LOGO UNIVERSIDAD ESTATALPENÍNSULA DE SANTA ELENA

UPSE

CICLO 2 – Capítulo 3

Docente:Ing. Alexis Rocha H., MGTI

Ingeniero en Sistemas ComputacionalesMagíster en Gerencia de Tecnologías de la Información

Email: alefroch22@hotmail.comLa Libertad, Santa Elena, Ecuador

Sistemas Operativos

LOGO Capítulo 3

Unidad 3 – Gestión de Dispositivos

CONTENIDOS3.1. El sistema de Entrada/Salida.3.2. Estrategias de Entrada/Salida.3.3. Manejadores de Dispositivos.3.4. Arquitectura de sistema E/S.3.5. Interfaz de Aplicaciones.3.6. Almacenamiento Secundario.3.7. El reloj, el terminal y la red.3.8. Ejemplos y Aplicaciones.

El sistema de Entrada/Salida Las Aplicaciones utilizan los

dispositivos (devices) para realizar la I/O (E/S), son variados, trabajan de diferentes maneras: secuencialmente (random) transfiriendo datos en forma síncronas o asíncronas, pueden ser de solo lectura (read only) o lectura-escritura (read write), etc.

El SO debe permitir que las aplicaciones puedan utilizar los dispositivos, proveyendo una interfaz que los presente de la manera más simple posible.

Los dispositivos son una de las partes más lentas de un sistema de cómputo, debiendo el SO manejar la situación como para salvar esa diferencia de velocidad.

La función de un SO en los sistemas E/S, es manejar, controlar las operaciones y los dispositivos de E/S.

3.1. El sistema de Entrada/Salida

Función del Sistema Operativo

Controlar la Entrada/Salida

• Enviar comandos a los dispositivos.• Recibir y detectar interrupciones.• Tratar y controlar los errores.• Presentar una interfaz entre los dispositivos y el resto del sistema.

Registros

Puertos de Entrada/Salida

1

Forman parte del espacio normal de direcciones de la memoria.

2

Espacio de direcciones especial para Entrada/Salida.

Operaciones de Entrada/Salida

El SO escribe órdenes y parámetros en los registros. El controlador acepta la orden y empieza a trabajar. El controlador genera una interrupción. El SO mira si la operación se ha realizado

correctamente.

Características de los Dispositivos

Unidad de Transferencia

Velocidad

Representación de los Datos

Protocolos de Comunicación

Operaciones

Errores

UNIDAD DE TRANSFERENCIAUnos dispositivos utilizan el byte como unidad de transferencia (dispositivos de caracteres, como teclado o mouse), otros transfieren y/o almacenan la información en bloques (dispositivos de bloques, como discos y cintas magnéticas) VELOCIDADLos rangos en los que se mueven los dispositivos son muy amplios, los discos y los dispositivos de comunicación transfieren millones de caracteres por segundo y pueden hacerlo a una constante velocidad, mientras que con el teclado se transfieren a unos cuantos caracteres por segundo, con un periodo concreto impredecible. REPRESENTACIÓN DE LOS DATOSUn mismo dispositivo puede utilizar diferentes codificaciones configurables en la instalación, como es el caso del teclado y el mouse. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓNLa comunicación entre el dispositivo y el CPU, se realiza de acuerdo a un determinado protocolo que depende del dispositivo y del bus de comunicación.

OPERACIONESHay dispositivos de entrada, salida, entrada/salida. Algunos dispositivos requieren operaciones específicas (Ej.: posicionar el cabezal de lectura/escritura en los discos). ERRORESLas condiciones de error varían con la naturaleza del dispositivo (Ej.: en la impresora hay que tratar la falta de papel como una situación de error específica, mientras que en un disco puede haber errores en el posicionamiento del cabezal).

Para direccionar los dispositivos, a nivel de Hardware, éstos se conectan al sistema mediante Controladores. El SO ya no trata con el dispositivo en sí mismo, sino con una interfaz que lo representa mediante un conjunto de direcciones o registros del controlador, que se pueden direccionar en el espacio de direcciones de memoria.

El sistema se comunica con el controlador mediante operaciones de lectura/escritura sobre los registros de datos, estado y control, permitiendo la transferencia de información como el diagnóstico y configuración del dispositivo.

