Unidad 4 - Administración de Entrada/Salida

4.1 Dispositivos y manejadores de dispositivos (drivers)

El sistema de E/S es la parte del sistema operativo que se ocupa de facilitar el manejo de los dispositivos de E/S ofreciendo una visión lógica simplificada de los mismos que pueda ser usada por otros componentes del sistema operativo (como el sistema de archivos) o incluso por el usuario. Mediante esta visión lógica se ofrece a los usuarios un mecanismo de abstracción que oculta todos los detalles relacionados con los dispositivos físicos, así como del funcionamiento real de los mismos.

El sistema operativo debe controlar el funcionamiento de todos los dispositivos de E/S para alcanzar los siguientes objetivos:

• Facilitar el manejo de los dispositivos de E/S. Para ello debe ofrecer una interfaz entre los dispositivos y el resto del sistema que sea sencilla y fácil de utilizar.
• Optimizar la E/S del sistema, proporcionando mecanismos de incremento de prestaciones donde sea necesario.
• Proporcionar dispositivos virtuales que permitan conectar cualquier tipo de dispositivo físico sin que sea necesario remodelar el sistema de E/S del sistema operativo.
• Permitir la conexión de dispositivos nuevos de E/S, solventando de forma automática su instalación usando mecanismos del tipo plug&play.

Una de las funciones principales de un S. O. es el control de todos los dispositivos de e / s de la computadora. 

Las principales funciones   relacionadas son:

• Enviar comandos a los dispositivos.
• Detectar las interrupciones.
• Controlar los errores.
• Proporcionar una interfaz entre los dispositivos y el resto del sistema:

El código de e / s representa una fracción significativa del S. O.

El uso inapropiado de los dispositivos de e/s frecuentemente genera ineficiencias del sistema, lo que afecta al performance global.

Principios del Hardware de E/S

El enfoque que se considerará tiene que ver con la interfaz que desde el hardware se presenta al software

• Comandos que acepta el hardware.
• Funciones que realiza.
• Errores que puede informar.

Dispositivos de E / S

Se denomina periféricos a los aparatos o dispositivos auxiliares e independientes conectados a la unidad central de procesamiento de una computadora.

Se consideran periféricos tanto a las unidades o dispositivos a través de los cuales la computadora se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

Se pueden clasificar en dos grandes categorías:

• Dispositivos de bloques: dispositivos que almacenan la información en bloques de tamaño fijo (discos)
• Dispositivos de caracteres: maneja la información mediante un flujo de caracteres sin estructurarlos en bloques (mouse, teclado, impresora)

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 caracter 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 búsqueda.
• Un ejemplos típico de dispositivos de caracter son las impresoras de línea, terminales, interfaces de una red, ratones, etc.

Algunos dispositivos no se ajustan a este esquema de clasificación, por ejemplo los relojes, que no tienen direcciones por medio de bloques y no generan o aceptan flujos de caracteres.

El sistema de archivos solo trabaja con dispositivos de bloque abstractos, por lo que encarga la parte dependiente del dispositivo a un software de menor nivel, el software manejador del dispositivo.

Todos los dispositivos de E/S se pueden agrupar en tres grandes grupos:

• Dispositivos de interfaz de usuario. Se llama así a los dispositivos que permiten la comunicación entre los usuarios y la computadora. Dentro de este grupo se incluyen todos los dispositivos que sirven para proporcionar interfaz con el usuario, tanto para entrada (ratón, teclado, etc.) como para salida (impresoras, pantalla, etc.). Existen periféricos menos habituales, pero más sofisticados, tales como un escáner, lectores de huella digital, lectores de cinta magnética, instrumentos musicales digitales (MIDI), etc.
• Dispositivos de almacenamiento. Se usan para proporcionar almacenamiento no volátil de datos y memoria. Su función primordial es abastecer de datos y almacenamiento a los programas que se ejecutan en la UCP. Según su capacidad y la inmediatez con que se puede acceder a los datos almacenados en estos dispositivos, se pueden dividir en almacenamiento secundario (discos y disquetes) y terciario (cintas).
• Dispositivos de comunicaciones. Permiten conectar a la computadora con otras computadoras a través de una red. Los dos tipos de dispositivos más importantes de esta clase son los módem, para comunicación vía red telefónica, y las tarjetas de interfaz a la red, para conectar la computadora a una red de área local.

En cualquier caso, y sea como sea el controlador, su misión es convertir los datos del formato interno del dispositivo a uno externo que se ofrezca a través de una interfaz de programación bien definida. Los controladores de dispositivo se suelen agrupar en alguna de las siguientes categorías o clases:

• Adaptadores de audio (tarjetas de sonido).
• Dispositivos de comunicación (infrarrojos, módems, etc).
• Dispositivos de visualización; pantallas (displays).
• Teclados.
• Ratón (“mouse” y otros señaladores gráficos).
• Dispositivos multimedia.
• Dispositivos de Red.
• Impresoras.
• Almacenamiento

Algunos dispositivos de entrada y salida:

• Entrada:
• Teclado
• Ratón
• Joystick
• Lápiz óptico
• Micrófono
• Webcam
• Escáner
• Escáner de código de barras
• Salida:
• Monitor
• Altavoz
• Auriculares
• Impresora
• Plotter
• Proyector

• Entrada/salida (mixtos):
• Unidades de almacenamiento: CD,DVD, Blu-ray, Memory cards, Disco Duro Externo, Disco duro, Pendrive USB.
• Módem
• Router
• Pantalla táctil
• Tarjeta de red

Manejadores 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.

