07/10/2013
Sistemas Operacionais Capítulo 12 Gerência de Dispositivos Baseado no Livro e Material de Apoio de Arquitetura de Sistemas Operacionais 3ª edição - LTC - 2004 Francis Berenger Machado Luiz Paulo Maia
Cap. 12
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Gerência de Dispositivos
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Sumário • • • • • • •
Introdução Acesso ao Subsistema de Entrada e Saída Subsistema de Entrada e Saída Device Driver Controladores Dispositivos de Entrada e Saída Discos Magnéticos Desempenho, Redundância e Proteção de Dados –
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Introdução O SO é formado por um conjunto de rotinas que oferece servios aos usuários e às suas aplicações (Kernel).
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Processo
A Gerência de Dispositivos de Entrada/Saída é uma das mais complexas funções do SO e sua implementação é estruturada através de camadas.
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A diversidade dos tipos de E/S exige que o SO implemente uma camada chamada de Subsistema de E/S, com a função de isolar a complexibilidade dos dispositivos da chamada de sistemas de arquivos e da aplicação, possibilitando ao sistema manter sua flexibilidade.
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E R A W T F O S
As camadas são divididas em dois grupos:
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O primeiro visualiza os diversos tipos de dispositivos do sistema de um modo único; O segundo é específico para cada dispositivo
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o i r á u s U o d o M
l e n r e K o d o M
E R A W D R A H
Operações de E/S
Independente do dispositivo (a)
Sistema de Arquivos
Subsistema de E/ S
Device Drivers Dependente do dispositivo (b) Controladores
Dispositivos de E/S
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Acesso ao Subsistema de E/S Operações de E/S •
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O SO possui um conjunto de rotinas que torna possível a comunicação com qualquer dispositivo que possa ser conectado ao computador. Essas rotinas são denominadas de Rotinas de Entrada/Saída e fazem parte do Subsistema de E/S. As operações de E/S são realizadas através de System Calls que chamam as rotina de E/S do núcleo do SO. Dessa forma, é possível escrever um programa que manipule arquivos, estejam eles em disquetes, discos rígidos, CDs, fitas magnéticas, sem ter que alterar o código para cada tipo de dispositivo. As System Calls responsáveis pois essa comunicação são chamadas de System Calls de Entrada/Saída, e um de seus objetivos é simplificar a interface entre as aplicações e os dispositivos.
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Aplicação
Comandos de E/ S
Bibliotecas
System call s de E/ S
Rotinas d e E/S
Device drivers
Dispositivos de E/ S
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Subsistema de E/S •
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Responsável por realizar as funções comuns a todos os tipos de dispositivos, ficando os aspectos específicos de cada periférico como responsabilidade dos device drivers Criar uma unidade lógica de transferência independente do dispositivo
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Tratamento de erros nas operações de E/S
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Mecanismo de proteção de acesso aos dispositivos
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Bufferização
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Interface padronizada com os device drivers
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Device Drivers •
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O Device Driver ou somente Driver, tem como função implementar a comunicação do subsistema de E/S com os dispositivos através de Controladores. Os Drivers recebem os comandos gerais sobre os acessos aos dispositivos e traduz para comandos específicos que poderão ser acessados pelas funções do Controladores e com isso ele possa entendê-las e executá-las. Cada driver manipula um tipo de dispositivo ou grupo de dispositivos semelhantes e normalmente o SO possui diferentes drivers para cada recurso computacional.
Processo
Subsistema d e E/ S
Driver de Impressora
Driver de Disco
Driver de Fita
Devido ao grau de dependência entre os drivers e o restante do Núcleo do SO, os fabricantes desenvolvem para um mesmo dispositivo, diferentes drivers cada um para um SO.
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Device Drivers •
Driver de disco
Rotina de E/ S
Ler bloco n
Driver de Disco
Ler setor x
Controlador de Disco
Discos
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Controladores •
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São componentes de hardware responsáveis por manipular diretamente os dispositivos de E/S. O Driver comunica-se com os dispositivos através dos Controladores. Ele pode ser uma placa independente conectada a um slot do computador ou implementada na mesma placa do processador.
Memória Principal
UCP
Controlador de Impressora
Controlador de Disco
Controlador de Fita
Impressora
Disco
Fita
O Controlador possui memória e registradores próprios. São utilizados na execução de instruções enviadas pelo Driver. Em operações de leitura, armazena em seu buffer interno, uma seqüência de bits provenientes driver até formar um bloco. Após verificar se no bloco existem erros, é transferido para um buffer de E/S na Memória Principal. A transferência do bloco para o buffer pode ser realizado por um controlador de DMA.
