Arquitectura de Computadores -...

Arquitectura de Computadores

Tema 6: El subsistema de Entrada/Salida 1

1Arquitectura de Computadores


Departament d’Informàtica de Sistemes i ComputadorsE.P.S.Alcoi


Bloque Temático II: Arquitectura de Computadores

Tema 3: Introducción a la arquitectura de un computadorTema 4: Procesadores segmentadosTema 5: El subsistema de memoriaTema 6: El subsistema de E/STema 7: Computadores SuperescalaresTema 8: Multiprocesadores




Gestión de la Entrada/SalidaPlanificación de discos

El subsistema de Entrada/Salida


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.





Dispositivos legibles por la máquina:• Adecuados para comunicarse con equipos electrónicos.• Discos y unidades de cinta.• Sensores.• Controladores.• Impulsores.



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

Velocidad de datos (bps)

Figura 11.1. Velocidades de datos de dispositivos de E/S típicos.

101 102 103 104 105 106 107 108 109





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.



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.



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.





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 de datos

Registrosde dirección

Lógica de control

Líneas de datos

Líneas de direcciones

Solicitud de DMAReconocimiento de DMA

InterrupciónLectura

Escritura

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 delprocesador

Ciclo delprocesador

Ciclo delprocesador

Ciclo delprocesador

Ciclo delprocesador

Ciclo delprocesador

Leerinstrucción

Leeroperando

Descodificarinstrucción

Ejecutarinstrucción

Almacenarresultado

Interrupcióndel proceso

Puntos deruptura por DMA

Puntos de ruptura por interrupción

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


DMA

Figura 11.4. Configuraciones posibles de DMA.

Procesador DMA E/S E/S Memoria

(a) DMA separada de bus sencillo




DMA

(b) DMA integrada de bus sencillo


Procesador DMA DMA

E/S

E/S E/S

Memoria


DMA


(c) Bus de E/S

Procesador DMA

E/S E/S E/S

Memoria

Bus del sistema

Bus 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.



Procesos de usuario

Procesos de usuario

Procesos de usuario

E/S lógica

E/S condispositivos

E/S condispositivos

E/S condispositivos

Planificacióny control



Arquitectura decomunicaciones

Gestión dedirectorios

Sistema dearchivo

Organizaciónfísica

(a) Dispositivo periférico local (b) Puerto de comunicaciones (c) Sistema de archivos

Figura 11.5. Un modelo de organización de E/S.

Hardware Hardware 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

(a) Sin almacenamiento intermedio

Sistema operativo Proceso de usuario

Dispositivo de E/S

Dispositivo de E/S

Entrar

Entrar Mover

(b) Almacemiento intermedio sencillo

Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).



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.





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 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

Sistema operativo

Proceso de usuario

Proceso de usuario

Dispositivo de E/S

Dispositivo de E/S

Entrar

Entrar Mover

Mover

(c) Almacenamiento intermedio doble

(d) Almacenamiento intermedio circular

Figura 11.6. Esquemas de almacenamiento intermedio de E/S (entrada).




Gestión de la Entrada/SalidaPlanificación de discos

El subsistema de Entrada/Salida


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

Figura 11.7. Media del tiempo de una transferencia de E/S a disco.

BúsquedaEspera por dispositivo

Espera porcanal

Retardode giro

Transferenciade datos

Dispositivo ocupado


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.



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.





Prioridad:• 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.



Último en entrar, primero en salir:• 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.





Primero el tiempo de servicio más corto:• 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.



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.





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.



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:

Selección en función del elemento solicitado:

Planificación aleatoria

Primero en entrar, primero en salir

Prioridad del proceso

Último en entrar, primero en salir

Para análisis y simulación

El más justo de todos

El control se lleva fuera de la gestión de

la cola del disco

Maximiza el uso de recursos y cercanía

Primero el más corto

Recorre el disco de un lado a otro

Recorre el disco en un solo sentido

SCAN de N registros a la vez

SCAN de N pasos, con N =longitud de la cola al comienzo del ciclo del SCAN

Gran aprovechamiento y colas pequeñas

Mejor distribución del servicio

Menor variabilidad en el servicio

Garantía de servicio

Sensible a la cargaSCAN de N pasos

FSCAN

C-SCAN

SCANSSTF

LIFO

PRIFIFO

RSS


RAID 0 (no redundante)

Figura 11.9A. Niveles RAID.

banda 0 banda 3banda 2banda 1

banda 7

banda 11

banda 13

banda 9

banda 5

banda 12

banda 8

banda 4

banda 14

banda 10

banda 6

banda 15

(a) RAID 0 (no redundante)



Figura 11.10. Correspondencia de datos para una serie RAID nivel 0.

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 13banda 14

banda 15

banda 1banda 0 banda 2 banda 3

banda 4 banda 5 banda 6 banda 7banda 8 banda 9 banda 10 banda 11

banda 12 banda 13 banda 14 banda 15

Disco lógicoDisco físico 0

Disco físico 1

Disco físico 2

Disco físico 3

Softwarede gestióndel vector

RAID 1 (espejo)

banda 0 banda 1

banda 13

banda 11banda 10

banda 7banda 6

banda 12

banda 8

banda 4

banda 3banda 2

banda 5

banda 9

banda 15banda 14

banda 0

banda 8

banda 1

banda 5

banda 9

banda 13

banda 2

banda 6

banda 10

banda 14 banda 15

banda 11

banda 7

banda 3

banda 12

banda 4

(b) RAID 1 (espejo)




RAID 2 (redundancia mediante código Hamming)


(c) RAID 2 (redundancia mediante código Hamming)

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


RAID 3 (paridad por intercalación de bits)

Figura 11.9B. Niveles RAID.

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

b0 b1 b2 b3 P(b)




RAID 4 (paridad por intercalación de bloques)


(e) RAID 4 (paridad por intercalación de bloques)

bloque 0

bloque 4

bloque 8

bloque 13

bloque 9

bloque 6

bloque 11

bloque 7

bloque 2

bloque 12

bloque 1

bloque 5

bloque 10

bloque 14 bloque 15

bloque 3 P(0-3)

P(4-7)

P(8-11)

P(12-15)


RAID 5 (paridad por intercalación distribuida de bloques)


(f) RAID 5 (paridad por intercalación distribuida de bloques)

bloque 0

P(16-19)

P(12-15)

bloque 4

bloque 8

bloque 12

bloque 1

bloque 5

bloque 9

bloque 16

bloque 2

bloque 6

P(8-11)

bloque 13

bloque 17

P(4-7)

bloque 3

bloque 10

bloque 14

bloque 18

P(0-3)

bloque 7

bloque 11

bloque 15

bloque 19




RAID 6 (redundancia dual)


(g) RAID 6 (redundancia dual)

bloque 0

bloque 4

bloque 8

bloque 7

bloque 11

bloque 2bloque 1

bloque 14bloque 13bloque 12

bloque 5 bloque 6

bloque 3

bloque 10

bloque 15P(12-15)

bloque 9 P(8-11)

Q(12-15)

P(4-7)

Q(8-11)

P(0-3)

Q(4-7)

Q(0-3)


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 estáen 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

Gestorde cache

Controladores desistema de archivos

Controladores dered

Controladores dedispositivos hardware

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

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