Sistema de Entrada e Saída

As duas principais tarefas de um computador são operações de E/S e processamento, sendo que em alguns casos o processamento é até secundário. O papel do sistema de E/S é controlar e gerenciar os dispositivos de E/S do computador.

Como os dispositivos são muito diferentes entre si (considere um mouse, um drive de disquete e uma impressora, por exemplo) são necessários vários métodos diferentes para acessá-los, o que compõe o subsistema de entrada e saída. Além disso, dispositivos de diferentes modelos e/ou fabricantes podem possuir certas particularidades e precisam ser tratados de uma forma muito específica. Para encapsular estes detalhes existem os módulos de driver de dispositivo (device driver modules ou simplesmente “driver”). Os drivers de dispositivo tratam das peculiaridades de cada dispositivo, mas apresentam uma interface padrão para o subsistema de entrada e saída.

Características do dispositivo

• Modo de transferência: Caractere/Bloco
• Método de acesso: Sequencial/Aleatório
• Sincronização de transferência: Síncrono/Assíncrono
• Compartilhamento: Dedicado/Compartilhável
• Velocidade do dispositivo: Latência, tempo de busca, taxa de transferência, retardo entre operações
• Direção de E/S: Somente leitura, somente escrita, leitura/escrita

Driver de dispositivo

O driver é a parte do SO que trabalha mais próxima do dispositivo e sua controladora. Apenas o driver precisa saber os detalhes da operação do dispositivo. Um driver em geral trata de um único tipo de dispositivo ou no máximo de uma classe de dispositivos semelhantes.

O driver recebe das “camadas” acima dele uma solicitação abstrata em uma forma padronizada e “traduz” esta solicitação nas instruções necessárias para acessar o dispositivo. Estas instruções em geral consistem em passar os comandos certos nos registradores da controladora do dispositivo e possivelmente programar a controladora de DMA para operações que envolvam a memória. Finalmente, o driver pode ter que esperar o dispositivo concluir sua operação ou em alguns casos a operação é instantânea, não sendo preciso que o driver seja bloqueado enquanto espera.

O subsistema de E/S

Esta é a parte independente de dispositivos do SO. Ela vai tratar das operações de E/S independentemente dos “detalhes” de cada driver.

Escalonamento de E/S: Consistem em cuidar da ordem em que os pedidos devem ser executados, buscando melhor o desempenho das operações de E/S e reduzir o tempo de espera. Por exemplo: a ordem em que os pedidos de leitura de um disco são feitos pode ser rearranjada de forma a minimizar os movimentos da cabeça de leitura/gravação do disco.

Buffer: Como a velocidade de transferência entre a CPU e o dispositivo, ou entre dispositivos pode ser muito diferente, convém armazenar temporariamente os dados transferidos na memória. Esta técnica chama-se buffering. Os dados são lidos de um dispositivo e colocados no buffer até que ele fique cheio. Então o outro dispositivo pode ler um “buffer” inteiro de uma vez, o que é mais eficiente do que aguardar o dispositivo original receber ou enviar os dados diretamente.

Cache: O cache é uma região de memória rápida que armazena cópias de dados. Por exemplo: se um determinado arquivo em disco é acessado com muita frequência é mais eficiente manter uma cópia dele na memória e acessá-la sempre que for necessário carregar aquele arquivo.

Spool: Um spool é um tipo de buffer que armazena saída para um dispositivo, como uma impressora ou uma unidade de fita, que não podem acessar fluxos de dados intercalados. Dois processos não podem “imprimir” seus dados simultaneamente, mesmo porque a saída resultante não seria útil em nenhum dos casos. Neste caso, toda saída para impressora é redirecionada para um arquivo em disco e colocada em uma fila de espera. Um módulo do kernel (ou mesmo um processo de usuário em alguns sistemas) irá imprimir estes arquivos um de cada vez. Isto permite que vários processos possam submeter documentos a serem impressos simultaneamente, embora cada solicitação seja atendida separadamente.

Tratamento de pedidos de E/S

• Processo de usuário
• Subsistema de E/S
• Driver de dispositivo
• Controlador de interrupções
• Hardware

Exemplo do tratamento de uma leitura de um arquivo armazenado em algum dispositivo:

1. O processo do usuário faz a chamada de sistema requisitando a leitura de um arquivo já aberto.
2. O SO verifica se os parâmetros são válidos e em seguida verifica se o arquivo já não está disponível no cache do sistema. Se estiver, os dados são transferidos para o buffer do processo e a operação é concluída.
3. Caso contrário, uma operação de E/S é necessária. O processo é colocado na fila de espera para o dispositivo e o pedido de E/S é escalonado. O pedido é então “enviado” ao driver de dispositivo.
4. O driver de dispositivo aloca um buffer na memória do kernel e transforma as solicitações do sistema de E/S em comandos para a controladora.
5. A controladora do dispositivo opera o hardware para fazer a transferência dos dados.
6. O driver pode fazer E/S programada (PIO) ou programar a controladora de DMA para fazer a transferência dos dados, que quando concluída, será sinalizada com uma interrupção.
7. Quando a operação é concluída, uma interrupção é gerada e o tratador de interrupções passa o controle para o driver.
8. O driver determina qual pedido de E/S foi concluído e avisa o subsistema de E/S.
9. Este copia os dados do buffer do kernel para o espaço de memória do processo e o move da fila de espera para a fila de processos prontos.
10. O processo volta da execução da chamada de sistema e a operação de leitura foi concluída.

Questionário

1. Dê um exemplo de dispositivo de bloco e um dispositivo de caractere.

2. Pra que serve um driver?

3. Explique a diferença entre buffer, cache e spool.

4. O que faz o subsistema de E/S?