ADMINISTRACIÓN DE ENTRADA Y SALIDA

Administración de entrada y salida

4.1 Dispositivos y manejadores de dispositivos

Se pueden clasificar en dos grandes categorías:

1. Dispositivos de bloque

2. Dispositivos de carácter

 Las principales características de los dispositivos de bloque son:

 La información se almacena en bloques de tamaño fijo.

 Cada bloque tiene su propia dirección.

 Los tamaños más comunes de los bloques van desde los 128 bytes hasta

los 1.024 bytes.

Se puede leer o escribir en un bloque de forma independiente de los demás, en

cualquier momento.

-Un ejemplo típico de dispositivos de bloque son los discos.

-Las principales características de los dispositivos de carácter son:

-La información se transfiere como un flujo de caracteres, sin sujetarse a una

estructura de bloques.

 No se pueden utilizar direcciones.

 No tienen una operación de busqueda.

 Unos ejemplos típicos de dispositivos de carácter son las impresoras de

línea, terminales, interfaces de una red, ratones, etc.

4.2 Mecanismos y funciones de los manejadores de

dispositivos: device drivers

¿Qué es una estructura?

Los sistemas operativos actuales son grandes y complejos, estos deben poseer

una ingeniería correcta para su fácil actualización y para que puedan cumplir su

función correctamente. La estructura es generalmente modular, cada modulo

cumple una función determinada e interactúa con los demás módulos.

Estructura simple

El sistema MS-DOS es, sin duda, el mejor sistema operativo para

microcomputadoras. Sin embargo, sus interfaces y niveles de funcionalidad no

están bien definidos. Los programas de aplicación pueden acceder a operaciones

básicas de entrada / salida para escribir directamente en pantalla o discos. Este

libre acceso, hace que el sistema sea vulnerable, ya que un programa de

aplicación puede eliminar por completo un disco rígido por alguna falla. Además

este sistema, también esta limitado al hardware sobre el que corre.

Otra estructura simple es la utilizada por la versión original de UNIX, esta consiste

de dos partes separadas, el kernel y los programas de sistemas . El kernel fue

posteriormente separado en manejadores (drivers) de dispositivos y una serie de

interfaces. El kernel provee el sistema de archivos, la programación de CPU, el

administrador de memoria y otras funciones del sistema operativo que responden

a las llamadas del sistema enunciadas anteriormente.

Estructura por capas (layers)

Las nuevas versiones de UNIX se diseñaron para hardware mas avanzado. Para

dar mayor soporte al hardware, los sistemas operativos se dividieron en pequeñas

partes. Ahora los sistemas operativos tienen mayor control sobre el hardware y las

aplicaciones que se ejecutan sobre este.

La modularizacion de un sistema se puede presentar de varias formas, la mas

utilizada es la de capas, la cual consiste en dividir al sistema operativo en un

numero de capas. La capa de menor nivel es el hardware y la de mayor nivel es la

interfaz con el usuario.

La principal ventaja es que cada capa cumple con una serie de funciones y

servicios que brinda a las otras capas, esto permite una mejor organización del

sistema operativo y una depuración mas fácil de este.

Cada capa se implementa solo utilizando las operaciones provistas por la capa de

nivel inferior. Una capa no necesita saber como se implementan estas funciones,

solo necesita saber que operaciones puede realizar.

4.3 Estructuras de datos para manejo de dispositivos

Cada dispositivo de E/S, o cada clase de dispositivos, tiene un manejador

asociado en el sistema operativo.

Dicho manejador incluye: código independiente del dispositivo para proporcionar al

nivel superior del sistema operativo una interfaz de alto nivel y el código

dependiente del dispositivo necesario para programar el controlador del dispositivo

a través de sus registros y datos. La tarea de un manejador de dispositivo es

aceptar peticiones en formato abstracto, de la parte del código de E/S

independiente del dispositivo, traducir dichas peticiones a términos que entienda el

controlador, enviar al mismo las órdenes adecuadas en la secuencia correcta y

esperar a que se cumplan. La siguiente figura muestra un diagrama de flujo con

las operaciones de un manejador.

