path: root/iso/n6.lyx

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\end_header

\begin_body

\begin_layout Standard
Distinguimos:
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Dispositivos de bloques
\series default
: Dispositivos de almacenamiento en general.
 Almacenan información en bloques de tamaño fijo que podemos leer y escribir
 de forma independiente de los demás.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Dispositivos de caracteres
\series default
: Terminales, impresoras, interfaces de red, ratones, etc.
 Envían o reciben un flujo de caracteres.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Otros, como los relojes, que sólo producen interrupciones periódicas, o
 las tarjetas gráficas mapeadas a memoria en las que la memoria de vídeo
 es parte del espacio de direcciones.
\end_layout

\begin_layout Section
El software de E/S
\end_layout

\begin_layout Standard
Objetivos:
\end_layout

\begin_layout Itemize
Crear conceptos generales que no dependan de las características específicas
 de cada dispositivo.
 Por ejemplo, podemos acceder a un dispositivo de bloques sin importar si
 es un CD-ROM en el que el lector tiene un motor que se debe arrancar y
 parar o un disco duro que está girando continuamente.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Dar a los dispositivos nombres uniformes sin importar sus características.
 En UNIX esto se hace mediante ficheros especiales.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Manejar los errores lo más cerca posible del hardware.
 Si el controlador descubre un error, debe intentar corregirlo.
 Si no puede, debe notificarlo para que lo intente el manejador de dispositivo.
 Si tampoco puede, debe notificarlo al software independiente de E/S.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Convertir las transferencias asíncronas, en que la CPU inicia una transferencia
 y hace otras cosas hasta recibir una interrupción indicando que esta ha
 terminado, en síncronas, más fáciles de programar, en que el programa se
 bloquea hasta que los datos están disponibles
\begin_inset Foot
status open

\begin_layout Plain Layout
Muchos programas usan hilos para volverlas a convertir en asíncronas.
\end_layout

\end_inset

.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Permitir la compartición de recursos para lo que esto es posible (como discos)
 y asignar los de uso exclusivo (como impresoras).
\end_layout

\begin_layout Subsection
Manejadores de interrupciones
\end_layout

\begin_layout Standard
Cuando un proceso inicia una operación de E/S, se bloquea hasta que esta
 termine mediante una llamada al sistema específica o, en el caso de UNIX,
 de forma automática, cediendo la CPU a otro proceso.
 Cuando la operación termina, el controlador envía una interrupción que
 atiende el manejador de interrupciones del sistema operativo, el cual identific
a la interrupción y avisa al manejador de dispositivo correspondiente para
 que elimine el bloqueo del proceso.
 En UNIX, el proceso continuará en su parte de núcleo para terminar la operación.
\end_layout

\begin_layout Subsection
Manejadores de dispositivo o 
\emph on
drivers
\end_layout

\begin_layout Standard
Contienen el código que depende del funcionamiento concreto de los dispositivos,
 con lo que cada uno controla solo un tipo de dispositivo o varios similares.
 En los sistemas monolíticos, para acceder a los registros de las controladoras,
 necesitan ejecutarse en modo núcleo, por lo que se les considera parte
 del núcleo.
\end_layout

\begin_layout Standard
Un manejador recibe solicitudes abstractas que le hace el software independiente
 de dis
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

po
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

si
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

ti
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

vo y verifica la ejecución de estas solicitudes.
 Tras enviar la orden (u órdenes) al dispositivo, el controlador puede tener
 que bloquearse hasta que ocurra una interrupción, o puede que no sea necesario
 porque la operación no conlleve retraso.
 Tras terminar la operación, el manejador debe verificar los errores corrigiendo
 los que pueda e informar al software independiente de dispositivo, y selecciona
r e iniciar alguna solicitud pendiente si tiene o, según el sistema operativo,
 bloquearse en espera de una solicitud.
\end_layout

\begin_layout Standard
El sistema operativo define una interfaz, una serie de funciones genéricas,
 a la que se deben adaptar todos los manejadores.
 Implementar un manejador supone conocer el funcionamiento del sistema operativo
 y el del dispositivo.
 Además muchos manejadores deben ser 
\series bold
reentrantes
\series default
: capaces de ser interrumpidos a mitad de atender una petición de un proceso
 y recibir otra petición sin haber terminado de atender la primera.
\end_layout

\begin_layout Subsection
Software de E/S independiente de dispositivo
\end_layout

\begin_layout Standard
Sus funciones suelen ser:
\end_layout

\begin_layout Itemize
Proporcionar una interfaz uniforme al usuario, seleccionando el manejador
 adecuado en cada caso.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Dar nombre a los dispositivos.
 En Linux cada uno tiene un 
\series bold
número mayor
\series default
, que identifica al manejador, y un 
\series bold
número menor
\series default
, que usa el manejador para identificar el dispositivo concreto.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Evitar accesos no autorizados.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Proporcionar un tamaño de bloque independiente del dispositivo, agrupando
 o dividiendo sectores, si bien esto también lo puede hacer el manejador
 de dispositivo.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Proporcionar 
\emph on
buffers
\emph default
 para:
\end_layout