Tipos de Entrada/Salida

Dependiendo en gran parte de las características del dispositivo, se distinguen 3 tipos de E/S, en función de cómo el sistema se sincroniza con el controlador. E/S Programada: La sincronización es por Encuesta, se

realiza un bucle de espera activa en la consulta del registro de estado del controlador. Los SO multiprogramados evitan este tipo de operación.

E/S por Interrupciones: El controlador activa una interrupción que permite la comunicación asíncrona del SO, que puede estar realizando otras tareas con el dispositivo. Es la base que permite implementar un sistema operativo multiprogramado.

E/S por DMA: Los dispositivos de bloque, que requieren una tasa de transferencia elevada, utilizan el acceso directo a memoria para las operaciones de E/S, utilizando ciclos de memoria libres (robo de ciclo), apropiándose de los buses de memoria para transferir un bloque completo. Este tipo de E/S implica la utilización de interrupciones para la sincronización con el fin de la transferencia.

Modelo General de la Entrada/Salida

El modelo de entrada/salida tiene como objetivo, por encima de las consideraciones acerca del rendimiento, imponer una estructura determinada al sistema operativo. Sus características fundamentales son: Gestión de la entrada/salida por capas: La entrada

y salida se organiza y gestiona por capas, que responden a diferentes niveles de abstracción.

Esquema Cliente – Servidor: El acceso a los recursos de entrada/salida se coordina de acuerdo al esquema cliente – servidor.

Esquema Cliente - ServidorLas operaciones se especifican desde las aplicaciones mediante las llamadas al sistema, que trabajan con canales o dispositivos lógicos. En general, una llamada al sistema típica (lectura o escritura) especifica de manera explícita o implícita los siguientes parámetros: La operación a realizar (leer, escribir…). El canal sobre el que se realiza la operación. La dirección (o posición) en el dispositivo E/S donde se

accede. Normalmente está implícita (siguiente posición en un fichero) o incluso carece de sentido (lectura de teclado o ratón).

La fuente o destino de la transferencia (dirección de memoria).

La cantidad de información a transferir (longitud). En los sistemas que permiten operaciones síncronas y

asíncronas, se indica esta condición y el evento con el que el programa que solicita la operación se va a sincronizar explícitamente.

El tratamiento de una operación de entrada/salida tiene 2 partes. La primera, independiente del dispositivo, es el código utilizado por la llamada al sistema. Nos referiremos a ella como rutina de E/S. La segunda es el código del driver o manejador del dispositivo, y es dependiente del dispositivo. En nuestro modelo, la implementación del sistema operativo adopta el esquema Cliente – Servidor: las rutinas de E/S, ejecutadas por los procesos de usuario, corresponden a la parte del cliente del servicio, y el manejador, que se ejecuta como un proceso del sistema operativo, a la parte del gestor de la petición. A continuación presentaremos las estructuras de datos que proporcionan la interfaz entre las rutinas de E/S, los manejadores de los dispositivos y que permiten hacer a la rutina de E/S independiente de las particularidades de la gestión del dispositivo.

Representación de la Entrada/Salida

La estructura que proporciona la comunicación entre la rutina de E/S y el manejador del dispositivo, se suele denominar IORB (Bloque de Petición de E/S, I/O Request Block). La rutina de E/S utiliza un IORB para cada petición, conteniendo la siguiente información: Identificación del proceso cliente. Parámetros de la petición. Evento para la sincronización del cliente con el final de la

operación. Diagnóstico de la operación, a establecer por el manejador de

acuerdo al resultado de la operación.

En un sistema operativo donde toda la E/S fuera síncrona, cada proceso dispondría de un IORB único y privado, asociado a su PCB, y el evento puede ir implícito. En un modelo general donde también es posible la E/S asíncrona, cada proceso puede disponer de IORBs de un conjunto, que reservaría en exclusión mutua, y el evento de sincronización sería explícito. En este modelo general, los procesos se bloquean por eventos en vez de por operaciones de E/S.

http://exa.unne.edu.ar/depar/areas/informatica/SistemasOperativos/SO0.htm#IG

Las rutinas de E/S se mantienen independientes del dispositivo gracias a una estructura de datos asociada a cada dispositivo, el descriptor del dispositivo, que se direcciona a través de la tabla de canales, recoge las características del dispositivo y los parámetros propios de la operación con el dispositivo, contiene la siguiente información: Estado del dispositivo. Modo de operación. Tablas de conversión. Apuntador a la cola de peticiones (IORBs) del

dispositivo. Evento asociado al manejador correspondiente.