Todos los manejadores tienen una lista de peticiones pendientes por dispositivo

donde se encolan las peticiones que llegan de niveles superiores. El manejador

explora la lista de peticiones, extrae una petición pendiente y ordena su ejecución.

La política de extracción de peticiones de la lista es dependiente de manejador y

puede ser FIFO. Una vez enviada la petición al controlador, el manejador se

bloquea o no, dependiendo de la velocidad del dispositivo. Para los lentos (discos)

se bloquea esperando una interrupción. Para los rápidos (pantalla, discos RAM,

etcétera) responde inmediatamente. Después de recibir el fin de operación,

controla la existencia de errores y devuelve al nivel superior el estado de

terminación de la operación. Si tiene operaciones pendientes en la cola de

peticiones, atiende a la siguiente, en caso de que le toque ejecutar después de la

operación de E/S. En caso contrario se bloquea.

Objetivos del software de Entrada y Salida

Objetivos del software de Entrada y Salida

El S. O. se encarga de hacer que operaciones controladas por interruptores parezcan del tipo de bloques para el usuario. 
También el S. O. debe administrar los dispositivos compartidos (ej.: discos) y los de uso exclusivo (ej.: impresoras). 
Generalmente el software de e / s se estructura en capas 
• Manejadores de interrupciones. 
• Directivas de dispositivos. 
• Software de S. O. independiente de los dispositivos. 
• Software a nivel usuario. 

Los objetivos más importantes del software de E/S son:

-Ocultar la complejidad del hardware a los procesos que se ejecutan por encima del sistema operativo.
-Presentar una interfaz de E/S sencilla.

Para conseguir estos objetivos se estructura el software de E/S en capas, de forma que las capas inferiores ocultan la complejidad del hardware a las capas superiores y éstos se encargan de conseguir una interfaz sencilla.

E/S Programada

Hay tres maneras fundamentalmente distintas en que se puede llevar a cabo la E/S. En esta sección analizaremos la primera (E/S programada). En las siguientes dos secciones examinaremos las otras (E/S controlada por interrupciones y E/S mediante el uso de DMA). La forma más simple de E/S es cuando la CPU hace todo el trabajo. A este método se le conoce como E/S programada. Es más simple ilustrar la E/S programada por medio de un ejemplo. Considere un proceso de usuario que desea imprimir la cadena de ocho caracteres “ABCDEFGH” en la impresora. Primero ensambla la cadena en un búfer en espacio de usuario,
La E/S programada es simple, pero tiene la desventaja de ocupar la CPU tiempo completo hasta que se completen todas las operaciones de E/S. Si el tiempo para “imprimir” un carácter es muy corto (debido a que todo lo que hace la impresora es copiar el nuevo carácter a un búfer interno), entonces está bien usar ocupado en espera. Además, en un sistema incrustado o embebido, donde la CPU no tiene nada más que hacer, ocupado en espera es razonable. Sin embargo, en sistemas más complejos en donde la CPU tiene otros trabajos que realizar, ocupado en espera es ineficiente. Se necesita un mejor método de E/S.

