Gerência de Dispositivos

Conteúdo integrante da disciplina de Sistemas Operacionais

Introdução

• Uma das principais e mais complexas funções do Sistema Operacional.
• Implementada através de uma estrutura de camadas de software e hardware.
• Procura oferecer uma interface simples e confiável para o usuário e a aplicação.
• Esconde das camadas superiores, detalhes das camadas inferiores.
• Dividido em dois grupos:
  • O 1o Visualiza os dispositivos de um modo único.
  • O 2o é específico para cada dispositivo.
• A maior parte da gerência de E/S trabalha independentemente de dispositivo, permitindo a comunicação dos processos com qualquer tipo de periférico, proporcionando maior flexibilidade.

Operações de Entrada/Saída

• O sistema deve tornar a tarefa o mais simples possível.
• Independência de dispositivos - o sistema deve se comunicar com qualquer tipo de dispositivo conectado ao computador.
• Acesso à dispositivos através bibliotecas. Linguagens de auto nível permitem portabilidade, como C ou Pascal.
• A independência de dispositivos deve ser realizada através de system calls, chamadas de system calls de entrada/saída, presentes na camada de mais alto nível implementada pelo sistema operacional.
• Permite o usuário acessar os dispositivos sem se preocupar com detalhes.
• A comunicação é feita através das bibliotecas e System Calls através de parâmetros.
• Objetivos da System Calls, neste caso, é esconder do programador características associadas à programação de cada dispositivo.

Subsistema de Entrada/Saída

• Funções:
  • Realizar funções que são comuns a todos os dispositivos.
  • Criar uma unidade lógica de informações independente de dispositivos e repassá-la para os níveis superiores.
  • Implementar todo o mecanismo de proteção de acesso aos dispositivos.
  • Mapear o nome do dispositivo com seu respectivo driver. As camadas superiores acessam o dispositivo através deste nome.
  • Controlar os dispositivos de Entrada/Saída de forma segura e confiável obtendo um maior compartilhamento.
  • Bufferização, permitindo reduzir o número de operações de Entrada/Saída, utilizando-se de uma área de memória intermediária chamada buffer.
• Aspectos e funções específicas ficam a cargo dos device drivers.
• Normalmente, os erros são tratados nas camadas mais próximas ao hardware, sendo que alguns podem ser tratados independente de dispositivos.

Device Drivers (driver)

• Principal função – comunicação com dispositivos de Entrada/Saída em alto nível de hardware, geralmente através de controladores, especificando características físicas de cada dispositivo.
• Subsistemas de E/S trata de funções que afetam todos os dispositivos e os Drivers tratam apenas dos seus aspectos particulares.
• Cada Device Driver controla apenas um tipo de dispositivo ou grupo de dispositivos semelhantes.
• Função de receber comandos gerais sobre acessos aos dispositivos, geralmente System Calls, e traduzi-los para comandos específicos para serem executados pelos controladores.
• Os drivers fazem parte do núcleo do Sistema Operacional, sendo escritos geralmente em assembly.
• Normalmente são desenvolvidos, para o mesmo dispositivo, diferentes devices drivers para cada sistema operacional. Isto devido ao fato dos mesmos serem de alto grau de dependência.
• Quando um novo dispositivo é adicionado, este deve ser acoplado ao núcleo do sistema.

Controladores (ou interfaces)

• São componentes eletrônicos (hardware) responsáveis por manipular diretamente os dispositivos de Entrada/Saída.
• Serve de comunicação do Sistema Operacional com os Dispositivos.
• Em geral, possui memória e registradores próprios para executar instruções enviadas pelo device driver.
• Em operações de leitura, o controlador armazena uma seqüência de bits vinda do dispositivo no seu buffer interno e verifica a ocorrência de erros, não havendo erros, o bloco é transmitido para a memória principal.
• Na maioria dos dispositivos orientados a bloco, como discos, é implementada a técnica de DMA para transferência de dados entre o controlador e a memória principal:
  • O device driver executa as operações de Entrada/Saída gravando os comandos nos registradores do controlador.
  • O controlador executa a operação com o dispositivo enquanto a UCP pode realizar outras tarefas.
  • O device driver, então, testa os resultados através dos registradores do controlador.
• Alguns controladores, particularmente os de discos, implementam técnicas de cache para melhorar o desempenho.
• SCSI (Small Computer Systems Interface)
  • Padrão popular para conexão de dispositivos ao computador.
  • Inicialmente utilizado em RISC.
  • Define padrões de hardware e software que permitem conectar ao computador qualquer tipo de dispositivo, mesmo de fabricantes diferentes.
  • O Sistema Operacional deve estar configurado com um driver SCSI e o hardware com um controlador SCSI onde os periféricos são conectados.