Estrategias de Entrada/Salida

El uso inapropiado de los dispositivos de E/S, frecuentemente genera ineficiencias del Sistema Operativo.

Proveer interfaces de software abstractas que permitan manipular las operaciones de E/S.

Asegurarse de que haya el mayor solapamiento entre el CPU y los dispositivos.

3.2. Estrategias de Entrada/Salida

Jerarquías de MemoriaRegistros

Memoria RAM

Discos Rígidos

Lectores CD/DVD,

Cintas Magnéticas

< 10 x 10-4 segundos

< 100 x 10-4 segundos

< 50 x 10-4 segundos

> 100 x 10-4 segundos

Manejadores de Dispositivos

Todo el código que depende de los dispositivos aparece en los manejadores de dispositivos.

Cada controlador posee uno o más registros de dispositivos. Se utilizan para darle los comandos. Los manejadores de dispositivos proveen estos comandos y

verifican su ejecución adecuada.

La labor de un manejador de dispositivos es: Aceptar las solicitudes abstractas que le hace el software

independiente del dispositivo. Verificar la ejecución de dichas solicitudes.

Si al recibir una solicitud, el manejador está ocupado, agregará la nueva solicitud a una cola de solicitudes pendientes.

La solicitud de E/S (ej.: un disco), se debe traducir de términos abstractos a términos concretos.

3.3. Manejadores de Dispositivos

El manejador de disco debe: Estimar el lugar donde se encuentra en realidad el bloque

solicitado. Verificar si el motor de la unidad funciona. Verificar si el brazo está colocado en el cilindro adecuado. Debe decidir cuáles son las operaciones necesarias del

controlador y su orden. Envía los comandos al controlador, al escribir en los registros

de dispositivo del mismo. Frecuentemente el manejador del dispositivo se bloquea

hasta que el controlador realiza cierto trabajo; una interrupción lo libera de este bloqueo.

Al finalizar la operación debe verificar los errores. Si todo está correcto, transferirá los datos al software

independiente del dispositivo. Regresa información de estado sobre los errores a quien lo

llamó. Inicia otra solicitud pendiente o queda en espera.

Manejadores y Controladores

• Programa de más bajo nivel que se encarga de los detalles que son dependientes del dispositivo.

Manejador de Dispositivos

• Elemento electrónico de la Unidad de E/S (tarjeta de circuitos impresos, ejemplo: bus, canales E/S)

Controlador de Dispositivos o

Adaptador

Categorías de Dispositivos

DISCOS

TERMINALES

IMPRESORAS

• Bloques de tamaño fijo.• L/E de cada bloque de

forma independiente.• Se puede direccionar cada

bloque

Dispositivos de

Bloque

• Sin estructura de bloques.• L/E de flujos de caracteres.

Dispositivos de

Caracteres

Características: Bloques y Caracteres

BLOQUES La información se almacena en bloques de tamaño fijo. Cada bloque tiene su propia dirección. Los tamaños más comunes de los bloques van desde los 128

bytes hasta los 1024 bytes. Se puede leer o escribir en un bloque de forma

independiente de los demás, en cualquier momento. Un ejemplo típico de dispositivos de bloque son los discos.CARACTERES La información se transfiere como un flujo de caracteres, sin

sujetarse a una estructura de bloques. No se pueden utilizar direcciones. No tienen una operación de búsqueda. Un ejemplo típico de dispositivos de caracter son las

impresoras de línea, terminales, interfaces de una red, mouse, etc.

Algunos dispositivos no se ajustan a este esquema de clasificación, por ejemplo los relojes, que no tienen direcciones por medio de bloques y no generan o aceptan flujos de caracteres.

Arquitectura de Sistema E/S

El sistema de E/S está construido como un conjunto de manejadores apilados, cada uno de los cuales está asociado a un dispositivo de entrada/salida (archivos, red, etc.).