E/S controlada por interrupciones 
Ahora vamos a considerar el caso de imprimir en una impresora que no coloca los caracteres en un búfer, sino que imprime cada uno a medida que va llegando. Si la impresora puede imprimir (por ejemplo,) 100 caracteres/seg, cada carácter requiere 10 mseg para imprimirse. Esto significa que después de escribir cada carácter en el registro de datos de la impresora, la CPU estará en un ciclo de inactividad durante 10 mseg, esperando a que se le permita imprimir el siguiente carácter. Este tiempo es más que suficiente para realizar un cambio de contexto y ejecutar algún otro proceso durante los 10 mseg que, de otra manera, se desperdiciarían.
La forma de permitir que la CPU haga algo más mientras espera a que la impresora esté lista es utilizar interrupciones. Cuando se realiza la llamada al sistema para imprimir la cadena, el búfer se copia en espacio de kernel (como vimos antes) y el primer carácter se copia a la impresora, tan pronto como esté dispuesta para aceptar un carácter. En ese momento, la CPU llama al planificador y se ejecuta algún otro proceso. El proceso que pidió imprimir la cadena se bloquea hasta que se haya impreso toda la cadena.
E/S mediante el uso de DMA
 Una obvia desventaja de la E/S controlada por interrupciones es que ocurre una interrupción en cada carácter. Las interrupciones requieren tiempo, por lo que este esquema desperdicia cierta cantidad de tiempo de la CPU. Una solución es utilizar DMA. Aquí la idea es permitir que el controlador de DMA alimente los caracteres a la impresora uno a la vez, sin que la CPU se moleste. En esencia, el DMA es E/S programada, sólo que el controlador de DMA realiza todo el trabajo en vez de la CPU principal. Esta estrategia requiere hardware especial (el controlador de DMA) pero libera la CPU durante la E/S para realizar otro trabajo. En la figura 5-10 se muestra un esquema del código. copiar_del_usuario(bufer, p, cuenta); reconocer_interrupcion(); establecer_controlador_DMA(); desbloquear_usuario(); planificador(); regresar_de_interrupcion(); Figura 5-10. Cómo imprimir una cadena mediante el uso de DMA. (a) Código que se ejecuta cuando se hace la llamada al sistema para imprimir. (b) Procedimiento de servicio de interrupciones.
 Manejadores de interrupciones 
Aunque la E/S programada es útil algunas veces, para la mayor parte de las operaciones de E/S las interrupciones son un hecho incómodo de la vida y no se pueden evitar. Deben ocultarse en la profundidad de las entrañas del sistema operativo, de manera que éste sepa lo menos posible de ellas. La mejor manera de ocultarlas es hacer que el controlador que inicia una operación de E/S se bloquee hasta que se haya completado la E/S y ocurra la interrupción. El controlador se puede bloquear a sí mismo realizando una llamada a down en un semáforo, una llamada a wait en una variable de condición, una llamada a receive en un mensaje o algo similar, por ejemplo. Cuando ocurre la interrupción, el procedimiento de interrupciones hace todo lo necesario para poder manejarla. Después puede desbloquear el controlador que la inició. En algunos casos sólo completará up en un semáforo. En otros casos realizará una llamada a signal en una variable de condición en un monitor. En otros más enviará un mensaje al controlador bloqueado. En todos los casos, el efecto neto de la interrupción será que un controlador que estaba bloqueado podrá ejecutarse ahora. Este modelo funciona mejor si los controladores están estructurados como procesos del kernel, con sus propios estados, pilas y contadores del programa.
Drivers de dispositivos
Al principio de este capítulo analizamos lo que hacen los drivers. Vimos que cada controlador tiene ciertos registros de dispositivos que se utilizan para darle comandos o ciertos registros de dispositivos que se utilizan para leer su estado, o ambos. El número de registros de dispositivos y la naturaleza de los comandos varían radicalmente de un dispositivo a otro. Por ejemplo, un driver de ratón tiene que aceptar información del ratón que le indica qué tanto se ha desplazado y cuáles botones están oprimidos en un momento dado. Por el contrario, un driver de disco tal vez tenga que saber todo acerca de los sectores, pistas, cilindros, cabezas, movimiento del brazo, los propulsores del motor, los tiempos de asentamiento de las cabezas y todos los demás mecanismos para hacer que el disco funcione en forma apropiada. Obviamente, estos drivers serán muy distintos.

