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Gerencia de dispositivos - Modulo 4
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07/10/2013
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 1
Sistemas Operacionais
Captulo 12 Gerncia de Dispositivos
Baseado no Livro e Material de Apoio de Arquitetura de Sistemas Operacionais
3 edio - LTC - 2004 Francis Berenger Machado
Luiz Paulo Maia
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 2
Sumrio
Introduo
Acesso ao Subsistema de Entrada e Sada
Subsistema de Entrada e Sada
Device Driver
Controladores
Dispositivos de Entrada e Sada
Discos Magnticos
Desempenho, Redundncia e Proteo de Dados
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 3
Introduo O SO formado por um conjunto de
rotinas que oferece servios aos usurios e
s suas aplicaes (Kernel).
A Gerncia de Dispositivos de Entrada/Sada uma das mais complexas
funes do SO e sua implementao
estruturada atravs de camadas.
A diversidade dos tipos de E/S exige que o SO implemente uma camada chamada de
Subsistema de E/S, com a funo de isolar
a complexibilidade dos dispositivos da
chamada de sistemas de arquivos e da
aplicao, possibilitando ao sistema
manter sua flexibilidade.
As camadas so divididas em dois grupos:
O primeiro visualiza os diversos tipos de dispositivos do sistema de um
modo nico;
O segundo especfico para cada dispositivo
Controladores
Dispositivos de E/ S
Processo
Sistema de Arquivos
Device Drivers
Subsistema de E/ S
Operaes de E/ S
Mo
do
Usu
rio
Mo
do
Ke
rne
l
Independentedo dispositivo
(a)
Dependentedo dispositivo
(b)
SO
FT
WA
RE
HA
RD
WA
RE
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 4
Acesso ao Subsistema de E/S
Device drivers
Dispositivos de E/ S
Comandosde E/ S
Rotinas de E/ S
System calls de E/ S
Aplicao
Bibliotecas
O SO possui um conjunto de rotinas que torna possvel a comunicao com qualquer dispositivo que possa ser conectado ao computador. Essas rotinas so denominadas de Rotinas de Entrada/Sada e fazem parte do Subsistema de E/S.
As operaes de E/S so realizadas atravs de System Calls que chamam as rotina de E/S do ncleo do SO.
Dessa forma, possvel escrever um programa que manipule arquivos, estejam eles em disquetes, discos rgidos, CDs, fitas magnticas, sem ter que alterar o cdigo para cada tipo de dispositivo.
As System Calls responsveis pois essa comunicao so chamadas de System Calls de Entrada/Sada, e um de seus objetivos simplificar a interface entre as aplicaes e os dispositivos.
Operaes de E/S
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 5
Subsistema de E/S
Responsvel por realizar as funes comuns a todos os tipos de dispositivos, ficando os aspectos
especficos de cada perifrico como
responsabilidade dos device drivers
Criar uma unidade lgica de transferncia independente do dispositivo
Tratamento de erros nas operaes de E/S
Mecanismo de proteo de acesso aos dispositivos
Bufferizao
Interface padronizada com os device drivers
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 6
Device Drivers
Processo
Driver deImpressora
Subsistema de E/ S
Driver deDisco
Driver deFita
O Device Driver ou somente Driver, tem como funo implementar a comunicao do subsistema de E/S com os dispositivos atravs de Controladores.
Os Drivers recebem os comandos gerais sobre os acessos aos dispositivos e traduz para comandos especficos que podero ser acessados pelas funes do Controladores e com isso ele possa entend-las e execut-las.
Cada driver manipula um tipo de dispositivo ou grupo de dispositivos semelhantes e normalmente o SO possui diferentes drivers para cada recurso computacional.
Devido ao grau de dependncia entre os drivers e o restante do Ncleo do SO, os fabricantes desenvolvem para um mesmo dispositivo, diferentes drivers cada um para um SO.
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 7
Device Drivers
Driver de disco
Rotinade E/ S
Driverde Disco
Controladorde Disco
Ler bloco n Ler setor x
Discos
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 8
Controladores
MemriaPrincipal
UCP
Controladorde
Impressora
Controladorde
Disco
Controladorde
Fita
Impressora Disco Fita
So componentes de hardware responsveis por manipular diretamente os dispositivos de E/S.
O Driver comunica-se com os dispositivos atravs dos Controladores.
Ele pode ser uma placa independente conectada a um slot do computador ou implementada na mesma placa do processador.
O Controlador possui memria e registradores prprios.
So utilizados na execuo de instrues enviadas pelo Driver. Em operaes de leitura, armazena em seu buffer interno, uma seqncia de bits provenientes driver at formar um bloco. Aps verificar se no bloco existem erros, transferido para um buffer de E/S na Memria Principal.
A transferncia do bloco para o buffer pode ser realizado por um controlador de DMA.
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 9
Controladores Tcnica de DMA
UCP
Controlador de DMA
Registradores
Buffer
Memria
Principal
Buffer de E/S
Controlador de
Disco
Disco
1
2
3
4
DMA (Direct Memory Acess ou Acesso Direto a Memria), permite que certos dispositivos de hardware acessem a memria para leitura e gravao independentemente.