Ofrece a las aplicaciones y entornos de ejecución, servicios genéricos que permiten manejar los objetos de E/S del sistema. A través de ellos se puede acceder a todos los manejadores de archivos y de dispositivos tales como: discos, redes, consola, tarjetas de sonido, etc.

La arquitectura de E/S, es compleja y está estructurada en capas, cada una de las cuales tiene una funcionalidad bien definida.

Archivos: Un archivo o fichero informático es un conjunto de bits almacenado en un dispositivo.

3.4. Arquitectura de sistema E/S

Capas del Sistema E/S

1 •Interfaz del Sistema Operativo para E/S.

2 •Sistema de Archivos.

3 •Gestor de Redes.

4 •Gestor de Bloques.

5 •Gestor de Caché.

6 •Manejadores de dispositivo.

Interfaz del Sistema Operativo:Proporciona servicios de E/S síncrona y asíncrona a las aplicaciones y una interfaz homogénea para poderse comunicar con los manejadores de dispositivo ocultando los detalles de bajo nivel, a la vez pueden proporcionar una interfaz para que el usuario pueda comunicarse entre sí y controla los manejadores que no son comunes entre otros. Sistema de Archivos:Proporcionan una interfaz homogénea, a través del sistema de archivos virtuales, para acceder a todos los sistemas de archivos que proporciona el sistema operativo (FFS, SV, NTFS, FAT, CDFS, etc.) Gestor de Redes:Proporciona una interfaz homogénea para acceder a todos los sistemas de red que proporciona el sistema operativo (TCP/IP, Novell, etc.). Además permite acceder a los manejadores de cada tipo de red particular de forma transparente.

Gestor de Bloques:Los sistemas de archivos y otros dispositivos lógicos con acceso a nivel de bloques se suelen limitar a traducir las operaciones del formato del usuario de bloques que entiende el dispositivo y se las pasan a este gestor de bloques. Gestor de Caché:Optimiza la E/S mediante la gestión de almacenamiento intermedio en memoria para dispositivos de E/S de tipo bloque. Manejadores de Dispositivo:Proporcionan operaciones de alto nivel sobre los dispositivos y las traducen en su ámbito interno a operaciones de control de cada dispositivo particular.Cada uno de estos componentes se considera un objeto del sistema, por lo que habitualmente todos los sistemas operativos permiten modificar el sistema operativo de forma estática o dinámica para reemplazar, añadir o quitar manejadores de dispositivos. Sin embargo, por razones de seguridad no se permite a las aplicaciones de usuario acceder directamente a los dispositivos, sino a través de la interfaz de llamadas al sistema.

Interfaz de Aplicaciones

¿Cómo acceden los procesos al sistema de Entrada/Salida? A través de los servicios del sistema operativo (Llamadas al

Sistema) y de las utilidades que hacen las llamadas al sistema en representación del usuario.

También conocida como API (Application Programming Interface), es el conjunto de funciones y procedimientos (o métodos), que ofrece cierta biblioteca para ser utilizado por otro software como una capa de abstracción, son usadas generalmente en las Librerías.

Representa la capacidad de comunicación entre los componentes de software, se trata del conjunto de llamadas a ciertas bibliotecas que ofrecen acceso a ciertos servicios desde los procesos y representa un método para conseguir abstracción en la programación, entre los niveles o capas inferiores o superiores del software.

Uno de los propósitos de una API consiste en proporcionar un conjunto de funciones de uso general (ej.: usar ventanas o íconos en pantalla), beneficiándose de las ventajas de la API haciendo uso de su funcionalidad.

3.5. Interfaz de Aplicaciones

Problemas del Programador de Aplicaciones

Necesito modificar mi programa cada vez que se necesita acceder a un dispositivo distinto?

Es posible que mi aplicación pueda seguir haciendo otras actividades mientras se está esperando el resultado de una E/S?

Existe alguna manera de evitar que otros programas accedan al mismo recurso que actualmente estoy usando?

Cómo sé si la operación falló y el por qué? Es posible generar código que se pueda portar a otros

sistemas operativos sin cambiar mi código?