4.2 Mecanismos y funciones de los manejadores de dispositivos

El controlador es el componente más importante desde el punto de vista del sistema operativo, ya que constituye la interfaz del dispositivo con el bus de la computadora y es el componente que se ve desde la CPU. El Sistema Operativo generalmente trabaja con el controlador y no con el dispositivo.

Técnicas de E/S

E/S programada: El procesador emite una orden de E/S de parte de un proceso a un modulo de E/S; el proceso espera entonces a que termine la operación, antes de seguir.

E/S dirigida por interrupciones: El procesador emite una orden de E/S de parte de un proceso, continua la ejecución de las instrucciones siguientes y el modulo de E/S lo interrumpe cuan do completa su trabajo. Las instrucciones siguientes pueden ser del mismo proceso, si no es necesario para este esperar la terminación de E/S. en otro caso, el proceso se suspende a la espera de la interrupción, mientras se realiza otro trabajo.

	Sin interrupciones	Con interrupciones
Transferencia de E/S a memoria a través del procesador	E/S programada	E/S dirigida por interrupciones
Transferencia de E/S directa a memoria		Acceso directo a memoria (DMA)

Funciones de los manejadores de dispositivos

Funciones generalmente realizadas por el software independiente del dispositivo:

• Interfaz uniforme para los manejadores de dispositivos.
• Nombres de los dispositivos.
• Protección del dispositivo.
• Proporcionar un tamaño de bloque independiente del dispositivo.
• Uso de buffer.
• Asignación de espacio en los dispositivos por bloques.
• Asignación y liberación de los dispositivos de uso exclusivo.
• Informe de errores.

Las funciones básicas del software independiente del dispositivo son:

• Efectuar las funciones de e / s comunes a todos los dispositivos.
• Proporcionar una interfaz uniforme del software a nivel usuario.

El software independiente del dispositivo asocia los nombres simbólicos de los dispositivos con el nombre adecuado. 

Un nombre de dispositivo determina de manera única el nodo-i de un archivo especial:

• Este nodo-i contiene el número principal del dispositivo, que se utiliza para localizar el manejador apropiado.
• El nodo-i contiene también el número secundario de dispositivo, que se transfiere como parámetro al manejador para determinar la unidad por leer o escribir.

El software independiente del dispositivo debe:

• Ocultar a los niveles superiores los diferentes tamaños de sector de los distintos discos.

• Proporcionar un tamaño uniforme de los bloques, por ej.: considerar varios sectores físicos como un solo bloque lógico.

4.3 Estructuras de datos para manejo de dispositivos

¿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 o sistema monolítico

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. 

Es una forma  de relación entre el kernel y el software  los sistemas operativos que usaron este sistema fueron freedbsd, unix y linux.

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. 

BUFFERING (uso de memoria interna)

Trata de mantener ocupados tanto la CPU como los dispositivos de E/S. Los datos se leen y se almacenan en un buffer, una vez que los datos se han leido y la CPU va a iniciar inmediatamente la operacion con ellos, el dispositivo de entrada es introducido para iniciar inmediatamente la siguiente lectura.

La CPU y el dispositivo de entrada permanecen ocupados. Cuando la CPU este libre para el siguiente grupo de datos, el dispositivo de entrada habra terminado de leerlos. La CPU podra empezar el proceso de los ultimos datos leidos, mientras el dispositivo de entrada iniciara la lectura de los datos siguientes.

SPOOLING

Esta forma de procesamiento de denomina spooling, utiliza el disco como un buffer muy grade para leer tan por delante como sea posible de los dispositivos de entrada y para almacenar los ficheros hasta que los dispositivos de salida sean capaces de aceptarlos.

Es una caracteristica utilizada en la mayoria de los sistemas operativos.

Los procesos de usuario emiten peticiones de entrada/salida al sistema operativo. Cuando un proceso solicita una operación de E/S, el sistema operativo prepara dicha operación y bloquea al proceso hasta que se recibe una interrupción del controlador del dispositivo indicando que la operación está completa. Las peticiones se procesan de forma estructurada en las siguientes capas:

• Manejadores de interrupción.

• Manejadores de dispositivos o drivers.

• Software de EIS independiente de los dispositivos. Este software está formado por la parte de alto nivel de los manejadores, el gestor de cache, el gestor de bloques y el servidor de archivos.

• Interfaz del sistema operativo. Llamadas al sistema que usan las aplicaciones de usuario.

