Objetivos del Software de E/S

Un concepto clave en el diseño del software de E/S se conoce como independencia de dispositivos. Lo que significa es que debe ser posible escribir programas que puedan acceder a cualquier dispositivo de E/S sin tener que especificar el dispositivo por adelantado. Por ejemplo, un programa que lee un archivo como entrada debe tener la capacidad de leer un archivo en el disco duro, un CD-ROM, un DVD o una memoria USB sin tener que modificar el programa para cada dispositivo distinto. De manera similar, debe ser posible escribir un comando tal como

sort <entrada> salida

y hacer que funcione con datos de entrada provenientes de cualquier tipo de disco o del teclado, y que los datos de salida vayan a cualquier tipo de disco o a la pantalla.

Un objetivo muy relacionado con la independencia de los dispositivos es la denominación uniforme. El nombre de un archivo o dispositivo simplemente debe ser una cadena o un entero sin depender del dispositivo de ninguna forma. En UNIX, todos los discos se pueden integrar en la jerarquía del sistema de archivos de maneras arbitrarias, por lo que el usuario no necesita estar al tanto de cuál nombre corresponde a cuál dispositivo.

Otra cuestión importante relacionada con el software de E/S es el manejo de errores. En general, los errores se deben manejar lo más cerca del hardware que sea posible. Si el controlador descubre un error de lectura, debe tratar de corregir el error por sí mismo. Si no puede, entonces el software controlador del dispositivo debe manejarlo, tal vez con sólo tratar de leer el bloque de nuevo.

Otra cuestión clave es la de las transferencias síncronas (de bloqueo) contra las asíncronas (controladas por interrupciones). La mayoría de las operaciones de E/S son asíncronas: la CPU inicia la transferencia y se va a hacer algo más hasta que llega la interrupción. Los programas de usuario son mucho más fáciles de escribir si las operaciones de E/S son de bloqueo: después de una llamada al sistema read, el programa se suspende de manera automática hasta que haya datos disponibles en el búfer.

El concepto final que mencionaremos aquí es la comparación entre los dispositivos compartidos y los dispositivos dedicados. Algunos dispositivos de E/S, como los discos, pueden ser utilizados por muchos usuarios a la vez. No se producen problemas debido a que varios usuarios tengan archivos abiertos en el mismo disco al mismo tiempo. Otros dispositivos, como las unidades de cinta, tienen que estar dedicados a un solo usuario hasta que éste termine.

E/S Programada

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 Después el proceso de usuario adquiere la impresora para escribir, haciendo una llamada al sistema para abrirla. Si la impresora está actualmente siendo utilizada por otro proceso, esta llamada fallará y devolverá un código de error o se bloqueará hasta que la impresora esté disponible, dependiendo del sistema operativo y los parámetros de la llamada. Una vez que obtiene la impresora, el proceso de usuario hace una llamada al sistema para indicar al sistema operativo que imprima la cadena en la impresora.

Después, el sistema operativo por lo general copia el búfer con la cadena a un arreglo, por ejemplo, p en espacio de kernel, donde se puede utilizar con más facilidad (debido a que el kernel tal vez tenga que modificar el mapa de memoria para tener acceso al espacio de usuario).

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. El trabajo realizado en la llamada al sistema.

Cuando la impresora ha impreso el carácter, y está preparada para aceptar el siguiente, genera una interrupción. Esta interrupción detiene el proceso actual y guarda su estado. Después se ejecuta el procedimiento de servicio de interrupciones de la impresora.

Una versión cruda de este código se muestra en la figura 5-9(b). Si no hay más caracteres por imprimir, el manejador de interrupciones realiza cierta acción para desbloquear al usuario. En caso contrario, imprime el siguiente carácter, reconoce la interrupción y regresa al proceso que se estaba ejecutando justo antes de la interrupción, que continúa desde donde se quedó.

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.