Actividad: Temas para Foros de Estudiantes

Firefox OS, Sistema Operativo Móvil de Mozilla. BlackBerry 10, será el mejor sistema operativo móvil del

mercado. Google OS, características y ventajas. iOS, Android, Windows Phone o BlackBerry OS. La interfaz Metro pasaría a llamarse Windows 8. Windows Mobile. Sistemas Operativos Móviles. Symbian OS. Enlaces: http://

www.lavoz.com.ar/noticias/tecnologia/blackberry-10-sera-mejor-sistema-operativo-movil-mercado

http://www.xatakamovil.com/sistemas-operativos/firefox-os-asi-es-el-sistema-operativo-movil-de-mozilla

http://www.prensalibreonline.com.ar/dblog/noticia.asp?id=23441

Almacenamiento Secundario

El almacenamiento secundario (memoria secundaria, memoria auxiliar o memoria externa) es el conjunto de dispositivos y medios (soportes) de almacenamiento, que conforman el subsistema de memoria de una PC, junto a la memoria principal.

No debe confundirse las "Unidades o Dispositivos de Almacenamiento" con los "Medios o Soportes de Almacenamiento", pues los primeros son los aparatos que leen o escriben los datos almacenados en los soportes.

La memoria secundaria es un tipo de almacenamiento masivo y permanente (no volátil), a diferencia de la memoria RAM que es volátil, pero posee mayor capacidad de memoria que la memoria principal, aunque es más lenta.

El proceso de transferencia de datos hacia un equipo de cómputo se llama "procedimiento de lectura".

El proceso de transferencia de datos desde la PC hacia el almacenamiento, se denomina "procedimiento de escritura".

3.6. Almacenamiento Secundario

En la actualidad para almacenar información se usan 3 tecnologías: Magnética (disco duro, diskette, cintas magnéticas) Óptica (CD, DVD, etc.), algunos combinan ambas tecnologías,

es decir, son dispositivos de almacenamiento híbridos. Ej.: discos Zip

Memoria Flash (tarjetas de memorias flash y unidades de estado sólido SSD)

El almacenamiento secundario es una forma permanente, masiva y necesaria para guardar los datos, garantizando la permanencia de datos a falta del suministro continuo de energía, sin embargo, el acceso a la información (datos) es más lento que la memoria primaria.

Características del Almacenamiento Secundario

Capacidad de almacenamiento grande. No se pierde información a falta de alimentación. Altas velocidades de transferencia de información. Mismo formato de almacenamiento que en memoria principal. Siempre es independiente del CPU y de la memoria primaria,

debido a esto, los dispositivos de almacenamiento secundario, también son conocidos como: Dispositivos de Almacenamiento Secundario.

Unidades y Soportes de Almacenamiento Secundario

Tipos de Almacenamiento

Las 2 principales categorías de tecnologías de almacenamiento que se utilizan actualmente son: el almacenamiento magnético y el almacenamiento óptico, aunque algunos utilizan ambas.

Una 3era. categoría de almacenamiento (almacenamiento de estado sólido), se utiliza con mayor frecuencia en los sistemas de computación, pero es más común en cámaras digitales y reproductores multimedia.

En función de la tecnología utilizada por los dispositivos y medios (soportes), el almacenamiento se clasifica en: Almacenamiento Magnético. Almacenamiento Óptico. Almacenamiento Magneto-Óptico (híbrido, disco magneto-

ópticos). Almacenamiento Electrónico o de Estado Sólido (memoria

flash).

ALMACENAMIENTO MAGNÉTICOEs una técnica que consiste en la aplicación de campos magnéticos a ciertos materiales, capaces de reaccionar frente a esta influencia y orientarse en unas determinadas posiciones, manteniéndolas hasta después de dejar de aplicar el campo magnético.Ejemplos: disco duro, cinta magnética.

ALMACENAMIENTO ÓPTICOEn los discos ópticos la información se guarda de una forma secuencial, en una espiral que comienza en el centro del disco. Además de la capacidad, estos discos presentan ventajas como: la fiabilidad, resistencia a los arañazos, la suciedad y los efectos de los campos magnéticos.Ejemplos: CD-ROM, discos de sólo lectura. CD-R, discos de escritura y múltiples lecturas. CD-RW, discos de múltiples escrituras y lecturas. DVD+/-R, discos de capacidad de 4,5Gb. Hasta 9,4Gb., de

escritura y múltiples lecturas. DVD+/-RW, discos de capacidad de 4,5Gb. Hasta 9,4Gb., de

múltiples escrituras y múltiples lecturas. Blu-Ray, tecnología de disco de alta densidad, desarrollada

por Sony, es el nuevo estándar contra el HD-DVD (DVD de alta definición), es superior y hace uso de un láser azul en vez de rojo, siendo más rápido y eficiente que el DVD de alta definición.