El sistema operativo estructura el software de gestión de E/S de esta forma para ofrecer a los usuarios una serie de servicios de E/S independientes de los dispositivos. Esta independencia implica que deben emplearse los mismos servicios y operaciones de E/S para leer datos de un disquete, de un disco duro, de un CD-ROM o de un teclado.

Manejadores de interrupción

Los manejadores de interrupción se encargan de tratar las interrupciones que generan los controladores de dispositivos una vez que éstos están listos para la transferencia de datos o bien han leído o escrito los datos de memoria principal en caso de acceso directo a memoria. Para tratar dicha interrupción se ejecuta el correspondiente manejador de interrupción cuyo efecto es el de salvar los registros, comunicar el evento al manejador del dispositivo y restaurar la ejecución de un proceso (que no tiene por qué ser el interrumpido).

Los manejadores de interrupción suelen hacer algo más que comunicar el evento al manejador de dispositivo. Cuando una interrupción ocurre muy frecuentemente, caso del reloj, o cuando la cantidad de información a transferir es muy pequeña, caso del teclado, sería muy costoso comunicar siempre el evento al manejador de dispositivo asociado. En estos casos, el propio manejador de interrupción registra la ocurrencia del evento, bien mediante el incremento de una variable global para el reloj o la acumulación de caracteres en un buffer del teclado. La notificación al manejador se hace únicamente cada cierto número de ocurrencias del evento, en el caso del reloj, o activando unflag que indica que hay datos en el buffer del teclado.

4.4 Operaciones de Entrada /salida

Tanto en la E/S programada como la basada en interrupciones, la UCP debe encargarse de la transferencia de datos una vez que sabe que hay datos disponibles en el controlador. Una mejora importante para incrementar la concurrencia entre la UCP y la E/S consiste en que el controlador del dispositivo se pueda encargar de efectuar la transferencia de datos, liberando de este trabajo a la UCP, e interrumpir a la UCP sólo cuando haya terminado la operación completa de E/S. Esta técnica se denomina acceso directo a memoria (DMA, Direct Memory Access).

Cuando se utiliza acceso directo a memoria, es el controlador el que se encarga directamente de transferir los datos entre el periférico y la memoria principal, sin requerir intervención alguna por parte del procesador. Esta técnica funciona de la siguiente manera: cuando el procesador desea que se imprima un bloque de datos, envía una orden al controlador indicándole la siguiente información:

• Tipo de operación: lectura o escritura.
•  Periférico involucrado en la operación.
• La dirección de memoria desde la que se va a leer o a la que va a escribir directamente con el controlador de dispositivo (dirección).
• El número de bytes a transferir (contador).

Los pasos a seguir en una operación de E/S con DMA son los siguientes:

1. Programación de la operación de E/S. Se indica al controlador la operación, los datos a transferir y la dirección de memoria sobre la que se efectuará la operación.

2. El controlador contesta aceptando la petición de E/S.

3. El controlador le ordena al dispositivo que lea (para operación de lectura) una cierta cantidad de datos desde una posición determinada del dispositivo a su memoria interna.

4. Cuando los datos están listos, el controlador los copia a la posición de memoria que tiene en sus registros, incrementa dicha posición de memoria y decrementa el contador de datos pendientes de transferir.

5. Los pasos 3 y 4 se repiten hasta que no quedan más datos por leer.

6. Cuando el registro de contador está a cero, el controlador interrumpe a la UCP para in dicar que la operación de DMA ha terminado.

Funciones implicadas en las operaciones de entrada/salida

Para que un computador pueda ejecutar un programa debe ser ubicado previamente en la memoria, junto con los datos sobre los que opera, y para ello debe existir una unidad funcional de entrada de información capaz de escribir en la memoria desde el exterior. Análogamente, para conocer los resultados de la ejecución de los programas, los usuarios deberán poder leer el contenido de la memoria a través de otra unidad de salida de datos. La unidad de Entrada/Salida  (E/S) soporta estas funciones, realizando las comunicaciones del computador (memoria) con el mundo exterior (periféricos). Los dispositivos periféricos que se pueden conectar a un computador se suelen clasificar en tres grandes grupos:

•  Dispositivos de presentación de datos. Son dispositivos con los que interactúan los usuarios, portando datos entre éstos y la máquina, por ejemplo, ratón, teclado, pantalla, impresora, etc.

• Dispositivos de almacenamiento de datos. Son dispositivos que forman parte de la jerarquía de memoria del computador. Interactúan de forma autónoma con la máquina, aunque también sirven para el intercambio de datos con el usuario, por ejemplo, los discos magnéticos.

• Dispositivos de comunicación con otros procesadores. Permiten la comunicación con procesadores remotos a través de redes, por ejemplo, las redes de área local o global.

• Dispositivos de adquisición de datos. Permiten la comunicación con sensores y actuadores que operan de forma autónoma en el entorno del computador. Se utilizan en sistemas de control automático de procesos por computador y suelen incorporar conversores de señales A/D y D/A.