\begin_deeper
\begin_layout Itemize
Dispositivos de entrada como el teclado que no son capaces de almacenar
 información o la envían antes de que ningún proceso la solicite, en cuyo
 caso el sistema operativo debe guardar la información enviada (en este
 caso, códigos de teclas).
\end_layout

\begin_layout Itemize
Dispositivos de salida como impresoras que no son capaces de procesar informació
n a la velocidad a la que un proceso puede enviarla, por lo que se debe
 ir enviando poco a poco.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Dispositivos de bloques, en los que conviene guardar temporalmente en memoria
 ciertos bloques para acelerar su funcionamiento y permitir a los procesos
 leer o escribir una cantidad arbitraria de bytes.
\end_layout

\end_deeper
\begin_layout Itemize
Asignar y liberar dispositivos de uso exclusivo, aceptando o rechazando
 solicitudes según disponibilidad.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Informar de los errores cuando el manejador de dispositivo no los puede
 solucionar.
\end_layout

\begin_layout Standard
Los sistemas de fichero son independientes de dispositivo y trabajan sobre
 dispositivos de bloques abstractos.
 También hay software de E/S independiente de dispositivo en el espacio
 de usuario:
\end_layout

\begin_layout Itemize
Bibliotecas de E/S, que llevan a cabo las llamadas al sistema.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Sistema de 
\emph on
spooling
\emph default
 para dispositivos de uso exclusivo.
 Por ejemplo, el 
\series bold
demonio
\series default
 de impresión comprueba periódicamente si hay ficheros en el 
\series bold
directorio de 
\emph on
spooling
\series default
\emph default
 y, si es así, los imprime, de modo que el resto de procesos pueden imprimir
 un fichero situándolo (en el formato apropiado) en el directorio de 
\emph on
spooling
\emph default
.
 Esto impide que un proceso mantenga abierto un dispositivo de uso exclusivo
 sin hacer nada con él mientras el resto de procesos esperan, y permite
 eliminar un trabajo antes de que sea procesado, cambiar el orden en que
 se deben tratar los trabajos, etc.
\end_layout

\begin_layout Section
Discos
\end_layout

\begin_layout Standard
Los discos duros están formados por una serie de discos o platos magnéticos
 conectados a un eje común que gira a gran velocidad (por ejemplo, 
\begin_inset Formula $\unit[5400]{RPM}$
\end_inset

) y una serie de cabezas de lectura/escritura, una por cada superficie de
 disco, que pueden leer o escribir sobre la porción de la superficie de
 los platos que está justo debajo o encima de estas, y que están todas conectada
s mediante brazos a un mismo soporte que puede girar en un cierto arco haciendo
 que las cabezas se muevan hacia dentro o fuera sobre la superficie de los
 discos.
\end_layout

\begin_layout Standard
Llamamos 
\series bold
cilindro
\series default
 al conjunto de posiciones del disco accesibles en una cierta posición de
 las cabezas, 
\series bold
pista
\series default
 (
\series bold
circular
\series default
) al subconjunto de estas posiciones sobre una misma superficie de disco
 y 
\series bold
sector
\series default
 a la unidad mínima de lectura y escritura soportada por la controladora,
 con tamaños típicos de entre 
\begin_inset Formula $\unit[512]{B}$
\end_inset

 y 
\begin_inset Formula $\unit[4]{KiB}$
\end_inset

 (siempre potencias de 2), y que corresponde a una porción de pista.
\end_layout

\begin_layout Standard
Cada sector se identifica por la terna de los números de cilindro, cabeza
 y sector dentro de la pista, numerados desde 0, donde los cilindros más
 externos (más alejados del eje) tienen menor número.
 El 
\series bold
tiempo de servicio
\series default
 o 
\series bold
de acceso
\series default
 a un sector es la suma de:
\end_layout

\begin_layout Enumerate

\series bold
Tiempo de búsqueda
\series default
, para colocar las cabezas en el cilindro adecuado.
 El más largo.
\end_layout

\begin_layout Enumerate
Tiempo para activar la cabeza adecuada, despreciable.
\end_layout

\begin_layout Enumerate

\series bold
Tiempo de latencia
\series default
, hasta que los sectores a leer o escribir pasen junto a la cabeza.
\end_layout

\begin_layout Enumerate

\series bold
Tiempo de transmisión
\series default
, de leer o escribir los sectores en sí según van pasando por la cabeza.
\end_layout

