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Unidad 5


Gestión de E/S y planificación de
             discos
Categorías de dispositivos de
        entrada/salida
• Dispositivos legibles por los humanos:
  – Apropiados para la comunicación con el
    usuario.
  – Impresoras.
  – Terminales de vídeo:
     • Pantalla.
     • Teclado.
     • Ratón.
Categorías de dispositivos de
        entrada/salida
• Dispositivos legibles por la máquina:
  – Adecuados para comunicarse con equipos
    electrónicos.
  – Discos y unidades de cinta.
  – Sensores.
  – Controladores.
  – Impulsores.
Categorías de dispositivos de
        entrada/salida
• Dispositivos de comunicaciones:
  – Apropiados para comunicarse con
    dispositivos lejanos.
  – Adaptadores de líneas digitales.
  – Módem.
Diferencias entre las clases de
     dispositivos de E/S
• Velocidad de los datos:
  – Puede haber una diferencia de varios
    órdenes de magnitud en las velocidades de
    transmisión de datos.
Ethernet de gigabit

  Pantalla gráfica

      Disco duro

         Ethernet


     Disco óptico

         Escáner

  Impresora láser

   Disco flexible

          Módem

           Ratón

         Teclado

                      101   102        103         104         105          106      107        108   109

                                                     Velocidad de datos (bps)


                            Figura 11.1. Velocidades de datos de dispositivos de E/S típicos.
Diferencias entre las clases de
     dispositivos de E/S
• Aplicaciones:
  – Un disco que almacena archivos necesita el
    soporte de un software de gestión de
    archivos.
  – Un disco usado como almacén de páginas
    de un sistema de memoria virtual necesita el
    soporte de un software y de un hardware
    especial.
  – Puede que un terminal usado por el
    administrador del sistema tenga una
    prioridad mayor.
Diferencias entre las clases de
     dispositivos de E/S
• Complejidad del control.
• Unidad de transferencia:
  – Los datos pueden transmitirse como flujos
    de bytes para un terminal o en bloques
    mayores para un disco.
• Representación de los datos:
  – Esquemas de codificación.
• Condiciones de error:
  – Cada dispositivo responde a los errores de
    diferente manera.
Técnicas para realizar la E/S
• E/S programada:
  – El proceso espera a que termine la
    operación.
• E/S dirigida por interrupciones:
  – Se emite una orden de E/S.
  – El procesador continúa con la ejecución de
    las instrucciones.
  – El módulo de E/S lo interrumpe cuando
    completa su trabajo.
Técnicas para realizar la E/S
• Acceso directo a la memoria (DMA):
  – Un módulo de DMA controla el
    intercambio de datos entre la memoria
    principal y el dispositivo de E/S.
  – El procesador se interrumpe sólo cuando se
    ha transferido el bloque entero.
Evolución de las funciones de
           la E/S
• El procesador controla directamente los
  dispositivos periféricos.
• Se añade un controlador o módulo de
  E/S:
  – El procesador utiliza E/S programada sin
    interrupciones.
  – El procesador se aisla de los detalles
    específicos de las interfaces con
    dispositivos externos.
Evolución de las funciones de
           la E/S
• Controlador o módulo de E/S con
  interrupciones:
  – El procesador no tiene que desperdiciar
    tiempo esperando a que se realice una
    operación de E/S.
• Acceso directo a la memoria:
  – Se puede mover un bloque de datos a la
    memoria sin que intervenga el procesador.
  – El procesador sólo interviene al principio y
    al final de la transferencia.
Evolución de las funciones de
           la E/S
• El módulo de E/S es un procesador
  separado.
• Procesador de E/S:
  – El módulo de E/S posee su propia memoria
    local.
  – Es un computador independiente.
Acceso directo a la memoria
• Toma el control del sistema desde la CPU para
  transferir datos desde y hacia la memoria a
  través del bus del sistema.
• Se utiliza el robo de ciclos para transferir datos
  a través del bus del sistema.
• El ciclo de instrucción se suspende para dar
  paso a la transferencia de datos.
• La CPU espera un ciclo del bus.
• No existe interrupción alguna:
   – No salva el contexto.
DMA

                                     Cuenta
                                     de datos

                                    Registros
      Líneas de datos
                                    de datos

                                    Registros
      Líneas de                    de dirección
     direcciones

   Solicitud de DMA
Reconocimiento de
     DMA                             Lógica
          Interrupció
               n
              Lectura               de control
             Escritur
                 a




         Figura 11.2. Diagrama de bloques de un DMA típico.
DMA
• El robo de ciclos hace que la CPU
  ejecute más lentamente.
• El número de ciclos de bus requeridos se
  puede acortar mediante la integración de
  las funciones del DMA y de la E/S.
• Debe haber un camino entre el módulo
  de DMA y el módulo de E/S que no
  pasen por el bus del sistema.
Tiempo


                                      Ciclo de instrucción

      Ciclo del     Ciclo del      Ciclo del     Ciclo del     Ciclo del     Ciclo del
     procesador    procesador     procesador    procesador    procesador    procesador


         Leer      Descodificar     Leer          Ejecutar    Almacenar    Interrupción
     instrucción   instrucción    operando      instrucción   resultado     del proceso




                            Puntos de                             Puntos de ruptura
                        ruptura por DMA                            por interrupción




Figura 11.3. Puntos de ruptura por DMA y por interrupción en un ciclo de instrucción.
DMA


     Procesador   DMA           E/S                        E/S   Memoria

                        (a) DMA separada de bus sencillo


- Estructura sencilla y barata.