El Reloj, el Terminal y la Red

RELOJESLos relojes o cronómetros son esenciales para la operación de sistemas de tiempo compartido. Registran la hora del día. Evitan que un proceso monopolice la CPU.El software para el reloj, toma generalmente la forma de un manejador de dispositivo, aunque no es un dispositivo de bloque ni de caracter.

Los relojes programables tienen varios modos de operación: Modo de una Instancia: Cuando el reloj se inicializa, copia

el valor del registro en el contador, decrementa el contador en cada pulso del cristal., cuando el contador llega a cero provoca una interrupción y se detiene hasta ser nuevamente inicializado por el software.

Modo de Onda Cuadrada: Luego de llegar a cero y provocar la interrupción, el registro se copia de manera automática en el contador, todo el programa se repite en forma indefinida.3.7. El reloj, el terminal y la red

Las interrupciones periódicas se llaman Marcas del Reloj. La ventaja del reloj programable es que su frecuencia de

interrupción puede ser controlada por el software. Evitan que un proceso monopolice la CPU.

Las principales funciones del software manejador del reloj son: Mantener la hora del día o tiempo real. Evitar que los procesos se ejecuten durante más tiempo del

permitido. Mantener un registro del uso del CPU. Controlar llamadas al sistema tipo "alarm", por parte de los

procesos del usuario. Proporcionar cronómetros guardianes de partes del propio

sistema. Realizar resúmenes, monitoreo y recolección de estadísticas.

Hardware de Relojes

Una PC tiene un reloj de hardware alimentado por una batería, esa batería asegura que el reloj continúe trabajando aún cuando la PC se encuentre apagada.

El reloj de hardware puede ser modificado desde la pantalla de configuración de la BIOS o desde cualquier sistema operativo.

El reloj de hardware puede estar en formato de hora local u hora universal.

TERMINALESLas terminales tienen gran número de formas distintas: El manejador de la terminal debe ocultar estas diferencias. La parte independiente del dispositivo en el SO y los

programas del usuario, no se tienen que reescribir para cada tipo de terminal.

Desde el punto de vista del SO se pueden clasificar en: Interfaz RS-232:> Hardcopy (terminales de impresión).> TTY "de vidrio" (terminales de video).> Inteligente (computadoras con CPU y memoria). Interfaz mapeada a memoria:> Orientada a caracteres.> Orientada a bits.

Frecuentemente los manejadores de terminales soportan operaciones tales como: Mover el cursor hacia arriba, abajo, izquierda o derecha de

una posición. Mover el cursor a X y Y. Insertar un caracter o una línea en el cursor. Eliminar un caracter o una línea en el cursor. Recorrer la pantalla hacia arriba o hacia abajo "n" líneas. Limpiar la pantalla desde el cursor hacia el final de la línea o

hasta el final de la pantalla. Trabajar en modo de video inverso, subrayado, parpadeo o

normal.

Hardware de Terminales

Un terminal es un dispositivo electrónico o electromecánico de hardware, usado para introducir o mostrar datos de un computador o de un sistema de cómputo.

La función de un terminal está confinada a la exhibición y entrada de datos; un dispositivo con una significativa capacidad local programable de procesamiento de datos puede ser llamado "Terminal Inteligente".

La Red

SISTEMAS OPERATIVOS DE RED El SO de Red permite la interconexión de ordenadores para acceder

a servicios y recursos de la red. Al igual que un equipo, no puede trabajar sin un SO, una red de equipos no puede funcionar sin un SO de Red.

Dependiendo del fabricante del SO de Red, tenemos que el software de red para un equipo personal se puede añadir al propio SO del equipo o integrarse con él.

El software del SO de Red se integra en un número importante de SO conocidos, incluyendo: Windows 2000 Server/Professional, Windows NT Server/Workstation, Windows 95/98/Me y Apple Talk.

LOGO Sistemas Operativos