CONCEPTOS BASICOS
DE E/S
El
sistema de entrada y salida es la parte del S.O. encargada de la administración
de los dispositivos de E/S.
Comprende
tanto la transferencia entre diversos niveles de la memoria como la
comunicación con los periféricos.
Este
sistema proporciona un medio para tratar los archivos y dispositivos de manera
uniforme, actuando como interfaz entre los usuarios y los dispositivos de e/s
que pueden ser manipulados por órdenes de alto nivel.
El SO debe controlar el
funcionamiento de todos los dispositivos de E/S para alcanzar los siguientes
objetivos:
Facilitar
el manejo de los dispositivos periféricos. Para ello debe ofrecer una interfaz
entre los dispositivos y el resto del sistema que sea sencilla y fácil de
utilizar.
Optimizar
la E/S del sistema, proporcionando mecanismos de incremento de prestaciones
donde sea necesario.
Proporcionar
dispositivos virtuales que permitan conectar cualquier tipo de dispositivos
físicos sin que sea necesario remodelar el sistema de E/S del SO.
Permitir
la conexión de dispositivos nuevos de E/S, solventando de forma automática su instalación usando mecanismos del tipo plug
& play.
CONTROLADORES DE DISPOSITIVOS
Un controlador de dispositivo o manejador de dispositivo (en inglés: device driver, o simplemente driver) es un programa
informático que
permite al sistema operativo interaccionar con un periférico,
haciendo una abstracción del hardware y
proporcionando una interfaz (posiblemente
estandarizada) para utilizar el dispositivo.
aqui va el glosario
despues las que investigamos
Otra estructura simple es la utilizada por la versión original de UNIX, esta consiste de dos partes separadas, el kernel y los programas de sistemas . El kernel fue posteriormente separado en manejadores (drivers) de dispositivos y una serie de interfaces.
El kernel provee el sistema de archivos, la programación de CPU, el administrador de memoria y otras funciones del sistema operativo que responden a las llamadas del sistema enunciadas anteriormente.
La modularizacion de un sistema se puede presentar de varias formas, la mas utilizada es la de capas, la cual consiste en dividir al sistema operativo en un numero de capas. La capa de menor nivel es el hardware y la de mayor nivel es la interfaz con el usuario.
SPOOLING
Es todo aquello producido por el sistema, si la salida no es de calidad entonces el sistema es innecesario una de las salidas puede ser documentos o formularios dependiendo de el objetivo del sistema. Para el diseño de salida de datos también existen ciertos requerimientos como lo son:
Un módulo de E/S permite que el procesador gestione una amplia gama de dispositivos periféricos de una forma similar, ocultando los detalles concretos de temporización, formatos de datos y principios físicos de funcionamiento. El módulo de E/S se conecta con el procesador a través de un conjunto de líneas de datos, dirección y control (un bus). Los datos que se transfieren se almacenan temporalmente en un registro de datos. El estado del módulo se refleja en los bits de un registro de estado. El registro de control permite configurar y programar diferentes funciones en el módulo. Estos dos registros (estado y control) pueden unificarse en uno sólo en módulos simples. Un módulo de E/S dispone de la lógica específica para su conexión con uno o más dispositivos periféricos. En la siguiente figura se muestra la estructura general de un módulo de E/S.
1. Un circuito integrado incorporado dentro de la placa madre.
2. Una tarjeta de expansión que encaja en un socket(ranura) de la placa madre.
El bus PCI es común en PCs modernas, y ha desplazado al bus ISA y al bus VESA (VLB) como buses estándares de expansión. El PCI será eventualmente reemplazado por el PCI Express, que ya es estándar en la mayoría de las nuevas computadoras.
* Las especificaciones PCI incluyen tamaños físicos del bus (incluso del cableado), características eléctricas, cronómetros del bus y protocolos.
despues las que investigamos
- ESTRUCTURA POR CAPAS
Los
sistemas operativos actuales son grandes y complejos, estos deben poseer una
ingeniería correcta para su fácil actualización y para que puedan cumplir su
función correctamente. La estructura es generalmente modular, cada modulo
cumple una función determinada e interactúa con los demás módulos.