- El módulo realiza la transferencia entre Memoria y los
  dispositivos de E/S a través del módulo DMA, por lo que
  consume 2 ciclos de bus por cada palabra transferida, como en
  la E/S programada
DMA


Procesador   DMA                         DMA                 Memoria

             E/S

                            E/S                        E/S



                   (b) DMA integrada de bus sencillo

- El módulo DMA está conectado directamente a uno o más
  bloques de E/S, de modo que la posibles de DMA. de datos no
           Figura 11.4. Configuraciones
                                        transferencia
  emplea el bus del sistema.

- El intercambio de datos entre DMA y los módulos de E/S
  se realiza fuera del bus de sistema
DMA
                                             Bus del sistema



     Procesador           DMA                                        Memoria


                                                Bus de E/S



                  E/S            E/S                           E/S



                            (c) Bus de E/S

- Los módulos de E/S están conectados al DMA a mediante un bus

- La configuración es fácilmente ampliable de DMA.
               Figura 11.4. Configuraciones posibles

- El intercambio de datos entre DMA y los módulos de E/S se
  realiza fuera del bus de sistema
Canales de E/S

- Extensión del concepto de DMA, donde cada
  canal tiene control absoluto de las operaciones de
  E/S.

- Las instrucciones de E/S se almacenan en
  memoria principal, pero son ejecutadas
  completamente en un procesador de propósito
  específico situado en el propio canal. Tipos:
Canal selector

               Canal de Datos y direcciones
                con la Memoria Principal


             Canal
            Selector
                                 Controlador   Controlador
                                   de E/S        de E/S
Señales de control
   de la CPU
Canal Multiplexor
A la Memoria Principal


                 Canal
               Multiplexor

                                       Controlador
 A la CPU                                de E/S
                                       Controlador
                                         de E/S
                         Controlador
                           de E/S

                         Controlador
                           de E/S
Aspectos de diseño en los
      sistemas operativos
• Eficiencia:
  – La mayoría de los dispositivos de E/S son
    extremadamente lentos en comparación con la
    memoria principal.
  – El uso de la multiprogramación permite que
    algunos procesos esperen en operaciones de
    E/S mientras otro proceso se está ejecutando.
  – La E/S no puede seguir el paso de la actividad
    del procesador.
  – Se utiliza el intercambio para introducir más
    procesos listos, que es una operación de E/S.
Aspectos de diseño en los
     sistemas operativos
• Generalidad:
  – Es preferible gestionar todos los
    dispositivos de E/S de una manera
    uniforme.
  – Oculta la mayoría de los detalles de la E/S
    con dispositivos en rutinas de bajo nivel, de
    forma que los procesos y los niveles
    superiores contemplen a los dispositivos en
    términos generales, como la lectura,
    escritura, apertura, cierre, bloqueo y
    desbloqueo.
Comunicación con un
  dispositivo periférico local
Procesos de
  Usuario


                Trata al dispositivo como un recurso lógico, sin
                preocuparse de los detalles de control del dispositivo
 E/S lógica     particular. Proporciona identificadores y operaciones de
                lectura, escritura, apertura y cierre



  E/S con        Convierte las operaciones en secuencias de instrucciones
dispositivos     de E/S, comandos para el canal y ordenes al controlador

Planificación    Planificación, encolado y control de las operaciones de
  y Control      E/S. Manejo de interrupciones. Se encarga de realizar la
                 comunicación con el hardware.

 Hardware
Dispositivo de comunicaciones
Procesos de
  Usuario




Arquitectura de   Reemplaza a la E/S lógica. Puede constar de varios
                  niveles. Un ejemplo puede ser la arquitectura
Comunicaciones
                  TCP/IP.




  E/S con
dispositivos
Planificación
  y Control

 Hardware
Sistema de archivos
Procesos de
  Usuario
 Gestión de
 directorios
                Traducción de nombres a identificadores de fichero.
 Sistema de     Operaciones que tienen que ver con la gestion de
  Archivos      directorios: Añadir, Borrar, Reorganizar

Organización    Estructura lógica de los archivos. Operaciones
   Física       especificadas por el usuario: Abrir, Cerrar, Leer, Escribir.
                Gestión de derechos de acceso
  E/S con
                Conversión de “direcciones” lógicas a direcciones físicas
dispositivos    del almacenamiento secundario. Asignación de espacio en
Planificación   el almacenamiento secundario (disco) y principal (buffers)
  y Control

 Hardware
Almacenamiento intermedio
         de la E/S
• Razones para el almacenamiento
  intermedio:
  – Los procesos deben esperar a que termine la
    operación de E/S para continuar.
  – Algunas páginas deben permanecer en la
    memoria principal durante la E/S.
Almacenamiento intermedio
         de la E/S
• Dispositivos orientados a bloque:
  – La información se almacena en bloques de
    tamaño fijo.
  – Las transferencias de un bloque se realizan
    cada vez.
  – Se utilizan para los discos y las cintas.
• Dispositivos orientados a flujo:
  – Transfieren los datos como una serie de bytes.
  – Se utilizan para los terminales, impresoras,
    puertos de comunicación, ratones y otros
    dispositivos que no son de almacenamiento
    secundario.
Memoria intermedia sencilla
• El sistema operativo asigna a una
  solicitud de E/S un espacio en la parte
  del sistema de la memoria principal.
• Dispositivos orientados a bloque:
  – Las transferencias de entrada se realizan en
    el espacio del sistema.
  – Cuando sea necesario, el proceso mueve el
    bloque al espacio del usuario.
  – El proceso mueve otro bloque al espacio:
     • Lectura por adelantado.
Almacenamiento intermedio
          de E/S
                                     Sistema operativo                Proceso de usuario