La gran ganancia con DMA es reducir el número de interrupciones, de una por cada carácter a una por cada búfer impreso. Si hay muchos caracteres y las interrupciones son lentas, esto puede ser una gran mejora. Por otra parte, el controlador de DMA es comúnmente más lento que la CPU principal. Si el controlador de DMA no puede controlar el dispositivo a toda su velocidad, o si la CPU por lo general no tiene nada que hacer mientras espera la interrupción de DMA, entonces puede ser mejor utilizar la E/S controlada por interrupción o incluso la E/S programada. De todas formas, la mayor parte del tiempo vale la pena usar DMA.

Manejadores de Interrupciones

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 bloque 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.

Ahora veremos un esquema de este trabajo como una serie de pasos que se deben llevar a cabo en el software, una vez que se haya completado la interrupción de hardware. Hay que recalcar que los detalles dependen mucho del sistema, por lo que algunos de los pasos que se listan a continuación tal vez no sean necesarios en una máquina específica, y tal vez se requieran otros que no estén listados. Además, los pasos que se llevan a cabo pueden estar en distinto orden en algunas máquinas.

1. Guardar los registros (incluyendo el PSW) que no han sido guardados por el hardware de
la interrupción.

2. Establecer un contexto para el procedimiento de servicio de interrupciones. Para ello tal
vez sea necesario establecer el TLB, la MMU y una tabla de páginas.

3. Establecer una pila para el procedimiento de servicio de interrupciones.

4. Reconocer el controlador de interrupciones. Si no hay un controlador de interrupciones
centralizado, rehabilitar las interrupciones.

5. Copiar los registros desde donde se guardaron (posiblemente en alguna pila) a la tabla de
procesos.

6. Ejecutar el procedimiento de servicio de interrupciones. Éste extraerá información de los
registros del controlador de dispositivos que provocó la interrupción.

7. Elegir cuál proceso ejecutar a continuación. Si la interrupción ha ocasionado que cierto
proceso de alta prioridad que estaba bloqueado cambie al estado listo, puede elegirse para
ejecutarlo en ese momento.

8. Establecer el contexto de la MMU para el proceso que se va a ejecutar a continuación.
También puede ser necesario establecer un TLB.

9. Cargar los registros del nuevo proceso, incluyendo su PSW.

10. Empezar a ejecutar el nuevo proceso.

Drivers de Dispositivos

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.

Cada driver maneja un tipo de dispositivo o, a lo más, una clase de dispositivos estrechamente relacionados. Por ejemplo, un driver de disco SCSI puede manejar por lo general varios discos SCSI de distintos tamaños y velocidades, y tal vez un CD-ROM SCSI también.

Por otro lado, un ratón y una palanca de mandos son tan distintos que por lo general se requieren controladores diferentes. Sin embargo, no hay una restricción técnica en cuanto a que un driver controle varios dispositivos no relacionados. Simplemente no es una buena idea.

Para poder utilizar el hardware del dispositivo (es decir, los registros del controlador físico), el driver por lo general tiene que formar parte del kernel del sistema operativo, cuando menos en las arquitecturas actuales. En realidad es posible construir controladores que se ejecuten en el espacio de usuario, con llamadas al sistema para leer y escribir en los registros del dispositivo.

Un ejemplo de un sistema donde los controladores de dispositivos se ejecutan como procesos de usuario es MINIX 3. Sin embargo, como la mayoría de los demás sistemas operativos de escritorio esperan que los controladores se ejecuten en el kernel, éste es el modelo que consideraremos aquí.

Como los diseñadores de cada sistema operativo saben qué piezas de código (drivers) escritas por terceros se instalarán en él, necesita tener una arquitectura que permita dicha instalación. Esto implica tener un modelo bien definido de lo que hace un driver y la forma en que interactúa con el resto del sistema operativo. Por lo general, los controladores de dispositivos se posicionan debajo del resto del sistema operativo.

Posicionamiento lógico del software controlador de dispositivos. En realidad toda la comunicación entre el software controlador y los controladores de dispositivos pasa a través del bus.

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).

Discos magnéticos

Los discos magnéticos se organizan en cilindros, cada uno de los cuales contiene tantas pistas como cabezas apiladas en forma vertical. Las pistas se dividen en sectores. El número de sectores alrededor de la circunferencia es por lo general de 8 a 32 en los discos flexibles, y hasta varios cientos en los discos duros. El número de cabezas varía entre 1 y 16.

