Entrada/Salida

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Entrada/Salida

• Capítulo 5

5.1 Hardware de E/S 5.2 Software de E/S 5.3
Estratos del software de E/S 5.4 Dicos 5.5
Relojes 5.6 Terminales de tipo caracter 5.7
Interfaces gráficas 5.8 Terminales de red 5.9
Administración de energía
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Hardware de E/S

• Velocidad de Transferencia
• Algunas velocidades típicas de transferencia

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Controladores de Dispositivos

• Dispositivos de E/S tienen componentes
• componentes mecánicos
• componentes electrónicos
• Los componentes electrónicos son el controlador
  del dispositivo
• pueden manejar múltiples dispositivos
• Tareas del controlador
• convertir flujo de datos seriales en bloques de
  bytes
• corrección de errores
• dejar disponible para la memoria principal

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Operaciones de E/S

• A Instrucciones especiales de entrada y salida
  soportadas por el procesador
• Definición de la atención de eventos de E/S
  seteo del estado de un dispositivo.
• Operación de un evento de E/S
• Término de la operación de E/S, seteo del estado
  del dispositivo.
• B Mapeo en memoria (Memory-Mapped)reservar
  zonas de memoria para dispositivos de E/S
• lecturas/escrituras en estas zonas permiten
  acceder al controlador o a los datos de un
  dispositivo de E/S

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E/S Mapeada en Memoria (1)
2 espacios de dir.
1 espacio de dir.
2 espacios de dir.
0xFF
0xFF
0xFF
Puertos E/S
RAM
Puertos E/S
RAM
RAM
Puertos E/S
Puertos E/S
0
0
0
(a)
(b)
(c)

• Separación de E/S y espacio de memoria
• E/S mapeada en memoria
• Sistema híbrido

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E/S, Memoria, y Transferencia de Datos

• (a) Arquitectura de bus simple
• (b) Arquitectura de bus dual

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Fundamentos del Software de E/SObjetivos

• Independencia del Dispositivo
• Programas puede acceder a cualquier dispositivo
  de E/S sin especificarlo a priori
• Nomenclatura uniforme
• nombre de un archivo o dispositivo como string o
  número
• independiente de la máquina
• Manejo de errores
• manejo tan cercano al hardware como sea posible

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Otros Aspectos del Software de E/S

• Transferencias sincrónicas vs. asincrónicas
• transferencias bloqueantes vs. por
  interrupciones
• Buffering
• la data proveniente de un dispositivo no puede
  ser almacenada en su destino final
• Dispositivos compartidos vs. dedicados
• discos son de tipo compartido
• cintas son del tipo dedicadas

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Procedimientos de E/S

• CPU rápida ?? dispositivos de E/S lentos
• CPU-drivenInstrucción de E/S muy lenta o una
  espera ociosala ejecución tarda tanto como la
  operación de E/S
• I/O-drivenLa CPU intercambia datos con el
  controlador de E/S e inicia la operación de E/S.
  El controlador efectúa la operación de E/S y
  señaliza cuando termina.
• Direct Memory Access (DMA)La CPU inicializa un
  canal de DMA que transfiere un bloque de memoria
  señalizando al finalizar.

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E/S Programada (1)
string a imprimir
espacio de usuario
página impresa
página impresa
página impresa
A B C D E F G H
A
AB
núcleo
next
next
A B C D E F G H
A B C D E F G H
a)
b)
c)

• Etapas en la impresión de un string

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E/S Programada (2)

• Imprimiendo un string usando E/S programada

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E/S por Interrupciones (1)
1. dispositivo ha finalizado
Controlador de Interrupciones
2. controlador genera interrupción
CPU
3. CPU atiende interrupción
bus

• Activación de Interrupciones

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E/S por Interrupciones (2)
Proceso inicializar controlador comenzar con la
E/S bloquear
Controlador operación de E/S generar una
interrupción
Aparato realizar operación
Continuación después de la interrupción lectura
del estado del controlador. finalizar E/S
RSI desbloquear proceso
hardware / periférico
sistema / procesador
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E/S por Interrupciones (3)
copy_from_user(buffer, p, count)
enable_interrupts() while (printer_status_reg
! READY) printer_data_register p0
scheduler()
if (count 0) unblock_user() else
printer_data_register pi count-- i
acknowledge_interrupt() return_from_interrupt

a)
b)

• Imprimiendo una cadena de caracteres vía
  interrupciones
• código ejecutado al invocar un llamado al sistema
  print
• rutina de servicio de interrupción