                      Entrar
Dispositivo de E/S



                            (a) Sin almacenamiento intermedio


                                     Sistema operativo                Proceso de usuario

                        Entrar                            Mover
Dispositivo de E/S



                               (b) Almacemiento intermedio sencillo

          Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).
Memoria intermedia sencilla
• Dispositivos orientados a bloque:
  – El proceso de usuario puede procesar un
    bloque de datos mientras se está leyendo el
    siguiente.
  – Se puede dar el intercambio, ya que la
    entrada tiene lugar en la memoria del
    sistema y no en la memoria de usuario.
  – El sistema operativo debe guardar
    constancia de las asignaciones de memorias
    intermedias del sistema a procesos de
    usuario.
Memoria intermedia sencilla
• Dispositivos orientados a flujo:
  – Se aplica por líneas.
  – La entrada del ususario a partir de un
    terminal se realiza por líneas, marcadas con
    un retorno de carro al final de la misma.
  – La salida al terminal es línea a línea.
Memoria intermedia sencilla
Memoria intermedia doble
• Utiliza dos almacenes intermedios del
  sistema en lugar de uno.
• Un proceso puede transferir datos hacia
  o desde una memoria intermedia
  mientras que el sistema operativo vacía
  o rellena el otro.
Memoria intermedia circular
• Se usan más de dos memorias
  intermedias.
• Cada memoria intermedia individual
  constituye una unidad de la memoria
  intermedia circular.
• Se usan cuando las operaciones de E/S
  han de ir al ritmo del proceso.
Almacenamiento intermedio
          de E/S
                                  Sistema operativo                Proceso de usuario

                       Entrar                          Mover
Dispositivo de E/S



                         (c) Almacenamiento intermedio doble


                                  Sistema operativo                Proceso de usuario

                       Entrar                          Mover
Dispositivo de E/S



                          (d) Almacenamiento intermedio circular



        Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).
Parámetros de rendimiento del
            disco
• Para leer o escribir, la cabeza debe
  ponerse en la pista deseada, al comienzo
  del sector pertinente.
• Tiempo de búsqueda:
   – Es el tiempo que se tarda en ubicar la
     cabeza en la pista deseada.
• Retardo o latencia de giro:
   – Es el tiempo que tarda el comienzo del
     sector en llegar hasta la cabeza.
Media del tiempo de una
transferencia de E/S a disco

Espera por        Espera por                              Retardo      Transferencia
                                    Búsqueda
dispositivo         canal                                 de giro        de datos



                                            Dispositivo ocupado




         Figura 11.7. Media del tiempo de una transferencia de E/S a disco.
Parámetros de rendimiento del
            disco
• Tiempo de acceso:
  – Es la suma del tiempo de búsqueda y el
    retardo de giro.
  – Es decir, es el tiempo que se tarda en llegar
    a la posición de lectura o escritura.
• La transferencia de datos tiene lugar a
  medida que el sector se mueve bajo la
  cabeza.
Políticas de planificación del
             disco
• La razón de la diferencia en el
  rendimiento puede encontrarse en el
  tiempo de búsqueda.
• Para un disco sencillo, habrá un número
  de solicitudes de E/S.
• Si se eligen las solicitudes en un orden
  aleatorio, se obtendrá el peor
  rendimiento posible.
Políticas de planificación del
             disco
• Primero en entrar, primero en salir
  (FIFO):
  – Las solicitudes se procesan en un orden
    secuencial.
  – Es una estrategia justa para todos los
    procesos.
  – Esta técnica se parece mucho a la
    planificación aleatoria si hay muchos
    procesos.
Políticas de planificación del
             disco
• Prioridad (PRI):
  – No persigue la optimización del uso del
    disco, sino cumplir con otros objetivos.
  – Los trabajos por lotes que sean cortos tienen
    una prioridad más alta.
  – Proporciona un buen tiempo de respuesta
    interactiva.
Políticas de planificación del
             disco
• Último en entrar, primero en salir
  (LIFO):
  – Buena política para los sistemas de proceso
    de transacciones:
     • El hecho de conceder el dispositivo al último
       usuario acarrea pocos o nulos movimientos del
       brazo.
  – Existe la posibilidad de inanición, ya que
    puede que el trabajo no vuelva a ganar la
    cabeza de la línea.
Políticas de planificación del
             disco
• Primero el tiempo de servicio más corto
  (SSTF):
  – Elegir la solicitud de E/S a disco que
    requiera el menor movimiento posible del
    brazo del disco desde su posición actual.
  – Siempre se elige procurando el mínimo
    tiempo de búsqueda.
Políticas de planificación del
            disco
• SCAN:
  – El brazo sólo se puede mover en un sentido,
    resolviendo todas las solicitudes pendientes
    de su ruta hasta que alcance la última pista
    o hasta que no haya más solicitudes en esa
    dirección.
  – Se produce un cambio en la dirección.
Políticas de planificación del
            disco
• C-SCAN:
  – Restringe el rastreo a una sola dirección.
  – Cuando se haya visitado la última pista en
    un sentido, el brazo vuelve al extremo
    opuesto del disco y comienza a recorrerlo
    de nuevo.
Políticas de planificación del
             disco
• SCAN de N pasos:
  – Divide la cola de solicitudes del disco en
    subcolas de longitud N.
  – Las subcolas se procesan una a una
    mediante un SCAN.
  – Mientras se procesa una cola, se añadirán
    nuevas solicitudes a las otras.
• FSCAN:
  – Emplea dos subcolas.
  – Una de las colas permanece vacía en espera
    de nuevas solicitudes.
Algoritmos de planificación
        del disco
           Tabla 11.3. Algoritmos de planificación de disco [WIED87].



