Dispositivos de E/S

Entre las responsabilidades del Sistema Operativo está manejar los dispositivos de Entrada/Salida y proporcionar una interfaz simple y homogénea para todos ellos. Esto constituye gran parte del código del kernel.

• Emitir comandos
• Captar interrupciones
• Manejar errores

Dos categorías de dispositivos E/S:

• Dispositivos de bloque: almacenan información en bloques independientes de tamaño fijo (512B - 32 KiB) y toda transferencia se realiza mediante dichos bloques. Los discos duros, CDs y memorias USB son los más comunes.
• Dispositivos de carácter: envía o acepta un flujo de caracteres, por lo que no es direccionable ni dispone de operaciones de búsqueda. Impresoras, interfaces de red, el ratón, etc son algunos ejemplos.

Tenga en cuenta que el límite no está bien definido: hay dispositivos como las cintas magnéticas que operan en bloques pero también no son direccionables, solo funcionan secuencialmente.

Además, existen otros dispositivos que no caen en ninguna de estas categorías, como el reloj del sistema o las pantallas.

Ya se ha visto en la introducción, estos dispositivos disponen de un componente mecánico y otro electrónico. A este último se le llama controlador de dispositivo o adaptador y se comunica con el dispositivo mediante una interfaz, que normalmente es de muy bajo nivel. Se encarga de convertir el flujo de bits en un bloque de datos y realizar correcciones de errores.

Cada controlador dispone de unos registros de control para comunicarse con la CPU. Escribiendo en dichos registros, el Sistema Operativo puede hacer que el dispositivo envíe o acepte datos, se encienda o apage o que realice alguna acción. Y leyendo su contenido, se puede conocer el estado del dispositivo, si está preparado para aceptar comandos.

También posee un buffer de datos que del que se puede leer y escribir. Es donde el dispositivo recibe los datos de entrada principalmente. Un ejemplo muy claro es la memoria de vídeo, VRAM.

Comunicación controladora-CPU

¿Cómo se comunica la CPU con estos registros y buffers?

Estas funcionan de la siguiente forma:

1. Cuando se quiere leer una palabra, sea memoria o puerto, la CPU coloca la dirección en las líneas de dirección del bus y una señal read en la línea de control.
2. Se utiliza una segunda línea para indicar si es espacio de E/S o memoria.
   • Si es espacio de memoria, se responde a la petición como hasta ahora.
   • Si es E/S, es el dispositivo quien responde

En el caso de que solo haya memoria (asignación por memoria), todos los módulos de memoria y dispositivos E/S están pendientes del bus por si encuentran alguna dirección sobre la que operen, si está en su rango, se responde. Dado que no hay direcciones solapadas, no hay peligro de colisión.

Acceso directo a memoria (DMA)

Sin importar que el sistema use E/S por asignación de memoria o no, es indudable que la CPU debe poder acceder a las controladoras de los dispositivos. Solicitar leer y escribir datos, lo que desperdicia tiempo de CPU, por lo que a menudo se utiliza el esquema de DMA.

Solo se puede utilizar si el hardware tiene un controlador de DMA. Este tiene acceso al bus de manera independiente de la CPU y contiene registros de control para especificar el puerto E/S a utilizar, dirección de transferencia (R/W), unidad de transferencia (byte o palabra) y el número de bytes a transmitir.

El objetivo del DMA es liberar a la CPU del intercambio de datos. Se encarga de controlar los dispositivos E/S mientras la CPU continua con otras tareas. El DMA puede incluso gestionar varias operaciones de E/S a la vez (con dispositivos diferentes, lógicamente), haciendo uso de un Round-Robin o prioridades, pero esto depende del hardware.

Tenga en cuenta que no todas las computadoras usan DMA, con el argumento de que la CPU es mucho más rápida que el DMA y puede terminar antes de forma más simple.

Interrupciones

En la introducción se comentaron brevemente las interrupciones.

Cuando el dispositivo de E/S termina de hacer su trabajo, se lanza una interrupción a modo de notificación para el Sistema Operativo. Esto se realiza mediante el controlador de interrupciones:

1. El dispositivo se comunica con el controlador de interrupciones, poniendo una señal sobre una línea del bus concreta.
2. El controlador de interrupciones detecta la señal y decide qué hacer. Luego usa un pin de la CPU para notificarla.
   • Si no hay otras interrupciones, se procesa de inmediato
   • Si hay otras interrupciones, se mira cuál tiene más prioridad y se atiende esa. Se continua imponiendo las señales de las interrupciones restantes hasta que se atiendan.
3. Luego, el controlador de interrupciones coloca el número del dispositivo causante en el bus para poder identificarlo.
4. Se ejecuta el despachador, que guarda el estado previo en la pila y pasa al modo kernel. Usa el número del dispositivo para acceder al vector de interrupciones y obtener la dirección del manejador (handler) correspondiente.
5. Se inicia el manejador, que es parte del driver del dispositivo que causó la interrupción. Este lo consulta para conocer su estado, lo que le indica al dispositivo que puede emitir otra interrupción.
6. Finalmente, se regresa al modo usuario (recuperando los datos de la pila).

