Sistemas De E/s

SISTEMAS DE E/S.

El control de los dispositivos conectados a una computadora es una de las principales preocupaciones de los diseñadores de sistemas operativos. Las dos tareas principales de una computadora son la E/S y el procesamiento. El papel del sistema operativo en la E/S consiste en gestionar y controlar las operaciones y dispositivos de E/S. Dentro de estos se encuentran los siguientes:

Hardware de Entrada/Salida.

En general las computadoras tienen una variedad de estos dispositivos que pueden ser clasificados como: dispositivos de almacenamiento (discos, cintas), dispositivos de transmisión (tarjetas de red, módems) y dispositivos de interfaz humana (pantalla, teclado, ratón); todos estos mencionados son respecto a una computadora, pero es importante comprender como se conectan los dispositivos y cómo puede el software controlar el hardware asociado.

Los dispositivos se comunican con los sistemas informáticos enviando señales a través de un punto de conexión o puerto, todo se relaciona si el cable usa la misma cantidad de hilos, es decir, los hilos que son los conectados en el bus para que puedan ser enviados los mensajes; los mensajes son enviados mediante patrones de tensiones eléctricas aplicadas a los hilos. Los bus tienen en común ciertas distribuciones como la llamada conexión en cascada que va desde un punto A →B, desde un punto B→C y el punto C se conecta en el puerto la computadora.

Es muy común ver en la arquitectura de una computadora de los sistemas informáticos como están por dentro algunos cables que conecta el subsistema procesador-memoria con los dispositivos de alta velocidad y un bus de expansión que conecta los dispositivos relativamente lentos, como el teclado y los puertos en serie y paralelo.

Una controladora son componentes electrónicos que permiten controlar un puerto, un bus p un dispositivo, es decir, la parte de un chip dentro de la controladora que controla las señales que transmiten a través de hilos de un puerto en serie. Una controladora de bus se suele implementar mediante una tarjeta de circuitos separada que se inserta en la computadora, esta tarjeta permite procesar los mensajes, como existen algunos dispositivos que tienen sus propias controladoras integradas, almacenamiento cache, almacenamiento en búfer que permiten realizar diversas tareas.

El procesador se comunica con la controladora leyendo y escribiendo patrones de bits en dichos registros, es decir, se lleva a cabo utilizando las instrucciones de E/S especiales que especifican la transferencia de un byte o de una palabra a una dirección de puerto E/S, esta instrucción de E/S configura las líneas de bus para selecciona el dispositivo apropiado y para leer o escribir bits en un registro del dispositivo. En este caso, los registros de control del dispositivo están mapeados en el espacio de direcciones del procesador. La CPU ejecuta las solicitudes utilizando instrucciones estándar de transferencia de datos para leer y escribir los registros de control del dispositivo.

La controladora grafica tiene puertos de E/S para las operaciones básicas de control, pero también dispone de una gran región mapeada en memoria para almacenar el contenido de la pantalla, generándose la imagen de la pantalla que se basa en el contenido de esa memoria. Por otra parte existe una desventaja de los registros de dispositivos mapeados en memoria son vulnerables a las modificaciones accidentales por parte de los programas, por lo tanto la memoria nos ayuda a reducir este riesgo. Un puerto de E/S está compuesto típicamente de cuatro registros: registros de estado, registro de control, registros de entrada de datos, registros de salida de datos.

El registro de estado contiene bits que el host puede leer, es decir, indican si se ha completado la ejecución del comando actual, si hay disponible un byte para ser leído en el registro de entrada de datos o si se ha producido una condición de error en el dispositivo. El registro de control puede ser escrito por el host para iniciar un comando o para cambiar el modo de un dispositivo. El proceso de iteración entre el host y una controladora es muy sencillo, la controladora indica su estado mediante el bit de ocupado en el registro de estado, luego la controladora activa el bit de ocupado cuando está ocupada trabajando y borra el bit de ocupado cuando esta lista para aceptar el siguiente comando. El host indica sus deseos mediante el bit de comando preparado en el registro de comando: el host activa el bit de comando preparado cuando hay disponible un comando para que la controladora lo ejecute. Este bucle se repite para cada byte.

El mecanismo básico de interrupciones funciona cuando el hardware de la CPU tiene una línea de solicitud de interrupción que comprueba después de ejecutar cada instrucción, guardando el estado actual y salta a la rutina de tratamiento de interrupciones situada en una dirección fija de la memoria, esta determina la causa de la interrupción y lleva a cabo el procedimiento necesario, es decir, realizando una restauración del estado y ejecuta una instrucción para volver a situar la CPU en el estado de ejecución anterior a que se produjera la interrupción.

Interfaz de las aplicaciones de E/S.

Al igual que otros problemas complejos de ingeniería del software, la técnica utilizada aquí se basa en los conceptos de abstracción, encapsulamiento y descomposición del software en niveles. Específicamente, podemos abstraer las diferencias de detalle existentes entre los dispositivos de E/S identificando unos cuantos tipos generales de dispositivo. Para acceder a cada tipo general se utiliza un conjunto estandarizado de funciones, es decir, una interfaz. Desafortunadamente para los fabricantes de dispositivos hardware, cada tipo de sistema operativo tiene sus propios estándares en cuanto a la interfaz del controlador de dispositivo. Un dispositivo determinado puede comercializarse junto con múltiples controladores de dispositivo, como por ejemplo controladores para MS-DOS, Windows 95/98, Windows NT/2000 y Solaris.

En lo que respecta al acceso por parte de las aplicaciones, muchas de estas diferencias quedan ocultas gracias al sistema operativo, y los dispositivos se agrupan en unos cuantos tipos convencionales. Los estilos resultantes de acceso al dispositivo han demostrado ser en las prácticas muy útiles y de aplicación general. Aunque las llamadas exactas al sistema pueden diferir de unos sistemas de acceso incluyen la E/S de bloque, la E/S de flujo de caracteres, el acceso a archivos mapeados en memoria y los sockets de red. Los sistemas operativos también proporcionan llamadas especiales al sistema para acceder a unos cuantos dispositivos adicionales, como por ejemplo un reloj

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