Estructura simple o sistema monolitico
El sistema MS-DOS es, sin duda, el mejor sistema operativo para microcomputadoras. Sin embargo, sus interfaces y niveles de funcionalidad no están bien definidos. Los programas de aplicación pueden acceder a operaciones básicas de entrada / salida para escribir directamente en pantalla o discos. Este libre acceso, hace que el sistema sea vulnerable, ya que un programa de aplicación puede eliminar por completo un disco rígido por alguna falla. Además este sistema, también esta limitado al hardware sobre el que corre.
Otra estructura simple es la utilizada por la versión original de UNIX, esta consiste de dos partes separadas, el kernel y los programas de sistemas . El kernel fue posteriormente separado en manejadores (drivers) de dispositivos y una serie de interfaces.
Estructura por capas (layers)
Las nuevas versiones de UNIX se diseñaron para hardware mas avanzado. Para dar mayor soporte al hardware, los sistemas operativos se dividieron en pequeñas partes. Ahora los sistemas operativos tienen mayor control sobre el hardware y las aplicaciones que se ejecutan sobre este.
La modularizacion de un sistema se puede presentar de varias formas, la mas utilizada es la de capas, la cual consiste en dividir al sistema operativo en un numero de capas. La capa de menor nivel es el hardware y la de mayor nivel es la interfaz con el usuario.
La principal ventaja es que cada capa cumple con una serie de funciones y servicios que brinda a las otras capas, esto permite una mejor organización del sistema operativo y una depuración mas fácil de este.
Es una estructura organizada jerarquicamente cada una construidas de menor a mayor.
Cada capa se implementa solo utilizando las operaciones provistas por la capa de nivel inferior. Una capa no necesita saber como se implementan estas funciones, solo necesita saber que operaciones puede realizar.
Los procesos de usuario emiten peticiones de E/S al sistema operativo. Cuando un proceso solicita una operacion de E/S, el sistem operativo prepara dicha operacion y bloquea al proceso hasta que se recibe una interrupcion del controlador del dispositivo indicando que la operacion esta completa.
En el manejo de los dispositivos de E/S es necesario, introducir dos nuevos terminos:
BUFFERING (uso de memoria interna)
Trata de mantener ocupados tanto la CPU como los dispositivos de E/S. Los datos se leen y se almacenan en un buffer, una vez que los datos se han leido y la CPU va a iniciar inmediatamente la operacion con ellos, el dispositivo de entrada es introducido para iniciar inmediatamente la siguiente lectura.
La CPU y el dispositivo de entrada permanecen ocupados. Cuando la CPU este libre para el siguiente grupo de datos, el dispositivo de entrada habra terminado de leerlos. La CPU podra empezar el proceso de los ultimos datos leidos, mientras el dispositivo de entrada iniciara la lectura de los datos siguientes.
Esta forma de procesamiento de denomina spooling, utiliza el disco como un buffer muy grade para leer tan por delante como sea posible de los dispositivos de entrada y para almacenar los ficheros hasta que los dispositivos de salida sean capaces de aceptarlos.
Es una caracteristica utilizada en la mayoria de los sistemas operativos.
Los procesos de usuario emiten peticiones de entrada/salida al sistema operativo. Cuando un proceso solicita una operación de E/S, el sistema operativo prepara dicha operación y bloquea al proceso hasta que se recibe una interrupción del controlador del dispositivo indicando que la operación está completa. Las peticiones se procesan de forma estructurada en las siguientes capas:
- Manejadores de interrupción.
- Manejadores de dispositivos o drivers.
- Software de EIS independiente de los dispositivos. Este software está formado por la parte de alto nivel de los manejadores, el gestor de cache, el gestor de bloques y el servidor de archivos.
- Interfaz del sistema operativo. Llamadas al sistema que usan las aplicaciones de usuario.
El sistema operativo estructura el software de gestión de E/S de esta forma para ofrecer a los usuarios una serie de servicios de E/S independientes de los dispositivos. Esta independencia implica que deben emplearse los mismos servicios y operaciones de E/S para leer datos de un disquete, de un disco duro, de un CD-ROM o de un teclado.
Manejadores de interrupción
Los manejadores de interrupción se encargan de tratar las interrupciones que generan los controladores de dispositivos una vez que éstos están listos para la transferencia de datos o bien han leído o escrito los datos de memoria principal en caso de acceso directo a memoria. Para tratar dicha interrupción se ejecuta el correspondiente manejador de interrupción cuyo efecto es el de salvar los registros, comunicar el evento al manejador del dispositivo y restaurar la ejecución de un proceso (que no tiene por qué ser el interrumpido).