A tcnica de DMA evita que o processador fique ocupado com a transferncia do bloco para a memria. Pode fazer parte do Controlador ou ser independente.
Exemplos: Controladores de Disco, placas de rede e som. Uma transferncia por DMA copia um bloco de memria de uma dispositivo
para o outro. A UCP inicia a transferncia, mas no a executa.
Alguns padres de Conexo:
SCSI (Small Computer Systens Interface); IDE (Integrated Drive Electronics) ou ATA (Advanced Techology Attachment).
SATA, tecnologias de transferncia
de dados
em srie.
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 10
Controladores
Controlador SCSI
Dis
po
sitivos
SC
SI
UCP
MemriaPrincipal
Dis
po
sitivos
no
-SC
SI
- Discpositivos de E/S padro SCSI
- 1 + 7 Dispositivos
- Alta velocidade
Discos SCSI:
- rotao: 16 500 rpm
- capacidade: 36 Gbs
- transferncia de 5 a 80 Mbs
chegando a 320 Mbs
- Alto custo
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 11
Dispositivos de E/S
Os dispositivos de E/S so utilizados para permitir a comunicao entre o sistema computacional e o
mundo externo: CD-ROM, teclado e mouse,
impressoras e CD-RW
Duas categorias: dispositivos estruturados e dispositivos no-estruturados.
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 12
Dispositivos de E/S
Em funo da forma com que os dados so armazenados, so classificados em:
Dispositivos Estruturados: Armazenam as informaes em blocos de tamanho fixo possuindo cada qual um endereo que pode ser lido/gravado. Ex. Disco rgido.
Seus tipos: Acesso Direto: Quando um bloco pode ser recuperado
atravs de seu endereo.
Acesso Seqencial: Quando para se acessar um bloco, o dispositivo percorre seqencialmente os demais blocos.
Dispositivos no Estruturados: Enviam ou recebem uma seqncia de caracteres sem estar estruturado no formado de um bloco. Ex.: Terminais, impressoras, interfaces de rede.
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 13
Discos Magnticos
Estrutura de um disco magntico
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 14
Cilindros
Mecanismo de Acesso
Braos de Acesso
Cabeas de Leitura/Gravao
Discos
Trilhas: Crculos Concntricos para armazenar dados como bits magnetizados.
Setores: Partes de uma trilha, tamanho fixo FBA
Trilha
Discos Magnticos - Caractersticas
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 15
Discos Magnticos
Tempo de acesso
Entre os diversos dispositivos de E/S, os discos magnticos so o principal repositrio de dados.
O tempo utilizado pela leitura e gravao de dados em um disco est em funo de trs fatores:
Tempo de Seek: Tempo do posicionamento do cabeote de leitura/gravao.
Latncia Rotacional: Tempo de espera at que o setor desejado posicione sobre o mecanismo de leitura / gravao.
Tempo de Transferncia: Tempo necessrio para transferir o bloco da Memria Principal para o setor do disco.
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 16
Desempenho, Redundncia e Proteo de Dados
Subsistema de discos:
Sistema Operacional
Sistema Operacional
Software RAID
Desempenho = Tempo Seek + Latncia
+ Tempo Transferncia.
Fatores que impactam:
Fragmentao dos Blocos de Dados; Velocidade da Rotao; Velocidade do Canal;
Na dcada de 80, os pesquisadores desenvolveram tcnicas de gerenciamento de disco para otimizar as operaes de E/S e implementar redundncia e proteo de Dados conhecidos como RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disk).
Uma caracterstica da tcnica de RAID a criao de um dispositivo virtual, o Array de Discos.
Consiste em um grupo de discos fsicos que so tratados pelo SO como um nico disco, trazendo mais capacidade de armazenamento, maior desempenho e confiabilidade nos dados armazenados.
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 17
Desempenho, Redundncia e Proteo de Dados
RAID 0 (Striping)
- distribui as operaes de E/S entre diversos discos fsicos visando aumento de desempenho;
- paralelismo nas operaes de leitura ou gravao;
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 18
Desempenho, Redundncia e Proteo de Dados
RAID 1 (Espelhamento / Mirroring)
Que replica todo o contedo do disco principal, chamado de primrios em discos secundrios;
Discos Primrios
Discos Secundrios
ou espelahdos
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Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 19
Desempenho, Redundncia e Proteo
de Dados
RAID 5 (Acesso Independente com Paridade Distribuda)
Distribui dados entre os discos do array e implementa redundncia baseada em paridade, requerendo espao adicional menor para ser implementada.
Paridade: Algortmo para recuperao de um disco danificado atravs das paridades dos outros discos.
Cap. 12 Gerncia de Dispositivos 20
Exerccios
1) Qual a funo do Subsistema de E/S para o SO?
2) Em qual aspecto, a System Calls importante no acesso ao Subsistema de E/S?
3) Diferencie Operaes Sncronas e Assncronas.
4) Descreva a funo dos Devices Drivers.
5) O Controlador responsvel por_______________ complete a frase.
6) A tcnica de DMA facilita em que a execuo dos Controladores?
7) No que consiste os Dispositivos Estruturados?
8) "O tempo utilizado pela leitura e gravao de dados em um disco est em funo de 3 fatores". Explique-os.
9) Como que a tecnologia RAID trabalha? Quais so?
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