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Controladores Técnica de DMA •
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permite que certos dispositivos de hardware acessem a memória para leitura e gravação independentemente. A técnica de DMA evita que o processador fique ocupado com a transferência do bloco para a memória. Pode fazer parte do Controlador ou ser independente. Exemplos: Controladores de Disco, placas de rede e som. Uma transferência por DMA copia um bloco de memória de uma dispositivo para o outro. A UCP inicia a transferência, mas não a executa. SCSI (Small Computer Systens Interface); IDE (Integrated Drive Electronics) ou ATA (Advanced Techology Attachment). SATA, tecnologias de transferência de dados em série. Buffer de E/S
Memória Principal
UCP
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Buffer
Controlador de Disco
Registradores
Controlador de DMA
3 Disco
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Controladores Controlador SCSI Memória Principal
UCP
I S C S s o v i t i s o p s i D
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I S C S o ã n s o v i t i s o p s i D
Gerência de Dispositivos
- Discpositivos de E/S padrão SCSI - 1 + 7 Dispositivos - Alta velocidade Discos SCSI: - rotação: 16 500 rpm - capacidade: 36 Gbs - transferência de 5 a 80 Mbs chegando a 320 Mbs - Alto custo
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Dispositivos de E/S
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Os dispositivos de E/S são utilizados para permitir a comunicação entre o sistema computacional e o mundo externo: CD-ROM, teclado e mouse, impressoras e CD-RW Duas categorias: dispositivos estruturados e dispositivos não-estruturados.
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Dispositivos de E/S Em função da forma com que os dados são armazenados, são classificados em: •
Dispositivos Estruturados: Armazenam as informações em blocos de tamanho fixo possuindo cada qual um endereço que pode ser lido/gravado. Ex. Disco rígido. Seus tipos: Acesso Direto: Quando um bloco pode ser recuperado através de seu endereço. –
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Acesso Seqüencial: Quando para se acessar um bloco,
o dispositivo percorre seqüencialmente os demais blocos.
Dispositivos não Estruturados: Enviam ou recebem uma seqüência de caracteres sem estar estruturado no formado de um bloco. Ex.: Terminais, impressoras, interfaces de rede.
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Discos Magnéticos Estrutura de um disco magnético
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Discos Magnéticos - Características Trilhas: Círculos Concêntricos para armazenar dados como bits magnetizados.
Cilindros Mecanismo de Acesso
Discos
Braços de Acesso
Trilha Cabeças de Leitura/Gravação Setores: Partes de uma trilha, tamanho fixo FBA
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Discos Magnéticos Tempo de acesso
Entre os diversos dispositivos de E/S, os discos magnéticos são o principal repositório de dados. O tempo utilizado pela leitura e gravação de dados em um disco está em função de três fatores: Tempo do posicionamento do cabeçote de leitura/gravação. Tempo de espera até que o setor desejado posicione sobre o mecanismo de leitura / gravação. •
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Tempo necessário para transferir o bloco da Memória Principal para o setor do disco.
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Desempenho, Redundância e Proteção de Dados Subsistema de discos: Desempenho = Tempo Seek + Latência + Tempo Transferência. Fatores que impactam: Fragmentação dos Blocos de Dados; Velocidade da Rotação; Velocidade do Canal; • •
Sistema Operacional Sistema Operacional Software RAID
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Na década de 80, os pesquisadores desenvolveram técnicas de gerenciamento de disco para otimizar as operações de E/S e implementar redundância e proteção de Dados conhecidos como RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disk). Uma característica da técnica de RAID é a criação de um dispositivo virtual, o Array de Discos. Consiste em um grupo de discos físicos que são tratados pelo SO como um único disco, trazendo mais capacidade de armazenamento, maior desempenho e confiabilidade nos dados armazenados. Cap. 12
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Desempenho, Redundância e Proteção de Dados - distribui as operações de E/S entre diversos discos físicos visando aumento de desempenho; - paralelismo nas operações de leitura ou gravação;
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Desempenho, Redundância e Proteção de Dados Que replica todo o conteúdo do disco principal, chamado de primários em discos secundários;
Discos Primários
Discos Secundários ou espelahdos
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Desempenho, Redundância e Proteção de Dados Distribui dados entre os discos do array e implementa redundância baseada em paridade, requerendo espaço adicional menor para ser implementada. Paridade: Algorítmo para recuperação de um disco danificado através das paridades dos outros discos.
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Exercícios 1) Qual é a função do Subsistema de E/S para o SO? 2) Em qual aspecto, a System Calls é importante no acesso ao Subsistema de E/S? 3) Diferencie Operações Síncronas e Assíncronas. 4) Descreva a função dos Devices Drivers. 5) O Controlador é responsável por_______________ complete a frase. 6) A técnica de DMA facilita em que a execução dos Controladores? 7) No que consiste os Dispositivos Estruturados? 8) "O tempo utilizado pela leitura e gravação de dados em um disco está em função de 3 fatores". Explique-os. 9) Como é que a tecnologia RAID trabalha? Quais são? Cap. 12
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