Los manejadores de interrupción suelen hacer algo más que comunicar el evento al manejador de dispositivo. Cuando una interrupción ocurre muy frecuentemente, caso del reloj, o cuando la cantidad de información a transferir es muy pequeña, caso del teclado, sería muy costoso comunicar siempre el evento al manejador de dispositivo asociado. En estos casos, el propio manejador de interrupción registra la ocurrencia del evento, bien mediante el incremento de una variable global para el reloj o la acumulación de caracteres en un buffer del teclado. La notificación al manejador se hace únicamente cada cierto número de ocurrencias del evento, en el caso del reloj, o activando unflag que indica que hay datos en el buffer del teclado.
4.1 MANEJADORES DE DISPOSITIVOS.
Panel de control, despues
en administrador de dispositivos.
Elegimos uno de los dipositivos que tenemos instalados.
En este caso,
elegimos Dispositivos de imágenes,
damos clic derecho en la opción de propiedades.
Después de eso,
aparecen las ventanas siguientes:
4.2
MECANISMOS Y FUNCIONES DE LOS MANEJADORES DE DISPOSITIVOS.
Introducción
Para que un Sistema Operativo sea funcional, eficaz y
eficiente requiere de un sistema de Entrada/Salida de datos, por lo que el
diseño de éste es un aspecto muy importante ya que para que exista la
interacción usuario-máquina, o máquina-máquina es necesario un sistema de
Entrada/Salida de datos, de lo contrario el sistema se consideraría incompleto.
Diseño de Entrada de Datos
Consiste en desarrollar los requerimientos y los pasos a
seguir y la realizacion de los procesos necesarios para colocar los datos de
forma utilizable para el procesamiento es asi como se logra instruir a la
computadora. Existen cinco objetivos/requerimientos que controlan la cantidad
de entrada requerida, a enviar los retrasos, controlar los errores y mantener
la sencillez de los pasos necesarios, estos son:
· Control de calidad de entrada, usando registros y
optimizando puertos, interfaces y controladores.
· Evitar Retrasos
· Evitar errores en los datos
· Evitar pasos adicionales
· Mantener la sencillez del proceso
· Evitar Retrasos
· Evitar errores en los datos
· Evitar pasos adicionales
· Mantener la sencillez del proceso
Diseño de Salida de Datos
Es todo aquello producido por el sistema, si la salida no es de calidad entonces el sistema es innecesario una de las salidas puede ser documentos o formularios dependiendo de el objetivo del sistema. Para el diseño de salida de datos también existen ciertos requerimientos como lo son:
· Que haya distintos niveles de Diseño, tanto lógico como
físico
· Utilización de los datos de requerimientos, así como registros de control, estado y salida.
· Participación de los usuarios.
· Utilización de los datos de requerimientos, así como registros de control, estado y salida.
· Participación de los usuarios.
Estructura de un sistema de
Entrada/Salida: Módulos y Controladores
Las diferencias existentes entre los dispositivos
periféricos han hecho que la unidad de E/S de una computadora se organice en torno
a dos tipos de elementos, unos que soportan las características comunes a todos
los dispositivos (módulos de E/S) y otros específicos para cada periférico que
son los controladores de dispositivo.
Módulos de E/S
Un módulo de E/S permite que el procesador gestione una amplia gama de dispositivos periféricos de una forma similar, ocultando los detalles concretos de temporización, formatos de datos y principios físicos de funcionamiento. El módulo de E/S se conecta con el procesador a través de un conjunto de líneas de datos, dirección y control (un bus). Los datos que se transfieren se almacenan temporalmente en un registro de datos. El estado del módulo se refleja en los bits de un registro de estado. El registro de control permite configurar y programar diferentes funciones en el módulo. Estos dos registros (estado y control) pueden unificarse en uno sólo en módulos simples. Un módulo de E/S dispone de la lógica específica para su conexión con uno o más dispositivos periféricos. En la siguiente figura se muestra la estructura general de un módulo de E/S.
Controladores de E/S
La estructura del controlador de un dispositivo
tendrá que adaptarse en cada caso a las peculiaridades específicas del
periférico. Unos tendrán que actuar sobre elementos electromecánicos
(impresoras de línea), otros sobre elementos ópticos (CD-ROM), o magnéticos
(discos), etc.
Funciones de los manejadores
de dispositivos
Funciones generalmente realizadas por el
software independiente del dispositivo:
- Interfaz uniforme para los manejadores de dispositivos.
