físicos) De búsqueda (pido leer el cilindro 6 y la cabeza se va al

7) Del controlador


Manejador de disco

Función: Leer y escribir datos del disco Procedimientos básicos: Inicializar el DMA Arrancar el motor (en el caso de disquetes) Mover las cabezas al lugar adecuado Leer o escribir los datos Detener el motor (en los disquetes)


Relojes

Funciones: Mantener la fecha y la hora Impedir que un proceso se adueñe del procesador Hardware asociado al reloj:


Tipos de relojes

Reloj programable: Modos de funcionamiento:

Modo “un pulso” Modo de onda cuadrada

Reloj en tiempo real Almacena el valor del tiempo actual El hardware del reloj genera interrupciones regularmente El resto lo hace el manejador


Funciones asociadas

Evitar que los procesos monopolicen la CPU Contabilidad del uso del procesador Avisar de eventos solicitados por el resto de los procesos Monitorización del sistema (perfiles de ejecución y

estadísticas) Mantener actualizadas la fecha y la hora Llamadas soportadas: PonAlarma, PonerTiempo, ObtenerTiempo, Tick


Terminales

Tipos de terminales Con interfaz RS-232 Con interfaz por memoria Teclados

El manejador recibe las pulsaciones del teclado y se las pasa al proceso correspondiente

Modo orientado a caracteres (raw mode) Modo orientado a líneas (cooked mode)


Programación de la salida

Varía de los terminales RS-232 a los proyectados en memoria

Problemas: scrolling, ctrl g, cursor Funciones ofrecidas:

Leer caracteres del terminal Escribir caracteres al terminal ioctl Cancelar una petición

Activación: por interrupción (núcleo)

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