          Nombre                    Descripción                        Comentarios
                       Selección en función del demandante:
 RSS                                                         Para análisis y simulación
                      Planificación aleatoria
 FIFO                 Primero en entrar, primero en salir    El más justo de todos
 PRI                  Prioridad del proceso                  El control se lleva fuera de la gestión de
                                                             la cola del disco
 LIFO                 Último en entrar, primero en salir     Maximiza el uso de recursos y cercanía

                     Selección en función del elemento solicitado:

 SSTF                  Primero el más corto                  Gran aprovechamiento y colas pequeñas
 SCAN                  Recorre el disco de un lado a otro    Mejor distribución del servicio
 C-SCAN                Recorre el disco en un solo sentido   Menor variabilidad en el servicio
                       SCAN de N registros a la vez          Garantía de servicio
 SCAN de N pasos
                       SCAN de N pasos, con N =longitud      Sensible a la carga
 FSCAN                       de la cola al comienzo del
                         ciclo del SCAN
RAID 0 (no redundante)

  banda 0              banda 1          banda 2    banda 3

  banda 4             banda 5            banda 6   banda 7

  banda 8             banda 9           banda 10   banda 11

 banda 12             banda 13          banda 14   banda 15




(a) RAID 0 (no redundante)



                    Figura 11.9A. Niveles RAID.
Disco      Disco      Disco      Disco
Disco lógico        físico 0   físico 1   físico 2   físico 3

banda 0             banda 0    banda 1    banda 2    banda 3
banda 1             banda 4    banda 5    banda 6    banda 7
banda 2             banda 8    banda 9    banda 10   banda 11
banda 3             banda 12   banda 13   banda 14   banda 15
banda 4
 banda 5
banda 6
 banda 7       Software
 banda 8       de gestión
               del vector
 banda 9
banda 10
banda 11
banda 12
banda 13
banda 14
banda 15
RAID 1 (espejo)


banda 0        banda 1   banda 2      banda 3    banda 0    banda 1    banda 2    banda 3
 banda 4      banda 5    banda 6      banda 7    banda 4    banda 5    banda 6    banda 7
banda 8       banda 9    banda 10     banda 11   banda 8    banda 9    banda 10   banda 11

banda 12      banda 13   banda 14     banda 15   banda 12   banda 13   banda 14   banda 15



(b) RAID 1 (espejo)
RAID 2 (redundancia
                  mediante código Hamming)


  b0               b1             b2             b3           F4(b)     F1(b)   F2(b)




(c) RAID 2 (redundancia mediante código
Hamming)

                                          Figura 11.9A. Niveles RAID.
RAID 3 (paridad por
             intercalación de bits)


    b0                  b1                   b2            b3   P(b)




(d) RAID 3 (paridad por intercalación de bits)



                             Figura 11.9B. Niveles RAID.
RAID 4 (paridad por
       intercalación de bloques)

 bloque 0            bloque 1            bloque 2    bloque 3     P(0-3)
 bloque 4            bloque 5            bloque 6    bloque 7     P(4-7)

 bloque 8            bloque 9            bloque 10   bloque 11   P(8-11)
 bloque 12          bloque 13            bloque 14   bloque 15   P(12-15)




(e) RAID 4 (paridad por intercalación de bloques)
RAID 5 (paridad por intercalación
    distribuida de bloques)
   bloque 0            bloque 1            bloque 2             bloque 3     P(0-3)
   bloque 4            bloque 5            bloque 6              P(4-7)     bloque 7
   bloque 8            bloque 9            P(8-11)              bloque 10   bloque 11
  bloque 12           P(12-15)            bloque 13             bloque 14   bloque 15
  P(16-19)            bloque 16           bloque 17             bloque 18   bloque 19




(f) RAID 5 (paridad por intercalación distribuida de bloques)
RAID 6 (redundancia dual)


bloque 0        bloque 1        bloque 2    bloque 3     P(0-3)      Q(0-3)

bloque 4        bloque 5         bloque 6    P(4-7)      Q(4-7)     bloque 7

bloque 8        bloque 9         P(8-11)    Q(8-11)     bloque 10   bloque 11

bloque 12      P(12-15)         Q(12-15)    bloque 13   bloque 14   bloque 15




(g) RAID 6 (redundancia dual)
Cache de disco
• Es una memoria intermedia situada en la
  memoria principal para sectores de
  disco.
• Contiene una copia de algunos sectores
  del disco.
Usado Menos Recientemente
         (LRU)
• Se reemplaza el bloque que ha
  permanecido sin referencias en la cache
  durante más tiempo.
• La cache está formada por una pila de
  bloques.
• El bloque referenciado más
  recientemente está en la cima de la pila.
• Cuando se hace referencia un bloque de
  la cache, se le mueve hasta la cima de la
  pila.
Usado Menos Recientemente
• Cuando se trae un bloque nuevo, se
  elimina el bloque que está en el fondo de
  la pila.
• En realidad estos bloques no se mueven
  por la memoria principal.
• Se utiliza una pila de punteros.
Usado Menos Frecuentemente
         (LFU)
• Se sustituye el bloque que ha sufrido un menor
  número de referencias.
• Se asocia un contador a cada bloque.
• Con cada referencia al bloque, el contador se
  incrementa.
• Cuando hace falta un reemplazo, se selecciona
  el bloque con menor valor del contador.
• Puede que se haga referencia a algunos
  bloques a intervalos cortos de referencias
  repetidas y que, por lo tanto, no necesiten ser
  referenciados nuevamente .
E/S en UNIX SVR4
            Subsistema de archivos