- Nombres de los dispositivos.
- Protección del dispositivo.
- Proporcionar un tamaño de bloque independiente del
dispositivo.
- Uso de buffer.
- Asignación de espacio en los dispositivos por bloques.
- Asignación y liberación de los dispositivos de uso
exclusivo.
- Informe de errores.
Las funciones básicas del software
independiente del dispositivo son:
- Efectuar las funciones de e / s comunes a todos los
dispositivos.
- Proporcionar una interfaz uniforme del software a nivel
usuario.
El software independiente del dispositivo
asocia los nombres simbólicos de los dispositivos con el nombre adecuado.
Un nombre de dispositivo determina de manera única el nodo-i de un archivo especial:
Un nombre de dispositivo determina de manera única el nodo-i de un archivo especial:
- Este nodo-i contiene el número principal del
dispositivo, que se utiliza para localizar el manejador apropiado.
- El nodo-i contiene también el número secundario de
dispositivo, que se transfiere como parámetro al manejador para
determinar la unidad por leer o escribir.
El software independiente del
dispositivo debe:
- Ocultar a los niveles superiores los diferentes tamaños
de sector de los distintos discos.
- Proporcionar un tamaño uniforme de los bloques, por ej.:
considerar varios sectores físicos como un solo bloque lógico.
Al momento de estar manejando dispositivos
de Entrada/Salida pueden surgir varios problemas, algunos que se pueden
resolver, otros simplemente los tenemos que evitar.
Problemas de Uso Compartido
Otro problema que se presenta con
frecuencia, es cuando distintas aplicaciones intentan acceder a un dispositivo
(ya sea para escribir o leer datos) pero éste se encuentra en uso por otro
programa, y el Sistema tiene que bloquearlo, como con el caso de la memoria
protegida, para que sea utilizable hasta que un programa detenga su uso.
Problemas con Buffers
Uno de los principales problemas que se
presenta es el del manejo de buffers, y consiste en determinar tan pronto como
sea posible que un dispositivo de entrada y salida ha finalizado una operación.
Este problema se resuelve mediante las interrupciones. Tan pronto como un
dispositivo entrada y salida acaba con una operación interrumpe a la CPU, en
ese momento la CPU detiene lo que está haciendo e inmediatamente transfiere el
control a una posición determinada.
Problemas al momento de manejar archivos
Uno de los problemas más frecuentes en el
manejo de archivos son los DEADLOCK, un deadlock es una situación no deseada de
espera indefinida y se da cuando en un grupo de procesos, dos o más procesos de
ese grupo esperan por llevar a cabo una tarea que será ejecutada por otro
proceso del mismo grupo, entonces se produce el bloqueo. Los bloqueos se dan
tanto en los sistemas operativos tradicionales como en los distribuidos, solo
que en estos últimos es más difícil de prevenirlos, evitarlos e incluso
detectarlos, y si se los logra detectar es muy complicado solucionarlos ya que
la información se encuentra dispersa por todo el sistema.
Una
vez que un deadlock se detecta, es obvio que el sistema está en problemas y lo
único que resta por hacer es una de dos cosas: tener algún mecanismo de
suspensión o reanudación que permita copiar todo el contexto de un proceso
incluyendo valores de memoria y aspecto de los periféricos que esté usando para
reanudarlo otro día, o simplemente eliminar un proceso o arrebatarle el
recurso, causando para ese proceso la pérdida de datos y tiempo.
Existen también varias causas para que los
dispositivos de E/S presenten errores, como lo son drivers desactualizados y/o
una mala instalación de éstos; que el sistema intente utilizar de una manera
incorrecta/incompatible el dispositivo en cuestión, o daño físico del
periférico.
• Controlador de periférico.
No debe confundirse con Controlador de
dispositivo.
El controlador de periférico o adaptador
de periférico es el componente electrónico de los periféricos de Entrada/Salida
(E/S). El componente mecánico es el dispositivo en sí.
Por lo general, los periféricos de (E/S) o
unidades de E/S consisten en un componente mecánico y un componente
electrónico. A menudo es posible separar las dos porciones para proveer un
diseño más modular y general.
En las computadoras personales, comúnmente
tiene la forma de un chip en la placa base o una tarjeta de circuito integrado
que se puede insertar en una ranura de expansión.