\begin_layout Standard
Hoy en día las pistas exteriores de los discos son más largas que las interiores
 y por tanto contienen más sectores, dividiéndose el disco en zonas (anillos
 circulares) en las que cada pista contiene el mismo número de sectores.
 Para que el manejador de disco no tenga que conocer su estructura interna,
 la controladora de disco expone una interfaz a modo de lista contigua de
 bloques.
\end_layout

\begin_layout Standard
Debemos planificar el orden en que se atienden las solicitudes de la cola
 de solicitudes a disco pendientes para reducir el movimiento de las cabezas.
 Como el manejador no conoce la geometría del disco, en vez de la distancia
 entre cilindros se tiene en cuenta la distancia entre direcciones de bloque.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
FCFS
\series default
 (
\emph on
First Come, First Served
\emph default
): Por orden de llegada, da tiempos de servicio grandes.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
SSF
\series default
 (
\emph on
Shortest Seek First
\emph default
): Atiende la solicitud del bloque más cercano al actual.
 No es equitativo, pues atiende enseguida solicitudes de cilindros próximos
 al actual y no otras solicitudes que llegaron antes, y tampoco es óptimo.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
SCAN
\series default
 o 
\series bold
algoritmo del ascensor
\series default
: En un sentido, atiende la solicitud del bloque con el mayor número que
 sea menor al del actual.
 En el otro, la del menor número que sea mayor al del actual.
 Cuando no quedan peticiones en un sentido, cambia al otro.
 Dada cualquier colección de solicitudes, el máximo de movimientos es el
 doble del número de cilindros, evitando la localidad.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
C-SCAN
\series default
 o 
\series bold
SCAN circular
\series default
: En SCAN, cuando las cabezas llegan a un extremo e inviertan el sentido,
 habrá pocas solicitudes en la zona próxima, mientras que en la otra habrá
 muchas y llevarán más tiempo.
 El C-SCAN modifica este algoritmo de modo que, si el sentido es de mayor
 a menor bloque y no hay ninguna solicitud de bloque de número menor, se
 toma el bloque de mayor número y se sigue en el mismo sentido, y lo mismo
 ocurre al revés si el sentido es el otro.
\end_layout

\begin_layout Standard
Si la tecnología cambia, pueden ser necesarios nuevos algoritmos.
 Los discos duros actuales suelen tener una pequeña caché en la controladora
 para leer por adelantado pistas enteras o partes de ellas, por lo que se
 prefiere atender una solicitud que acaba de llegar pero está próxima a
 la última servida antes de otra que lleva más esperando, aunque si lleva
 mucho tiempo esperando se atiende de inmediato.
\end_layout

\begin_layout Standard
La implementación del sistema de ficheros puede tener gran influencia sobre
 las solicitudes, pues no es lo mismo si estos están en un área contigua
 en disco (requiriendo pocos movimientos de las cabezas) o dispersos (muchos
 movimientos), en cuyo caso se podría defragmentar el disco colocando los
 bloques de cada fichero contiguos o próximos.
 También podemos colocar los bloques de datos de directorios próximos a
 los bloques de nodos-i de sus ficheros, como hacen ext2/3/4, XFS o JFS.
\end_layout

\begin_layout Standard
Un 
\series bold
disco RAM
\series default
 es un dispositivo de bloques en que los bloques se almacenan en memoria
 principal, permitiendo acceso instantáneo, con lo que cuando el manejador
 recibe un mensaje para lectura o escritura de un bloque, basta que calcule
 el lugar de la memoria del disco RAM donde se encuentra.
\end_layout

\begin_layout Section
Relojes
\end_layout

\begin_layout Standard
Los relojes más sencillos están sujetos a la línea de corriente alterna
 y provocan una in
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

te
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

rrup
\begin_inset ERT
status open

\begin_layout Plain Layout


\backslash
-
\end_layout

\end_inset

ción por cada ciclo de voltaje (a 50 o 
\begin_inset Formula $\unit[60]{Hz}$
\end_inset

).
 Los 
\series bold
relojes programables
\series default
 constan de un oscilador de cristal de cuarzo que genera una señal periódica
 de 5 a 
\begin_inset Formula $\unit[100]{MHz}$
\end_inset

 o más de muy alta precisión; un contador que a partir de esta señal cuenta
 de forma decreciente hasta 0 y, cuando llega, provoca una interrupción,
 y un registro de carga para actualizar el contador.
\end_layout

\begin_layout Standard
En 
\series bold
modo de disparo único
\series default
, el reloj copia al iniciarse el valor del registro de carga en el contador
 y, cuando este llega a 0, se detiene hasta ser iniciado de nuevo por el
 software, mientras que en 
\series bold
modo de onda cuadrada
\series default
, cuando llega a 0, el registro de carga se copia automáticamente al contador,
 generando interrupciones periódicas llamadas 
\series bold
marcas
\series default
 o 
\series bold
tics de reloj
\series default
.
 Los chips suelen contener 2 o 3 relojes programables independientes, así
 como otras opciones como contar en forma ascendente o desactivar las interrupci
ones.
\end_layout

