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.
Este blog va dirigido para personas que quieran saber un poco mas aserca de los SO Estare posteando resumenes del libro Sistemas Operativos Modernos
lunes, 17 de octubre de 2016
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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
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
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
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.
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. El formato de un sector se muestra en la figura.
El preámbulo empieza con cierto patrón de bits que permite al hardware reconocer el inicio del sector. También contiene los números de cilindro y sector, junto con cierta información adicional. El tamaño de la porción de datos se determina con base en el programa de formato de bajo nivel. La mayoría de los discos utilizan sectores de 512 bytes.
El tamaño y contenido de este campo varía de un fabricante a otro, dependiendo de cuánto espacio de disco esté dispuesto a perder el diseñador por obtener una mayor confiabilidad, y de qué tan complejo sea el código ECC que pueda manejar el controlador. Un campo ECC de 16 bytes no es poco común.
Además, todos los discos duros tienen cierta cantidad de sectores adicionales que se asignan para utilizarlos como reemplazo de los sectores con un defecto de fabricación.
Suponga que una petición necesita 18 sectores, empezando en el sector 0 de la pista más interna. Para leer los primeros 16 sectores se requiere una rotación de disco, pero se necesita una búsqueda para desplazarse una pista hacia fuera para llegar al sector 17. Para cuando la cabeza se ha desplazado una pista, el sector 0 ha girado más allá de la cabeza, de manera que se necesita una rotación para que vuelva a pasar por debajo de la cabeza. Este problema se elimina al desviar los sectores como se muestra en la figura.
La cantidad de desviación de los cilindros depende de la geometría del disco. Por ejemplo, una unidad de 10,000 RPM gira en 6 mseg. Si una pista contiene 300 sectores, un nuevo sector pasa debajo de la cabeza cada 20 μseg. Si el tiempo de búsqueda de pista a pista es de 800 μseg, pasarán 40 sectores durante la búsqueda, por lo que la desviación de los cilindros debe ser de 40 sectores en vez de los tres sectores que se muestran en la figura 5-26. Vale la pena mencionar que el cambio entre una cabeza y otra también requiere un tiempo finito, por lo que hay también desajuste de cabezas al igual que desajuste de cilindros, pero el desajuste de las cabezas no es muy grande.
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. El formato de un sector se muestra en la figura.
El preámbulo empieza con cierto patrón de bits que permite al hardware reconocer el inicio del sector. También contiene los números de cilindro y sector, junto con cierta información adicional. El tamaño de la porción de datos se determina con base en el programa de formato de bajo nivel. La mayoría de los discos utilizan sectores de 512 bytes.
El tamaño y contenido de este campo varía de un fabricante a otro, dependiendo de cuánto espacio de disco esté dispuesto a perder el diseñador por obtener una mayor confiabilidad, y de qué tan complejo sea el código ECC que pueda manejar el controlador. Un campo ECC de 16 bytes no es poco común.
Además, todos los discos duros tienen cierta cantidad de sectores adicionales que se asignan para utilizarlos como reemplazo de los sectores con un defecto de fabricación.
Suponga que una petición necesita 18 sectores, empezando en el sector 0 de la pista más interna. Para leer los primeros 16 sectores se requiere una rotación de disco, pero se necesita una búsqueda para desplazarse una pista hacia fuera para llegar al sector 17. Para cuando la cabeza se ha desplazado una pista, el sector 0 ha girado más allá de la cabeza, de manera que se necesita una rotación para que vuelva a pasar por debajo de la cabeza. Este problema se elimina al desviar los sectores como se muestra en la figura.
La cantidad de desviación de los cilindros depende de la geometría del disco. Por ejemplo, una unidad de 10,000 RPM gira en 6 mseg. Si una pista contiene 300 sectores, un nuevo sector pasa debajo de la cabeza cada 20 μseg. Si el tiempo de búsqueda de pista a pista es de 800 μseg, pasarán 40 sectores durante la búsqueda, por lo que la desviación de los cilindros debe ser de 40 sectores en vez de los tres sectores que se muestran en la figura 5-26. Vale la pena mencionar que el cambio entre una cabeza y otra también requiere un tiempo finito, por lo que hay también desajuste de cabezas al igual que desajuste de cilindros, pero el desajuste de las cabezas no es muy grande.
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.