Dispositivos de Entrada/Saída

• Responsáveis pela comunicação entre o computador e o mundo externo.
• Tipos de dispositivos quanto à Entrada/Saída
  • Dispositivos somente para entrada de dados (teclado, mouse).
  • Dispositivos somente para saída de dados (impressoras).
  • Dispositivos para entrada e saída de dados (modems, discos, fitas).
• Comunicação efetuada através de blocos de informações ou palavra a palavra, realizando-se a transfer6encia através de controladores de dispositivos sob supervisão da UCP.
• Dispositivos Estruturados:
  • Armazenam informações em blocos de tamanho fixo, cada um com um endereço.
  • Tamanho do bloco varia entre 128 e 1.024 bytes.
  • Blocos pode ser lidos ou gravados de forma independentes.
  • Exemplo : Discos
  • Acesso Direto – blocos de dados pode ser recuperado diretamente através de um endereço, exemplo discos magnéticos.
  • Acesso seqüencial – para acessar um bloco de dados, o dispositivo deve percorrer seqüencialmente o meio de armazenamento à procura do bloco, exemplo, fita magnética.
• Dispositivos não-Estruturados:
  • Podem enviar ou receber uma seqüência de caracteres sem estar estruturada no formato de um bloco.
  • A seqüência de caracteres não é endereçável, não podendo haver operações de acesso ao dado após a transmissão.
  • Exemplo: terminais, impressoras, interfaces de rede.

Discos Magnéticos

• Pelo fator tempo ser um fator crucial no acesso aos dados, aspectos como desempenho e segurança devem ser considerados.
• O Disco é composto de diversos discos sobrepostos, unidos por um mesmo eixo vertical, girando em velocidade constante.
• Cada disco compõe-se de trilhas concêntricas, que estão divididas em setores.
• As trilhas dos diferentes discos que ocupam a mesma posição vertical formam um cilindro.
• Para cada superfície de um disco existe uma cabeça de leitura/gravação.
• O conjunto de cabeças é preso a um braço que se movimenta entre os vários cilindros no sentido radial.
• O tempo necessário para ler/gravar um bloco de dados é em função de três fatores:
  • Tempo de procura: tempo gasto para mover o braço até o cilindro onde o bloco se encontra.
  • Tempo de latência: tempo de espera até que o setor desejado se posicione sob a cabeça de leitura/gravação.
  • Tempo de transferência: tempo necessário para ler/gravar o bloco do/para o setor.
• Em muitos casos, o fator que leva mais tempo é o tempo de procura, são necessárias algumas estratégias para minimizar o tempo de procura.
• Copiar parte dos dados do disco para a memória principal pode minimizar os tempos de procura e latência.
• Técnicas que permitem aumentar o desempenho e segurança do armazenamento de dados em disco:
  • Espelhamento :
    • Simples duplicação dos dados de um disco em um ou mais discos.
    • Procura diminuir o tempo de acesso aso dados e aumentar a segurança em caso de problemas físicos nos discos.
    • O sistema fica responsável a escolher o disco em que o sistema realizará a operação requisitada.
    • Ambos os discos precisam ser atualizados pelo sistema.
  • Striping :
    • Permite que dados sejam divididos e gravados em diversos discos.
    • Procura diminuir o tempo de acesso.
    • É preciso formar um conjunto de discos chamado stripe set.
    • Quando o stripe set é criado, divide-se cada disco em pedaços (stripes.

Sempre que um arquivo é gravado, seus dados são espelhados simultaneamente pelos stripes dos diversos discos.

• RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) – envolve a técnica de espelhamento e striping e definem diferentes níveis para melhoria do desempenho e segurança de armazenamento de dados em dicos.

Lista de Exercícios

Formulário

1. Defina o que é a Gerência de Dispositivos.
2. O que são, como funcionam e quais são os tipos de operações de Entrada/Saída?
3. O que é o Subsistema de Entrada/Saída e quais suas funções?
4. O que são os Devices Drivers e para que servem?
5. O que são controladores (ou interfaces)?
6. Como funcionam o controladores?
7. O que é SCSI e para que serve?
8. O que são os Dispositivos de Entrada/Saída, diferencie os tipos quanto a Entrada e Saída e quanto a sua estrutura, dando exemplos de cada.
9. Descreva como são os Discos Magnéticos e seu funcionamento.
10. O que é RAID e para que serve?
11. Explique as técnicas de Espelhamento e Striping para aumentar o desempenho e segurança do armazenamento de dados em disco.