Dispositivos de Entrada y Salida

La CPU y la memoria no son los únicos recursos que el sistema operativo debe administrar. Los dispositivos de E/S también interactúan mucho con el sistema operativo. Como vimos en la figura 1-6, los dispositivos de E/S generalmente constan de dos partes: un dispositivo controlador y el dispositivo en sí. El dispositivo controlador es un chip o conjunto de chips que controla físicamente el dispositivo. Por ejemplo, acepta los comandos del sistema operativo para leer datos del dispositivo y los lleva a cabo. En muchos casos, el control del dispositivo es muy complicado y detallado, por lo que el trabajo del chip o los chips del dispositivo controlador es presentar una interfaz más simple al sistema operativo (pero de todas formas sigue siendo muy complejo).

La otra pieza es el dispositivo en sí. Los dispositivos tienen interfaces bastante simples, debido a que no pueden hacer mucho y también para estandarizarlas. Esto último es necesario de manera que cualquier dispositivo controlador de disco IDE pueda manejar cualquier disco IDE, por ejemplo. IDE (Integrated Drive Electronics) significa Electrónica de unidades integradas y es el tipo estándar de disco en muchas computadoras. Como la interfaz real del dispositivo está oculta detrás del dispositivo controlador, todo lo que el sistema operativo ve es la interfaz para el dispositivo controlador, que puede ser bastante distinta de la interfaz para el dispositivo.

Como cada tipo de dispositivo controlador es distinto, se requiere software diferente para controlar cada uno de ellos. El software que se comunica con un dispositivo controlador, que le proporciona comandos y acepta respuestas, se conoce como driver (controlador). Cada fabricante de dispositivos controladores tiene que suministrar un driver específico para cada sistema operativo en que pueda funcionar. Así, un escáner puede venir, por ejemplo, con drivers para Windows 2000, Windows XP, Vista y Linux.

Para utilizar el driver, se tiene que colocar en el sistema operativo de manera que pueda ejecutarse en modo kernel. En realidad, los drivers se pueden ejecutar fuera del kernel, pero sólo unos cuantos sistemas actuales admiten esta posibilidad debido a que se requiere la capacidad para permitir que un driver en espacio de usuario pueda acceder al dispositivo de una manera controlada, una característica que raras veces se admite. Hay tres formas en que el driver se pueda colocar en el kernel: la primera es volver a enlazar el kernel con el nuevo driver y después reiniciar el sistema (muchos sistemas UNIX antiguos trabajan de esta manera); la segunda es crear una entrada en un archivo del sistema operativo que le indique que necesita el driver y después reinicie el sistema, para que en el momento del arranque, el sistema operativo busque los drivers necesarios y los cargue (Windows funciona de esta manera); la tercera forma es que el sistema operativo acepte nuevos drivers mientras los ejecuta e instala al instante, sin necesidad de reiniciar. Esta última forma solía ser rara, pero ahora se está volviendo mucho más común. Los dispositivos conectables en caliente (hotpluggable), como los dispositivos USB e IEEE 1394 (que se describen a continuación) siempre necesitan drivers que se cargan en forma dinámica.

Las operaciones de entrada y salida se pueden realizar de tres maneras distintas. En el método más simple, un programa de usuario emite una llamada al sistema, que el kernel posteriormente traduce en una llamada al procedimiento para el driver apropiado. Después el driver inicia la E/S y permanece en un ciclo estrecho, sondeando en forma continua al dispositivo para ver si ha terminado (por lo general hay un bit que indica si el dispositivo sigue ocupado). Una vez terminada la E/S, el driver coloca los datos (si los hay) en donde se necesitan y regresa. Después el sistema operativo devuelve el control al llamador. A este método se le conoce como espera ocupada y tiene la desventaja de que mantiene ocupada la CPU sondeando al dispositivo hasta que éste termina.

El segundo método consiste en que el driver inicie el dispositivo y le pida generar una interrupción cuando termine. En este punto el driver regresa. Luego, el sistema operativo bloquea el programa llamador si es necesario y busca otro trabajo por hacer. Cuando el dispositivo controlador detecta el final de la transferencia, genera una interrupción para indicar que la operación se ha completado. Las interrupciones son muy importantes en los sistemas operativos, por lo cual vamos a examinar la idea con más detalle.

En el paso 1, el driver indica al dispositivo controlador de disco lo que debe hacer, al escribir datos en sus registros de dispositivo. Después el dispositivo controlador inicia el dispositivo; cuando ha terminado de leer o escribir el número de bytes que debe transferir, alerta al chip controlador de interrupciones mediante el uso de ciertas líneas de bus en el paso 2. Si el controlador de interrupciones está preparado para aceptar la interrupción (lo cual podría no ser cierto si está ocupado con una de mayor prioridad), utiliza un pin en el chip de CPU para informarlo, en el paso 3. En el paso 4, el controlador de interrupciones coloca el número del dispositivo en el bus, para que la CPU pueda leerlo y sepa cuál dispositivo acaba de terminar (puede haber muchos dispositivos funcionando al mismo tiempo). Una vez que la CPU ha decidido tomar la interrupción, el contador de programa y el PSW son típicamente agregados (pushed) en la pila actual y la CPU cambia al modo kernel.

El número de dispositivo se puede utilizar como un índice en parte de la memoria para encontrar la dirección del manejador (handler) de interrupciones para este dispositivo. Esta parte de la memoria se conoce como vector de interrupción.

Una vez que el manejador de interrupciones (parte del driver para el dispositivo que está realizando la interrupción) ha iniciado, quita el contador de programa y el PSW de la pila y los guarda, para después consultar al dispositivo y conocer su estado.

Cuando el manejador de interrupciones termina, regresa al programa de usuario que se estaba ejecutando previamente a la primera instrucción que no se había ejecutado todavía.

El tercer método para realizar operaciones de E/S hace uso de un chip especial llamado DMA (Direct Memory Access; Acceso directo a memoria) que puede controlar el flujo de bits entre la memoria y un dispositivo controlador sin la intervención constante de la CPU. La CPU configura el chip DMA, le indica cuántos bytes debe transferir, las direcciones de dispositivo y de memoria involucradas, la instrucción y deja que haga su trabajo. Cuando el chip DMA termina genera una interrupción, la cual se maneja de la manera antes descrita. En el capítulo 5 discutiremos con más detalle sobre el hardware de DMA y de E/S, en general.

A menudo, las interrupciones pueden ocurrir en momentos muy inconvenientes, por ejemplo mientras otro manejador de interrupciones se está ejecutando. Por esta razón, la CPU tiene una forma para deshabilitar las interrupciones y rehabilitarlas después. Mientras las interrupciones están deshabilitadas, cualquier dispositivo que termine continúa utilizando sus señales de interrupción, pero la CPU no se interrumpe sino hasta que se vuelven a habilitar las interrupciones.

Si varios dispositivos terminan mientras las interrupciones están habilitadas, el controlador de interrupciones decide cuál debe dejar pasar primero, lo cual se basa generalmente en prioridades estáticas asignadas a cada dispositivo. El dispositivo de mayor prioridad gana.

Tanebaum, Andrew S.

Sistemas operativos modernos. Tercera edición
PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009

Se denomina dispositivos de entrada y salida a aquellos dispositivos encargados de incorporar y extraer información de una computadora.

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