\begin_layout Standard
El 
\series bold
manejador del reloj
\series default
 se encarga de:
\end_layout

\begin_layout Itemize
Controlar la hora del día, incrementando un contador en cada marca del reloj
 registrando el tiempo transcurrido desde, por ejemplo, el inicio del año
 1970 como se hace en UNIX, momento conocido como 
\emph on
The Epoch
\emph default
 (La Época
\begin_inset Foot
status open

\begin_layout Plain Layout
¿A que al traducirlo pierde toda la gracia?
\end_layout

\end_inset

).
 El contador se puede implementar, por ejemplo, como:
\end_layout

\begin_deeper
\begin_layout Itemize
Contador de marcas.
 Si es de 
\begin_inset Formula $\unit[64]{bits}$
\end_inset

 a 
\begin_inset Formula $\unit[60]{Hz}$
\end_inset

, puede registrar más de 
\begin_inset Formula $\unit[9800]{m.a.}$
\end_inset

.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Contador de segundos y otro de marcas hasta llegar al segundo.
 Si son de 
\begin_inset Formula $\unit[32]{bits}$
\end_inset

 desde 
\emph on
The Epoch
\emph default
, el desbordamiento ocurre en 2106 si se guarda como entero sin signo o
 2038 si se guarda con signo.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Instante de arranque en segundos y contador de marcas desde el arranque.
 Si el contador es de 
\begin_inset Formula $\unit[32]{bits}$
\end_inset

 a 
\begin_inset Formula $\unit[60]{Hz}$
\end_inset

, habrá que reiniciar tras algo más de 2 años y 3 meses.
\end_layout

\begin_layout Standard
Para obtener la fecha al arrancar, el sistema operativo puede pedirla al
 usuario o tomarla del 
\series bold
reloj de tiempo real
\series default
 de la placa base, un pequeño circuito integrado con una pequeña batería
 que mantiene la hora incluso con la máquina apagada.
\end_layout

\end_deeper
\begin_layout Itemize
Controlar el tiempo de ejecución de los procesos, con un contador con el
 valor del 
\emph on
quantum
\emph default
 del proceso en marcas del reloj para llamar al planificador cuando el contador
 llegue a 0.
\end_layout

\begin_layout Itemize
Contabilizar el uso de CPU.
 Una forma es iniciar un segundo reloj cada vez que se asigne la CPU a un
 proceso y leer el valor del contador cuando el proceso deje la CPU para
 añadir el tiempo a un campo en la entrada de la tabla de procesos.
 El reloj debe parar cuando la CPU atienda una interrupción.
 Otra forma más sencilla es incrementar un campo en la tabla de procesos
 por cada marca de reloj, pero esta es menos exacta porque, por ejemplo,
 un proceso puede pasar a usar la CPU justo tras producirse una marca y
 dejarla justo antes de la siguiente y esto no contaría.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Alarmas
\series default
.
 Un proceso en UNIX puede ejecutar la llamada 
\family typewriter
alarm
\family default
 para pedir al sistema operativo que le avise tras un cierto tiempo enviándole
 una señal 
\family typewriter
SIGALRM
\family default
.
 Si el manejador de reloj tiene relojes físicos suficientes, se puede usar
 uno para cada solicitud, pero como esto es improbable se simular relojes
 virtuales.
\begin_inset Newline newline
\end_inset

Una forma es tener una tabla con el tiempo de señalización de cada alarma
 y una variable que indica el tiempo en marcas hasta la próxima señal, de
 modo que al actualizar la hora del día se decrementa esta variable y, si
 llega a 0, se envía la señal al proceso, se busca la siguiente alarma y
 se actualiza la variable.
 Otra forma es tener una lista ligada de alarmas según tiempo de ocurrencias
 en que cada elemento indica el número de marcas de reloj a esperar tras
 la siguiente señal.
\end_layout

\begin_layout Itemize

\series bold
Cronómetros guardianes
\series default
.
 Son alarmas establecidas por el propio sistema operativo.
 Por ejemplo, para acceder a un DVD hay que activar el motor del lector
 y esperar a la velocidad adecuada, por lo que es buena idea dejar el motor
 encendido por un tiempo por si hay más operaciones de E/S y detenerlo si
 pasa un tiempo sin que haya.
 Funcionan como alarmas pero, en vez de provocar una señal, llaman a un
 procedimiento proporcionado por quien hizo la llamada dado que en el núcleo
 no hay señales.
\end_layout

\end_body
\end_document