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Acceso Directo a Memoria (DMA)

• Operaciones de una transferencia DMA

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E/S Usando DMA
copy_from_user(buffer, p, count)
set_up_DMA_controller() scheduler()
acknowledge_interrupt() unblock_user()
return_from_interrupt()
a)
b)

• Imprimiendo una cadena de caracteres vía DMA
• código ejecutado al invocar un llamado al sistema
  print
• rutina de servicio de interrupción

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Niveles de Software en E/S
software de E/S a nivel de usuario
módulos de E/S del SO independientes del
dispositivo
drivers de dispositivos
manejadores de interrupción
hardware
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Manejadores de Interrupción

• Etapas del software al completar una
  interrupción
• Respaldar registros no respaldados por el
  hardware de interrupción
• Setear el contexto para la rutina de servicio de
  interrupción (RSI)
• Inicializar el stack de la RSI
• reconocer interrupción y re-habilitar
  interrupciones
• restaurar registros salvados
• ejecutar RSI
• setear el contexto de la MMU para próximo proceso
• carga nuevo PCB
• comienza a ejecutar próximo proceso

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Drivers de Dispositivos

• Localización lógica de un driver de dispositivo
• La comunicación entre el driver y el controlador
  de dispositivo es a través del bus

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E/S Independiente del Dispositivo (1)

• Funciones del software de E/S independiente del
  dispositivo

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E/S Independiente del Dispositivo (2)

• Sin un estándar para la interfaz del driver
• Con un estándar para la interfaz del driver

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E/S Independiente del Dispositivo (3)

• (a) input sin buffer
• (b) utilizando un buffer en espacio de usuario
• (c) buffer de núcleo seguido de una copia a
  espacio de usuario
• (d) doble buffer de núcleo

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E/S Independiente del Dispositivo (4)

• Networking puede involucrar muchas copias

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E/S en Espacio de Usuario

• Niveles del software de E/S y las funciones
  principales de cada nivel.

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Discos Duros (1)
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Discos Duros (2)

• sector
• pista
• cilindro
• superficie / cabezal
• cluster

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Discos

• Parámetros del IBM PC floppy disk original y un
  disco duro Western Digital WD 18300

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Sistema RAID
RAIDRedundant Array of Independent (or
Inexpensive) Disks

• Velocidadalmacenamiento distribuido
• Disponibilidad almacenamiento redundante

Niveles en RAID 0 almacenamiento
distribuido 1 almacenamiento redundante 2
almacenamiento distribuido y tolerante a
fallas 3 almacenamiento distribuido y
mejoramiento de la corrección de errores
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RAID (1)
Strip grupo de sectores
lectura paralela
almacenamiento redundante y lectura paralela
corrección de errores

• Raid levels 0 through 2
• Backup and parity drives are shaded

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RAID (2)

• Raid, niveles 3 al 5
• Backups y paridad aparecen sombreados

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CD Hardware (1)

• Estructura de grabación de un CD o CD-ROM

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CD Hardware (2)

• Formato lógico de los datos en un CD-ROM

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Formateo de Discos (1)

• sector de un disco

34
Formateo de Discos (2)
ilustración de la posición de los cilindros
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Formateo de Discos (3)

• sin intercalamiento
• intercalamiento simple
• doble intercalamiento

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Scheduling del Brazo Lecto-Escritor (1)

• Tiempo requerido para leer o escribir un bloque
  está determinado por 3 factores
• tiempo de búsqueda
• tiempo de rotación
• tiempo de transferencia
• Domina el tiempo de búsqueda
• Control de errores lo efectúa el controlador

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Scheduling del Brazo Lecto-Escritor (2)
Requerimientos 34, 10, 32, 28, 7, 25, 13,
Posición actual 20
1
1
2
2
3
3
4
0
5
0
5
0
5
0
5
0
cilindro

• Algoritmo FIFO

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Scheduling del Brazo Lecto-Escritor (3)
Requerimientos 34, 10, 32, 28, 7, 25, 13,
Posición actual 20
1
1
2
2
3
3
4
0
5
0
5
0
5
0
5
0
cilindro

• Algoritmo del menor tiempo de bùsqueda
• Shortest Seek Time First (SSTF)

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Scheduling del Brazo Lecto-Escritor (4)
Requerimientos 34, 10, 32, 28, 7, 25, 13,
Posición actual 20
1
1
2
2
3
3
4
0
5
0
5
0
5
0
5
0