                     Cache de buffers




       Carácter            Bloque
          Gestor de dispositivo




  Figura 11.14. Estructura de la E/S en UNIX.
E/S en WINDOWS 2000
             Gestor de E/S
                   Gestor
                  de cache
             Controladores de
            sistema de archivos

             Controladores de
                   red

              Controladores de
            dispositivos hardware




   Figura 11.16. Gestión de E/S en Windows 2000.

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Unidad5

  • 1. Unidad 5 Gestión de E/S y planificación de discos
  • 2. Categorías de dispositivos de entrada/salida • Dispositivos legibles por los humanos: – Apropiados para la comunicación con el usuario. – Impresoras. – Terminales de vídeo: • Pantalla. • Teclado. • Ratón.
  • 3. Categorías de dispositivos de entrada/salida • Dispositivos legibles por la máquina: – Adecuados para comunicarse con equipos electrónicos. – Discos y unidades de cinta. – Sensores. – Controladores. – Impulsores.
  • 4. Categorías de dispositivos de entrada/salida • Dispositivos de comunicaciones: – Apropiados para comunicarse con dispositivos lejanos. – Adaptadores de líneas digitales. – Módem.
  • 5. Diferencias entre las clases de dispositivos de E/S • Velocidad de los datos: – Puede haber una diferencia de varios órdenes de magnitud en las velocidades de transmisión de datos.
  • 6. Ethernet de gigabit Pantalla gráfica Disco duro Ethernet Disco óptico Escáner Impresora láser Disco flexible Módem Ratón Teclado 101 102 103 104 105 106 107 108 109 Velocidad de datos (bps) Figura 11.1. Velocidades de datos de dispositivos de E/S típicos.
  • 7. Diferencias entre las clases de dispositivos de E/S • Aplicaciones: – Un disco que almacena archivos necesita el soporte de un software de gestión de archivos. – Un disco usado como almacén de páginas de un sistema de memoria virtual necesita el soporte de un software y de un hardware especial. – Puede que un terminal usado por el administrador del sistema tenga una prioridad mayor.
  • 8. Diferencias entre las clases de dispositivos de E/S • Complejidad del control. • Unidad de transferencia: – Los datos pueden transmitirse como flujos de bytes para un terminal o en bloques mayores para un disco. • Representación de los datos: – Esquemas de codificación. • Condiciones de error: – Cada dispositivo responde a los errores de diferente manera.
  • 9. Técnicas para realizar la E/S • E/S programada: – El proceso espera a que termine la operación. • E/S dirigida por interrupciones: – Se emite una orden de E/S. – El procesador continúa con la ejecución de las instrucciones. – El módulo de E/S lo interrumpe cuando completa su trabajo.
  • 10. Técnicas para realizar la E/S • Acceso directo a la memoria (DMA): – Un módulo de DMA controla el intercambio de datos entre la memoria principal y el dispositivo de E/S. – El procesador se interrumpe sólo cuando se ha transferido el bloque entero.
  • 11. Evolución de las funciones de la E/S • El procesador controla directamente los dispositivos periféricos. • Se añade un controlador o módulo de E/S: – El procesador utiliza E/S programada sin interrupciones. – El procesador se aisla de los detalles específicos de las interfaces con dispositivos externos.
  • 12. Evolución de las funciones de la E/S • Controlador o módulo de E/S con interrupciones: – El procesador no tiene que desperdiciar tiempo esperando a que se realice una operación de E/S. • Acceso directo a la memoria: – Se puede mover un bloque de datos a la memoria sin que intervenga el procesador. – El procesador sólo interviene al principio y al final de la transferencia.
  • 13. Evolución de las funciones de la E/S • El módulo de E/S es un procesador separado. • Procesador de E/S: – El módulo de E/S posee su propia memoria local. – Es un computador independiente.
  • 14. Acceso directo a la memoria • Toma el control del sistema desde la CPU para transferir datos desde y hacia la memoria a través del bus del sistema. • Se utiliza el robo de ciclos para transferir datos a través del bus del sistema. • El ciclo de instrucción se suspende para dar paso a la transferencia de datos. • La CPU espera un ciclo del bus. • No existe interrupción alguna: – No salva el contexto.
  • 15. DMA Cuenta de datos Registros Líneas de datos de datos Registros Líneas de de dirección direcciones Solicitud de DMA Reconocimiento de DMA Lógica Interrupció n Lectura de control Escritur a Figura 11.2. Diagrama de bloques de un DMA típico.
  • 16. DMA • El robo de ciclos hace que la CPU ejecute más lentamente. • El número de ciclos de bus requeridos se puede acortar mediante la integración de las funciones del DMA y de la E/S. • Debe haber un camino entre el módulo de DMA y el módulo de E/S que no pasen por el bus del sistema.