Mediante el uso de componentes electrónicos, esta señal base puede multiplicarse por un pequeño entero para obtener frecuencias de hasta 1000 MHz o incluso más. Por lo menos uno de esos circuitos se encuentra comúnmente en cualquier computadora, el cual proporciona una señal de sincronización para los diversos circuitos de la misma. Esta señal se alimenta al contador para hacer que cuente en forma descendente hasta cero. Cuando el contador llega a cero, produce una interrupción de la CPU.
Por lo general, los relojes programables tienen varios modos de operación.
En el modo de un solo disparo, cuando se inicia el reloj copia el valor del registro contenedor en el contador y después decrementa el contador en cada pulso del cristal. Cuando el contador llega a cero, produce una interrupción y se detiene hasta que vuelve a ser iniciado en forma explícita mediante el software.
Es que su frecuencia de interrupción se puede controlar mediante software. Si se utiliza un cristal de 500 MHz, entonces se aplica un pulso al contador cada 2 nseg. Con registros de 32 bits (sin signo), se pueden programar interrupciones para que ocurran a intervalos de 2 nseg hasta 8.6 seg.
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.
Mediante el uso de componentes electrónicos, esta señal base puede multiplicarse por un pequeño entero para obtener frecuencias de hasta 1000 MHz o incluso más. Por lo menos uno de esos circuitos se encuentra comúnmente en cualquier computadora, el cual proporciona una señal de sincronización para los diversos circuitos de la misma. Esta señal se alimenta al contador para hacer que cuente en forma descendente hasta cero. Cuando el contador llega a cero, produce una interrupción de la CPU.
Por lo general, los relojes programables tienen varios modos de operación.
En el modo de un solo disparo, cuando se inicia el reloj copia el valor del registro contenedor en el contador y después decrementa el contador en cada pulso del cristal. Cuando el contador llega a cero, produce una interrupción y se detiene hasta que vuelve a ser iniciado en forma explícita mediante el software.
En el modo de onda cuadrada, después de llegar a cero y producir la interrupción, el registro contenedor se copia automáticamente en el contador y todo el proceso se repite de nuevo en forma indefinida. Estas interrupciones periódicas se conocen como pulsos de reloj.
La ventaja del reloj programable
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.
La primera función del reloj, mantener la hora del día (también conocida como tiempo real), no es difícil. Sólo requiere incrementar un contador en cada pulso de reloj, como se dijo antes. Lo único por lo que debemos estar al pendiente es el número de bits en el contador de la hora del día. Con una velocidad de reloj de 60 Hz, un contador de 32 bits se desbordará aproximadamente en 2 años. Es evidente que el sistema no puede almacenar el tiempo real como el número de pulsos del reloj desde enero 1, 1970 en 32 bits.
La segunda función del reloj es evitar que los procesos se ejecuten en demasiado tiempo. Cada vez que se inicia un proceso, el planificador inicializa un contador para el valor del quantum de ese proceso, en pulsos de reloj. En cada interrupción del reloj, el software controlador del mismo decrementa el contador del quantum en 1. Cuando llega a cero, el software controlador del reloj llama al planificador para establecer otro proceso.
La tercera función del reloj es contabilizar el uso de la CPU. La forma más precisa de hacerlo es iniciar un segundo temporizador, distinto del temporizador principal del sistema, cada vez que se inicia un proceso. Cuando ese proceso se detiene, el temporizador se puede leer para saber cuánto tiempo se ha ejecutado el proceso. Para hacer lo correcto, el segundo temporizador se debe guardar cuando ocurre una interrupción y se debe restaurar cuando ésta termine.
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.
La primera función del reloj, mantener la hora del día (también conocida como tiempo real), no es difícil. Sólo requiere incrementar un contador en cada pulso de reloj, como se dijo antes. Lo único por lo que debemos estar al pendiente es el número de bits en el contador de la hora del día. Con una velocidad de reloj de 60 Hz, un contador de 32 bits se desbordará aproximadamente en 2 años. Es evidente que el sistema no puede almacenar el tiempo real como el número de pulsos del reloj desde enero 1, 1970 en 32 bits.
La segunda función del reloj es evitar que los procesos se ejecuten en demasiado tiempo. Cada vez que se inicia un proceso, el planificador inicializa un contador para el valor del quantum de ese proceso, en pulsos de reloj. En cada interrupción del reloj, el software controlador del mismo decrementa el contador del quantum en 1. Cuando llega a cero, el software controlador del reloj llama al planificador para establecer otro proceso.