Hardware de disco
Los discos son de varios tipos. Los más comunes son los discos magnéticos (discos duros y flexibles). Se caracterizan por el hecho de que las operaciones de lectura y escritura son igual de rápidas, lo que los hace ideales como memoria secundaria (como paginación o sistemas de archivos, por ejemplo). Algunas veces se utilizan arreglos de estos discos para ofrecer un almacenamiento altamente confiable. Para la distribución de programas, datos y películas, son también importantes varios tipos de discos ópticos (CD-ROMs, CD-grabable y DVD). En las siguientes secciones describiremos primero el hardware y luego el software para estos dispositivos.
Formato de disco
Un disco duro consiste en una pila de platos de aluminio, aleación de acero o vidrio, de 5.25 o 3.5 pulgadas de diámetro (o incluso más pequeños en las computadoras notebook). En cada plato se deposita un óxido de metal delgado magnetizable. Después de su fabricación, no hay información de ninguna clase en el disco. Antes de poder utilizar el disco, cada plato debe recibir un formato de bajo nivel mediante software. El formato consiste en una serie de pistas concéntricas, cada una de las cuales contiene cierto número de sectores, con huecos cortos entre los sectores.
Hardware de reloj
Hay dos tipos de relojes de uso común en las computadoras, y ambos son bastante distintos de los relojes que utilizan las personas. Los relojes más simples están enlazados a la línea de energía de 110 o 220 voltios y producen una interrupción en cada ciclo de voltaje, a 50 o 60 Hz. Estos relojes solían dominar el mercado, pero ahora son raros. El otro tipo de reloj se construye a partir de tres componentes: un oscilador de cristal, un contador y un registro contenedor, como se muestra en la figura 5-32. Cuando una pieza de cristal de cuarzo se corta en forma apropiada y se monta bajo tensión, puede generar una señal periódica con una precisión muy grande, por lo general en el rango de varios cientos de megahertz, dependiendo del cristal elegido.
Software de reloj
Todo lo que hace el hardware del reloj es generar interrupciones a intervalos conocidos. Todo lo demás que se relacione con el tiempo debe ser realizado por el software controlador del reloj. Las tareas exactas del controlador del reloj varían de un sistema operativo a otro, pero por lo general incluyen la mayoría de las siguientes tareas: 1. Mantener la hora del día. 2. Evitar que los procesos se ejecuten por más tiempo del que tienen permitido. 3. Contabilizar el uso de la CPU. 4. Manejar la llamada al sistema alarm que realizan los procesos de usuario. 5. Proveer temporizadores guardianes (watchdogs) para ciertas partes del mismo sistema. 6. Realizar perfilamiento, supervisión y recopilación de estadísticas.
Software de entrada
La entrada del usuario proviene principalmente del teclado y del ratón; analicemos estos dispositivos. En una computadora personal, el teclado contiene un microprocesador integrado que por lo general se comunica, a través de un puerto serial especializado, con un chip controlador en la tarjeta principal (aunque cada vez con más frecuencia, los teclados se conectan a un puerto USB). Se ge- SECCIÓN 5.6 INTERFACES DE USUARIO: TECLADO, RATÓN, MONITOR 395 nera una interrupción cada vez que se oprime una tecla, y se genera una segunda interrupción cada vez que se suelta. En cada una de estas interrupciones de teclado, el software controlador del mismo extrae la información acerca de lo que ocurre desde el puerto de E/S asociado con el teclado. Todo lo demás ocurre en el software y es muy independiente del hardware. La mayoría del resto de esta sección se puede comprender mejor si se considera que se escriben comandos en una ventana de shell (interfaz de línea de comandos). Así es como trabajan comúnmente los programadores. A continuación analizaremos las interfaces gráficas.
 Software de salida Ahora consideremos el software de salida. Primero analizaremos una salida de ejemplo a una ventana de texto, que es lo que los programadores prefieren utilizar comúnmente. Después consideraremos las interfaces gráficas de usuario, que otros usuarios prefieren a menudo.