  • 17. Tiempo Ciclo de instrucción Ciclo del Ciclo del Ciclo del Ciclo del Ciclo del Ciclo del procesador procesador procesador procesador procesador procesador Leer Descodificar Leer Ejecutar Almacenar Interrupción instrucción instrucción operando instrucción resultado del proceso Puntos de Puntos de ruptura ruptura por DMA por interrupción Figura 11.3. Puntos de ruptura por DMA y por interrupción en un ciclo de instrucción.
  • 18. DMA Procesador DMA E/S E/S Memoria (a) DMA separada de bus sencillo - Estructura sencilla y barata. - El módulo realiza la transferencia entre Memoria y los dispositivos de E/S a través del módulo DMA, por lo que consume 2 ciclos de bus por cada palabra transferida, como en la E/S programada
  • 19. DMA Procesador DMA DMA Memoria E/S E/S E/S (b) DMA integrada de bus sencillo - El módulo DMA está conectado directamente a uno o más bloques de E/S, de modo que la posibles de DMA. de datos no Figura 11.4. Configuraciones transferencia emplea el bus del sistema. - El intercambio de datos entre DMA y los módulos de E/S se realiza fuera del bus de sistema
  • 20. DMA Bus del sistema Procesador DMA Memoria Bus de E/S E/S E/S E/S (c) Bus de E/S - Los módulos de E/S están conectados al DMA a mediante un bus - La configuración es fácilmente ampliable de DMA. Figura 11.4. Configuraciones posibles - El intercambio de datos entre DMA y los módulos de E/S se realiza fuera del bus de sistema
  • 21. Canales de E/S - Extensión del concepto de DMA, donde cada canal tiene control absoluto de las operaciones de E/S. - Las instrucciones de E/S se almacenan en memoria principal, pero son ejecutadas completamente en un procesador de propósito específico situado en el propio canal. Tipos:
  • 22. Canal selector Canal de Datos y direcciones con la Memoria Principal Canal Selector Controlador Controlador de E/S de E/S Señales de control de la CPU
  • 23. Canal Multiplexor A la Memoria Principal Canal Multiplexor Controlador A la CPU de E/S Controlador de E/S Controlador de E/S Controlador de E/S
  • 24. Aspectos de diseño en los sistemas operativos • Eficiencia: – La mayoría de los dispositivos de E/S son extremadamente lentos en comparación con la memoria principal. – El uso de la multiprogramación permite que algunos procesos esperen en operaciones de E/S mientras otro proceso se está ejecutando. – La E/S no puede seguir el paso de la actividad del procesador. – Se utiliza el intercambio para introducir más procesos listos, que es una operación de E/S.
  • 25. Aspectos de diseño en los sistemas operativos • Generalidad: – Es preferible gestionar todos los dispositivos de E/S de una manera uniforme. – Oculta la mayoría de los detalles de la E/S con dispositivos en rutinas de bajo nivel, de forma que los procesos y los niveles superiores contemplen a los dispositivos en términos generales, como la lectura, escritura, apertura, cierre, bloqueo y desbloqueo.
  • 26. Comunicación con un dispositivo periférico local Procesos de Usuario Trata al dispositivo como un recurso lógico, sin preocuparse de los detalles de control del dispositivo E/S lógica particular. Proporciona identificadores y operaciones de lectura, escritura, apertura y cierre E/S con Convierte las operaciones en secuencias de instrucciones dispositivos de E/S, comandos para el canal y ordenes al controlador Planificación Planificación, encolado y control de las operaciones de y Control E/S. Manejo de interrupciones. Se encarga de realizar la comunicación con el hardware. Hardware
  • 27. Dispositivo de comunicaciones Procesos de Usuario Arquitectura de Reemplaza a la E/S lógica. Puede constar de varios niveles. Un ejemplo puede ser la arquitectura Comunicaciones TCP/IP. E/S con dispositivos Planificación y Control Hardware
  • 28. Sistema de archivos Procesos de Usuario Gestión de directorios Traducción de nombres a identificadores de fichero. Sistema de Operaciones que tienen que ver con la gestion de Archivos directorios: Añadir, Borrar, Reorganizar Organización Estructura lógica de los archivos. Operaciones Física especificadas por el usuario: Abrir, Cerrar, Leer, Escribir. Gestión de derechos de acceso E/S con Conversión de “direcciones” lógicas a direcciones físicas dispositivos del almacenamiento secundario. Asignación de espacio en Planificación el almacenamiento secundario (disco) y principal (buffers) y Control Hardware
  • 29. Almacenamiento intermedio de la E/S • Razones para el almacenamiento intermedio: – Los procesos deben esperar a que termine la operación de E/S para continuar. – Algunas páginas deben permanecer en la memoria principal durante la E/S.
  • 30. Almacenamiento intermedio de la E/S • Dispositivos orientados a bloque: – La información se almacena en bloques de tamaño fijo. – Las transferencias de un bloque se realizan cada vez. – Se utilizan para los discos y las cintas. • Dispositivos orientados a flujo: – Transfieren los datos como una serie de bytes. – Se utilizan para los terminales, impresoras, puertos de comunicación, ratones y otros dispositivos que no son de almacenamiento secundario.