Es posible que las interrupciones se den en momentos inoportunos, como por ejemplo, cuando se estaba manejando una interrupción previa. Por eso, la CPU tiene un mecanismo para deshabilitar las interrupciones y rehabilitarlas después.

Nótese que el paso 4 es como funcionan las traps e interrupciones: se usa el número de la trap o interrupción para acceder al vector de interrupciones. Este está localizado en una posición específica de memoria física o se usa un registro para localizarla.

En los pasos 4 y 6 se hace referencia a la pila, pero ¿qué pila se usa?

• Pila de usuario: pueden suceder varios errores, como un fallo de página si la actual está llena (un fallo de página también genera una interrupción).
• Pila del kernel: al cambiar de modo, requiere cambiar el contexto de la MMU lo que probablemente invalide el contenido de la TLB ==> Se pierde mucho tiempo de CPU.

Software de E/S

Debe de ser posible escribir programas que puedan acceder a cualquier dispositivo de E/S sin saber de qué dispositivo se trata, es decir, independencia de dispositivos. En Unix, por ejemplo, los dispositivos E/S se representan como archivos y se pueden montar sobre la estructura existente.

Otra cuestión importante es el manejo de errores, que se debe llevar a cabo lo más cerca del hardware que sea posible: si el controlador de disco descubre un error de lectura, debe saber cómo manejarlo.

Hay que tener en cuenta también que el kernel tiene un buffer en el que guarda temporalmente los datos para la E/S mientras se realiza la operación. Sobre este buffer el kernel puede realizar operaciones costosas, como chequear errores entre otras cosas.

Por tanto, para una operación de escritura en disco utilizando DMA:

1. El buffer de datos inicial está en la zona de usuario.
2. Se llama a un procedimiento estándar de C, que realiza la llamada al sistema.
3. Se copia el buffer de la zona de usuario a la zona de kernel.
4. El kernel procesa los datos de la manera que crea conveniente y planifica la escritura en el disco, enviando comandos a la DMA y al controlador del disco.
5. A través de la DMA, el disco accede a los datos de memoria principal y realiza su trabajo.
6. Cuando termina, la DMA lanza una interrupción a la CPU que maneja el controlador de interrupciones, como ya se ha visto.

Todas estas operaciones de copiado (usuario a kernel, kernel a disco) añaden un sobrecoste a las operaciones de E/S.

Comentar también las transferencias síncronas (bloquean el proceso) contra las asíncronas (se realizan en segundo plano y se controlan por interrupciones). Como hemos visto, el uso del DMA permite operaciones E/S asíncronas: el dispositivo trabaja mientras la CPU atiende a otro proceso; pero los programas de usuario esperan E/S síncronas, por lo que el SO debe hacer que lo parezcan bloqueando el proceso.

Como ya hemos visto en la introducción, hay tres maneras fundamentales en las que se puede llevar a cabo la E/S:

• E/S programada: ocupado en espera (síncrono), la CPU chequea constantemente el estado del dispositivo. La desventaja es que se pierde mucho tiempo de CPU.

• E/S por interrupciones (asíncrono): después de lanzar la operación, se bloquea el proceso actual y realiza un cambio de contexto a otro que esté listo. Cuando la operación termine, se lanzará una interrupción para continuar con la operación. Como desventaja es que se generan muchas interrupciones, y por tanto muchos cambios a modo kernel.

• E/S por DMA (asíncrono): muy similar al anterior, pero todas las interrupciones y control del dispositivo las controla la DMA, por lo que se producen menos interrupciones. Se necesita hardware dedicado, que normalmente es más lento que la CPU.

1// p: buffer del kernel
2copy_from_user(buffer, p, count);
3for (int i = 0; i < count; i++) {
4    while(*printer_status_reg != READY); // Esperar a que se prepare
5    *printer_data_register = p[i];       // Mandar el siguiente dato
6}
7return_to_user();

1// Syscall: enviar solo el primer char
2copy_from_user(buffer, p, count);
3enable_interrupts();
4while(*printer_status_reg != READY);
5*printer_data_reg = p[0];
6scheduler(); // Cambio de contexto

 1if (count == 0) {
 2    // Ya se copiaron todos los datos
 3    unblock_user();
 4} else {
 5    // Copiar el siguiente dato
 6    *printer_data_reg = p[i];
 7    i++;
 8    count--;
 9}
10acknowledge_interrupt(); // Avisar a la controladora
11                         // de que puede seguir
12return_from_interrupt();

1copy_from_user(buffer, p, count);
2set_up_DMA_controller();
3sheduler();

1acknowledge_interrupt();
2unblock_user();
3return_from_interrupt();