4.4 OPERADORES DE ENTRADA / SALIDA.
DMA: Memoria de Acceso
directo
El acceso directo a memoria (DMA,
del inglés direct memory access) permite a cierto tipo de
componentes de una computadora acceder a la memoria del sistema para
leer o escribir independientemente de la unidad central de
procesamiento (CPU). Muchos sistemas hardware utilizan DMA,
incluyendo controladores de unidades de disco, tarjetas
gráficas y tarjetas de sonido. DMA es una característica esencial en
todos los ordenadores modernos, ya que permite a dispositivos de diferentes
velocidades comunicarse sin someter a la CPU a una carga masiva de
interrupciones.
Una
transferencia DMA consiste principalmente en copiar un bloque de memoria de un
dispositivo a otro. En lugar de que la CPU inicie la transferencia, la
transferencia se lleva a cabo por el controlador DMA. Un ejemplo típico es
mover un bloque de memoria desde una memoria externa a una interna más rápida.
Tal operación no ocupa al procesador y, por ende, éste puede efectuar otras
tareas. Las transferencias DMA son esenciales para aumentar el rendimiento
de aplicaciones que requieran muchos recursos.
IRQ: Interrupt ReQuest=Pedido de interrupción
Como
lo dice la palabra, es un pedido de interrupción de parte de la BIOS
(Basic Input Output System) hacia el CPU, o sea, que deje de hacer
sus tareas (pedido de interrupción) para que pase a procesar lo que necesita un
hardware específico.
Siendo esto la definición de IRQ, vamos a adentrarnos un poco más en su funcionamiento.
Cuando un hardware, impresora por ejemplo, quiere que CPU procese su trabajo, envía una petición de IRQ al chip que maneja las interrupciones IRQ. Este chip puede ser parte de la CPU o estar alojada aparte en el MOBO y lo que hace básicamente es dar prioridad a los pedidos IRQ y habilitarlos o deshabilitarlos según la prioridad asignada.
El funcionamiento es el siguiente: cuando una petición de interrupción llega al CPU, este guarda el estado de lo que estaba haciendo, para pasar a responder el pedido de IRQ y realizar la tarea necesaria (imprimir por ejemplo). Una vez terminada la tarea pedida por el IRQ, toma el flag de estado que guardó anteriormente y continúa. Así sucede con cada una de las tareas que va realizando, pudiendo resolver las tareas.
Siendo esto la definición de IRQ, vamos a adentrarnos un poco más en su funcionamiento.
Cuando un hardware, impresora por ejemplo, quiere que CPU procese su trabajo, envía una petición de IRQ al chip que maneja las interrupciones IRQ. Este chip puede ser parte de la CPU o estar alojada aparte en el MOBO y lo que hace básicamente es dar prioridad a los pedidos IRQ y habilitarlos o deshabilitarlos según la prioridad asignada.
El funcionamiento es el siguiente: cuando una petición de interrupción llega al CPU, este guarda el estado de lo que estaba haciendo, para pasar a responder el pedido de IRQ y realizar la tarea necesaria (imprimir por ejemplo). Una vez terminada la tarea pedida por el IRQ, toma el flag de estado que guardó anteriormente y continúa. Así sucede con cada una de las tareas que va realizando, pudiendo resolver las tareas.
PCI: Peripheral Component Interconnect.
Estándar
que especifica un tipo de bus de una computadora para
adjuntar dispositivos periféricos a
la placa madre.
Esos
dispositivos pueden ser:
1. Un circuito integrado incorporado dentro de la placa madre.
2. Una tarjeta de expansión que encaja en un socket(ranura) de la placa madre.
El bus PCI es común en PCs modernas, y ha desplazado al bus ISA y al bus VESA (VLB) como buses estándares de expansión. El PCI será eventualmente reemplazado por el PCI Express, que ya es estándar en la mayoría de las nuevas computadoras.
* Las especificaciones PCI incluyen tamaños físicos del bus (incluso del cableado), características eléctricas, cronómetros del bus y protocolos.
Son
componentes hardware que se conectan a la placa base de tu ordenador; del
tamaño de una caja de CD más o menos, y una variedad de usos. Todos los
procesos los hace a través del BUS interno de la propia placa base.
Van
instaladas en unas ranuras, generalmente de color blanco y al instalarse las
tarjetas, los conectores quedan preparados en la parte trasera del ordenador.
Antes de instalar la tarjeta PCI, deberemos retirar la tapa ciega que protege
la ranura de la caja para que no entre
suciedad.