  • 31. Memoria intermedia sencilla • El sistema operativo asigna a una solicitud de E/S un espacio en la parte del sistema de la memoria principal. • Dispositivos orientados a bloque: – Las transferencias de entrada se realizan en el espacio del sistema. – Cuando sea necesario, el proceso mueve el bloque al espacio del usuario. – El proceso mueve otro bloque al espacio: • Lectura por adelantado.
  • 32. Almacenamiento intermedio de E/S Sistema operativo Proceso de usuario Entrar Dispositivo de E/S (a) Sin almacenamiento intermedio Sistema operativo Proceso de usuario Entrar Mover Dispositivo de E/S (b) Almacemiento intermedio sencillo Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).
  • 33. Memoria intermedia sencilla • Dispositivos orientados a bloque: – El proceso de usuario puede procesar un bloque de datos mientras se está leyendo el siguiente. – Se puede dar el intercambio, ya que la entrada tiene lugar en la memoria del sistema y no en la memoria de usuario. – El sistema operativo debe guardar constancia de las asignaciones de memorias intermedias del sistema a procesos de usuario.
  • 34. Memoria intermedia sencilla • Dispositivos orientados a flujo: – Se aplica por líneas. – La entrada del ususario a partir de un terminal se realiza por líneas, marcadas con un retorno de carro al final de la misma. – La salida al terminal es línea a línea.
  • 36. Memoria intermedia doble • Utiliza dos almacenes intermedios del sistema en lugar de uno. • Un proceso puede transferir datos hacia o desde una memoria intermedia mientras que el sistema operativo vacía o rellena el otro.
  • 37. Memoria intermedia circular • Se usan más de dos memorias intermedias. • Cada memoria intermedia individual constituye una unidad de la memoria intermedia circular. • Se usan cuando las operaciones de E/S han de ir al ritmo del proceso.
  • 38. Almacenamiento intermedio de E/S Sistema operativo Proceso de usuario Entrar Mover Dispositivo de E/S (c) Almacenamiento intermedio doble Sistema operativo Proceso de usuario Entrar Mover Dispositivo de E/S (d) Almacenamiento intermedio circular Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).
  • 39. Parámetros de rendimiento del disco • Para leer o escribir, la cabeza debe ponerse en la pista deseada, al comienzo del sector pertinente. • Tiempo de búsqueda: – Es el tiempo que se tarda en ubicar la cabeza en la pista deseada. • Retardo o latencia de giro: – Es el tiempo que tarda el comienzo del sector en llegar hasta la cabeza.
  • 40. Media del tiempo de una transferencia de E/S a disco Espera por Espera por Retardo Transferencia Búsqueda dispositivo canal de giro de datos Dispositivo ocupado Figura 11.7. Media del tiempo de una transferencia de E/S a disco.
  • 41. Parámetros de rendimiento del disco • Tiempo de acceso: – Es la suma del tiempo de búsqueda y el retardo de giro. – Es decir, es el tiempo que se tarda en llegar a la posición de lectura o escritura. • La transferencia de datos tiene lugar a medida que el sector se mueve bajo la cabeza.
  • 42. Políticas de planificación del disco • La razón de la diferencia en el rendimiento puede encontrarse en el tiempo de búsqueda. • Para un disco sencillo, habrá un número de solicitudes de E/S. • Si se eligen las solicitudes en un orden aleatorio, se obtendrá el peor rendimiento posible.
  • 43. Políticas de planificación del disco • Primero en entrar, primero en salir (FIFO): – Las solicitudes se procesan en un orden secuencial. – Es una estrategia justa para todos los procesos. – Esta técnica se parece mucho a la planificación aleatoria si hay muchos procesos.
  • 44. Políticas de planificación del disco • Prioridad (PRI): – No persigue la optimización del uso del disco, sino cumplir con otros objetivos. – Los trabajos por lotes que sean cortos tienen una prioridad más alta. – Proporciona un buen tiempo de respuesta interactiva.
  • 45. Políticas de planificación del disco • Último en entrar, primero en salir (LIFO): – Buena política para los sistemas de proceso de transacciones: • El hecho de conceder el dispositivo al último usuario acarrea pocos o nulos movimientos del brazo. – Existe la posibilidad de inanición, ya que puede que el trabajo no vuelva a ganar la cabeza de la línea.
  • 46. Políticas de planificación del disco • Primero el tiempo de servicio más corto (SSTF): – Elegir la solicitud de E/S a disco que requiera el menor movimiento posible del brazo del disco desde su posición actual. – Siempre se elige procurando el mínimo tiempo de búsqueda.
  • 47. Políticas de planificación del disco • SCAN: – El brazo sólo se puede mover en un sentido, resolviendo todas las solicitudes pendientes de su ruta hasta que alcance la última pista o hasta que no haya más solicitudes en esa dirección. – Se produce un cambio en la dirección.
  • 48. Políticas de planificación del disco • C-SCAN: – Restringe el rastreo a una sola dirección. – Cuando se haya visitado la última pista en un sentido, el brazo vuelve al extremo opuesto del disco y comienza a recorrerlo de nuevo.