• Algoritmo del Elevador (SCAN)

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Manejo de Errores

• Una pista con sector defectuoso
• Cambiando sector defectuoso por uno de reserva
• Desplazando sectores

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Almacenamiento Estable(mediante discos espejados)

• Efectos del colapso de discos bajo escrituras
  estables

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Relojes (1)

• Típicamente se tienen 2 usos para los relojes
• Reloj de tiempo real
• seteo
• lectura
• actualización automática de la hora y la fecha
• Temporizadores
• seteo
• operación automática
• interrupción del temporizador

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Relojes (2)
00000
5500
5499
5498
5496
.......
00001
5497
00002
timeout
5500

• Un reloj programable (temporizador)

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Temporizadores por Software (1)
cabecera
próxima señal
tiempo actual
4300
3
3
6
2
1

• Simulando múltiples temporizadores
• calendarización ordenado por tiempo
• seteo del temporizador al requerimiento más
  cercano

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Temporizadores por Software (2)

• Disponibilidad de un segundo reloj para
  interrupciones generadas por el usuario
• Se especifica por la aplicación
• No es problema si la frecuencia de interrupción
  es baja
• Temporizadores por software evitan
  interrupciones
• El núcleo comprueba la expiración de
  temporizadores por software antes de retornar a
  modo usuario
• La efectividad depende de la frecuencia de
  entradas al núcleo

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Terminales de Tipo Carácter (1) Terminal RS-232

• Un terminal RS-232 se comunica con la CPU bit por
  bit
• Línea serial bits salen en serie, 1 bit cada
  vez
• Windows usa los puertos COM1 y COM2
• CPU y terminales son completamente independientes

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Terminales de Tipo Carácter (2) Terminal RS-232
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Terminales de Tipo Carácter (3) Terminal RS-232

• Comunicación serial asincrónica
• 1-2 start bits (activar y sincronizar el
  receptor)
• 7 bits de datos
• 1 bit de paridad
• 1-2 stop bits (garantiza una pausa antes del
  próximo frame)

start
start
1
2
3
4
5
6
7
9
stop
49
Terminales de Tipo Carácter (4) Terminal RS-232

• Conjunto de buffers centralizados
• Buffer dedicado para cada terminal

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Monitor (1)
Parallel port

• Monitores mapeados en memoria
• driver escriben en forma directa en RAM de video

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Monitor (2)

• (a) Una imagen de la RAM de video
• simple monochrome display
• character mode

• (b) Corresponding screen
• the xs are attribute bytes

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Teclado

• El teclado envía secuencia de números a la CPU
• el driver hace la conversión a caracteres
• usa una tabla ASCII
• Dependiente del lenguaje
• muchos SO disponen de la carga dinámica de
  códigos de página o keymaps

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Código ASCII

• ISO 7 Bit Code / US ASCII

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Ambientes Gráficos

• Entradas eventos
• mouse
• teclado
• objetos
• Salidas pantalla
• foreground / background
• crear eliminar ventanas
• elementos dentro de una ventana
• gráfica
• diálogos
• ventanas con funciones especiales

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Ambiente de Ventana (1)

• Ejemplo de una ventana ubicada en (200,100) para
  un monitor XGA

56
Ambiente de Ventana (2)

• Estructura de un programa Windows (parte 1)

57
Ambiente de Ventana (3)

• Estructura de un programa Windows (parte 2)

58
Ambiente de Ventana (4)
Grafos de tipo Bitmap

• Despliegue de un rectángulo mediante Rectangle

59
Ambiente de Ventana (5)

• copiando bitmaps mediante BitBlt.
• antes
• después

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Ambiente de Ventana (6)

• Escalabilidad
• Bitmap vs Vectores

61
Terminales de RedX Windows (1)

• Clients and servers in the M.I.T. X Window System

62
XWin-dows(2)

• Estructura de un programa X-Windows

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Administrador de Energía (1)

• Consumo de energía de varios componentes de un
  laptop

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Administrador de Energía (2)

• Operando a máxima velocidad
• Reduciendo el voltaje a la mitad
• reduce la frecuencia del reloj a la mitad,
• reduce la potencia a la cuarta parte

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Administrador de Energía (3)

• Comunicándole al programa que use menos energía
• puede derivar a una reducción de la satisfacción
  del usuario
• Ejemplos
• suprimiendo el color cambiando a modo blanco y
  negro
• reduciendo la resolución en una imagen