Una característica de dispositivo que tiene implicaciones importantes para el software controlador del disco es la posibilidad de que un controlador realice búsquedas en dos o más unidades al mismo tiempo.
Búsquedas traslapadas; Mientras el controlador y el software esperan a que se complete una búsqueda en una unidad, el controlador puede iniciar una búsqueda en otra unidad.

Un controlador de disco flexible no puede leer o escribir en dos unidades al mismo tiempo (para leer o escribir, el controlador tiene que desplazar bits en una escala de tiempo en microsegundos, por lo que una transferencia ocupa la mayor parte de su poder de cómputo). Esta situación es distinta para los discos duros con controladores integrados, y en un sistema con más de una de estas unidades de disco duro pueden operar de manera simultánea, al menos en cuanto a la transferencia de datos entre el disco y la memoria de búfer del controlador. Sin embargo, sólo es posible una transferencia entre el controlador y la memoria principal. La capacidad de realizar dos o más operaciones al mismo tiempo puede reducir el tiempo de acceso promedio de manera considerable.


En la figura se comparan los parámetros del medio de almacenamiento estándar para la IBM PC original con los parámetros de un disco fabricado 20 años después, para mostrar cuánto han cambiado los discos en 20 años. Es interesante observar que no todos los parámetros han mejorado tanto. El tiempo de búsqueda promedio es siete veces mejor de lo que era antes, la velocidad de transferencia es 1300 veces mejor, mientras que la capacidad aumentó por un factor de 50,000. Este patrón está relacionado con las mejoras relativamente graduales en las piezas móviles, y densidades de bits mucho mayores en las superficies de grabación.

Para las PCs, los valores máximos para estos parámetros son a menudo 5535, 16 y 63, debido a la necesidad de tener compatibilidad hacia atrás con las limitaciones de la IBM PC original. En esta máquina se utilizaron campos de 16, 4 y 6 bits para especificar estos números, donde los cilindros y sectores enumerados empiezan en 1 y las cabezas enumeradas empiezan en 0. Con estos parámetros y 512 bytes por sector, el disco más grande posible es de 31.5 GB. Para sobrepasar este límite, todos los discos modernos aceptan ahora un sistema llamado direccionamiento de bloques lógicos, en el que los sectores de disco sólo se enumeran en forma consecutiva empezando en 0, sin importar la geometría del disco.

CD-ROMs

En años recientes se han empezado a utilizar los discos ópticos (en contraste a los magnéticos). Estos discos tienen densidades de grabación mucho más altas que los discos magnéticos convencionales. Los discos ópticos se desarrollaron en un principio para grabar programas de televisión, pero se les puede dar un uso más estético como dispositivos de almacenamiento de computadora. Debido a su capacidad potencialmente enorme, los discos ópticos han sido tema de una gran cantidad de investigación y han pasado por una evolución increíblemente rápida.

Un CD se prepara en varios pasos. El primero consiste en utilizar un láser infrarrojo de alto poder para quemar hoyos de 0.8 micrones de diámetro en un disco maestro con cubierta de vidrio. A partir de este disco maestro se fabrica un molde, con protuberancias en lugar de los hoyos del láser. En este molde se inyecta resina de policarbonato fundido para formar un CD con el mismo patrón de hoyos que el disco maestro de vidrio. Después se deposita una capa muy delgada de aluminio reflectivo en el policarbonato, cubierta por una laca protectora y finalmente una etiqueta. Las depresiones en el sustrato de policarbonato se llaman hoyos (pits); las áreas no quemadas entre los hoyos se llaman áreas lisas (lands).

Los hoyos y las áreas lisas se escriben en una sola espiral continua, que empieza cerca del hoyo y recorre una distancia de 32 mm hacia el borde. La espiral realiza 22,188 revoluciones alrededor del disco (aproximadamente 600 por milímetro). Si se desenredara, tendría 5.6 km de largo. La espiral se ilustra en la figura