  • 49. Políticas de planificación del disco • SCAN de N pasos: – Divide la cola de solicitudes del disco en subcolas de longitud N. – Las subcolas se procesan una a una mediante un SCAN. – Mientras se procesa una cola, se añadirán nuevas solicitudes a las otras. • FSCAN: – Emplea dos subcolas. – Una de las colas permanece vacía en espera de nuevas solicitudes.
  • 50. Algoritmos de planificación del disco Tabla 11.3. Algoritmos de planificación de disco [WIED87]. Nombre Descripción Comentarios Selección en función del demandante: RSS Para análisis y simulación Planificación aleatoria FIFO Primero en entrar, primero en salir El más justo de todos PRI Prioridad del proceso El control se lleva fuera de la gestión de la cola del disco LIFO Último en entrar, primero en salir Maximiza el uso de recursos y cercanía Selección en función del elemento solicitado: SSTF Primero el más corto Gran aprovechamiento y colas pequeñas SCAN Recorre el disco de un lado a otro Mejor distribución del servicio C-SCAN Recorre el disco en un solo sentido Menor variabilidad en el servicio SCAN de N registros a la vez Garantía de servicio SCAN de N pasos SCAN de N pasos, con N =longitud Sensible a la carga FSCAN de la cola al comienzo del ciclo del SCAN
  • 51. RAID 0 (no redundante) banda 0 banda 1 banda 2 banda 3 banda 4 banda 5 banda 6 banda 7 banda 8 banda 9 banda 10 banda 11 banda 12 banda 13 banda 14 banda 15 (a) RAID 0 (no redundante) Figura 11.9A. Niveles RAID.
  • 52. Disco Disco Disco Disco Disco lógico físico 0 físico 1 físico 2 físico 3 banda 0 banda 0 banda 1 banda 2 banda 3 banda 1 banda 4 banda 5 banda 6 banda 7 banda 2 banda 8 banda 9 banda 10 banda 11 banda 3 banda 12 banda 13 banda 14 banda 15 banda 4 banda 5 banda 6 banda 7 Software banda 8 de gestión del vector banda 9 banda 10 banda 11 banda 12 banda 13 banda 14 banda 15
  • 53. RAID 1 (espejo) banda 0 banda 1 banda 2 banda 3 banda 0 banda 1 banda 2 banda 3 banda 4 banda 5 banda 6 banda 7 banda 4 banda 5 banda 6 banda 7 banda 8 banda 9 banda 10 banda 11 banda 8 banda 9 banda 10 banda 11 banda 12 banda 13 banda 14 banda 15 banda 12 banda 13 banda 14 banda 15 (b) RAID 1 (espejo)
  • 54. RAID 2 (redundancia mediante código Hamming) b0 b1 b2 b3 F4(b) F1(b) F2(b) (c) RAID 2 (redundancia mediante código Hamming) Figura 11.9A. Niveles RAID.
  • 55. RAID 3 (paridad por intercalación de bits) b0 b1 b2 b3 P(b) (d) RAID 3 (paridad por intercalación de bits) Figura 11.9B. Niveles RAID.
  • 56. RAID 4 (paridad por intercalación de bloques) bloque 0 bloque 1 bloque 2 bloque 3 P(0-3) bloque 4 bloque 5 bloque 6 bloque 7 P(4-7) bloque 8 bloque 9 bloque 10 bloque 11 P(8-11) bloque 12 bloque 13 bloque 14 bloque 15 P(12-15) (e) RAID 4 (paridad por intercalación de bloques)
  • 57. RAID 5 (paridad por intercalación distribuida de bloques) bloque 0 bloque 1 bloque 2 bloque 3 P(0-3) bloque 4 bloque 5 bloque 6 P(4-7) bloque 7 bloque 8 bloque 9 P(8-11) bloque 10 bloque 11 bloque 12 P(12-15) bloque 13 bloque 14 bloque 15 P(16-19) bloque 16 bloque 17 bloque 18 bloque 19 (f) RAID 5 (paridad por intercalación distribuida de bloques)
  • 58. RAID 6 (redundancia dual) bloque 0 bloque 1 bloque 2 bloque 3 P(0-3) Q(0-3) bloque 4 bloque 5 bloque 6 P(4-7) Q(4-7) bloque 7 bloque 8 bloque 9 P(8-11) Q(8-11) bloque 10 bloque 11 bloque 12 P(12-15) Q(12-15) bloque 13 bloque 14 bloque 15 (g) RAID 6 (redundancia dual)
  • 59. Cache de disco • Es una memoria intermedia situada en la memoria principal para sectores de disco. • Contiene una copia de algunos sectores del disco.
  • 60. Usado Menos Recientemente (LRU) • Se reemplaza el bloque que ha permanecido sin referencias en la cache durante más tiempo. • La cache está formada por una pila de bloques. • El bloque referenciado más recientemente está en la cima de la pila. • Cuando se hace referencia un bloque de la cache, se le mueve hasta la cima de la pila.
  • 61. Usado Menos Recientemente • Cuando se trae un bloque nuevo, se elimina el bloque que está en el fondo de la pila. • En realidad estos bloques no se mueven por la memoria principal. • Se utiliza una pila de punteros.
  • 62. Usado Menos Frecuentemente (LFU) • Se sustituye el bloque que ha sufrido un menor número de referencias. • Se asocia un contador a cada bloque. • Con cada referencia al bloque, el contador se incrementa. • Cuando hace falta un reemplazo, se selecciona el bloque con menor valor del contador. • Puede que se haga referencia a algunos bloques a intervalos cortos de referencias repetidas y que, por lo tanto, no necesiten ser referenciados nuevamente .
  • 63. E/S en UNIX SVR4 Subsistema de archivos Cache de buffers Carácter Bloque Gestor de dispositivo Figura 11.14. Estructura de la E/S en UNIX.
  • 64. E/S en WINDOWS 2000 Gestor de E/S Gestor de cache Controladores de sistema de archivos Controladores de red Controladores de dispositivos hardware Figura 11.16. Gestión de E/S en Windows 2000.