La tercera función del reloj es contabilizar el uso de la CPU. La forma más precisa de hacerlo es iniciar un segundo temporizador, distinto del temporizador principal del sistema, cada vez que se inicia un proceso. Cuando ese proceso se detiene, el temporizador se puede leer para saber cuánto tiempo se ha ejecutado el proceso. Para hacer lo correcto, el segundo temporizador se debe guardar cuando ocurre una interrupción y se debe restaurar cuando ésta termine.
Software de Entrada
La entrada del usuario proviene principalmente del teclado y del ratón.
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 genera 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).
Software de teclado
El número en el puerto de E/S es el número de tecla, conocido como código de exploración, no el código ASCII. Los teclados tienen menos de 128 teclas, por lo que sólo se necesitan 7 bits para representar el número de tecla. El octavo bit se establece en 0 cuando se oprime una tecla, y en 1 cuando se suelta. Es responsabilidad del controlador llevar un registro del estado de cada tecla (oprimida o suelta)
Por ejemplo, la secuencia de teclas
- OPRIMIR MAYÚS, OPRIMIR A, SOLTAR A, SOLTAR MAYÚS
- indica una A mayúscula. Sin embargo, la secuencia de teclas
- OPRIMIR MAYÚS, OPRIMIR A, SOLTAR MAYÚS, SOLTAR A
La figura 5-35 muestra todos los caracteres especiales requeridos por POSIX. Los valores predeterminados son todos caracteres de control que no deben estar en conflicto con la entrada de texto o los códigos utilizados por los programas; todos excepto los últimos dos se pueden cambiar bajo el control del programa.
Software de ratón
La mayoría de las PCs tienen un ratón, o algunas veces un trackball, que sencillamente es un ratón boca arriba. Un tipo común de ratón tiene una bola de goma en su interior que se asoma por un hoyo en la parte inferior y gira, a medida que el ratón se desplaza por una superficie dura, frotándose contra unos rodillos posicionados en ejes ortogonales. El movimiento en la dirección este-oeste hace que gire el eje paralelo al eje y; el movimiento en la dirección norte-sur hace que gire el eje paralelo al eje x.Otro tipo popular de ratón es el óptico, que está equipado con uno o más diodos emisores de luz y fotodetectores en su parte inferior.
Cada vez que un ratón se ha desplazado cierta distancia mínima en cualquier dirección, o cuando se oprime o suelta un botón, se envía un mensaje a la computadora. La distancia mínima es de aproximadamente 0.1 mm (aunque se puede establecer mediante software). Algunas personas llaman a esta unidad mickey.
Software de Salida
La salida es más simple que la entrada cuando se envía secuencialmente en un solo tipo de letra, tamaño y color. En su mayor parte, el programa envía caracteres a la ventana en uso y se muestran
ahí.
Por lo general, un bloque de caracteres (por ejemplo, una línea) se escribe en una llamada al sistema.
Una solución que se introdujo en Berkeley UNIX fue una base de datos de terminales conocida como termcap. Este paquete de software definía una variedad de acciones básicas, como desplazar el cursor hacia (fila, columna). Para desplazar el cursor a una ubicación específica, el software (como un editor) utilizaba una secuencia de escape genérica que después se convertía en la secuencia de escape actual para la terminal en la que se estaba escribiendo. De esta forma, el editor funcionaba en cualquier terminal que tuviera una entrada en la base de datos termcap.
El sistema X Window
Casi todos los sistemas UNIX basan su interfaz de usuario en el Sistema X Window (que a menudo sólo se le llama X), desarrollado en el M.I.T. como parte del proyecto Athena en la década de 1980. Es muy portátil y se ejecuta por completo en espacio de usuario. En un principio tenía como propósito principal conectar un gran número de terminales de usuarios remotas con un servidor de cómputo central, por lo que está dividido lógicamente en software cliente y software servidor, que puede ejecutarse potencialmente en distintas computadoras. En la mayoría de las computadoras modernas, ambas partes se pueden ejecutar en el mismo equipo. En los sistemas Linux, los populares entornos de escritorio Gnome y KDE se ejecutan encima de X.
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