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MC504 Sistemas Operacionais

Prof. Dr. Eng. Isaías Bittencourt Felzmann

isaias@ic.unicamp.br

Campinas, 2s/2026

Entrada e Saída

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The following set of slides are copyright Silberschatz, Galvin and Gagne, 2018. Modifications were made for their use in conjunction with MC504. The original material is available at os-book.com .

Os direitos autorais do conjunto de slides a seguir pertencem a Silberschatz, Galvin and Gagne, 2018. Foram feitas modificações para seu uso em MC504. O material original está disponível em os-book.com .

Este material foi elaborado com apoio de ferramentas de IA generativa como recurso auxiliar. O conteúdo foi revisado, validado e é de responsabilidade do docente.

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Visão geral

O gerenciamento de E/S é um componente importante do design e operação do sistema operacional

Aspecto importante da operação de computadores
Os dispositivos de E/S variam muito
Há diversos métodos para controlá-los
É preciso gerir o desempenho
Novos tipos de dispositivos aparecem com frequência

Portas, barramentos e controladores de dispositivos conectam-se a vários dispositivos
Drivers de dispositivo encapsulam detalhes do dispositivo

Expõem uma interface uniforme de acesso ao dispositivo ao subsistema de E/S

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Hardware de E/S

Incrível variedade de dispositivos de I/O

Armazenamento
Transmissão
Interface humana

Conceitos comuns – sinais de dispositivos de E/S se conectam ao computador

Porta – ponto de conexão para o dispositivo
Barramento - em daisy chain ou acesso direto compartilhado

Barramento PCI comum em PCs e servidores, PCI Express (PCIe)
Barramento de expansão conecta dispositivos relativamente lentos

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Hardware de E/S (Continuação)

Controlador (host adapter) – eletrônicos que operam porta, barramento, dispositivo

Às vezes integrado
Às vezes, placa de circuito separada (host adapter)
Contém processador, microcódigo, memória privada, controlador de barramento, etc.

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Uma estrutura típica de barramento de PC

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Hardware de E/S (Continuação)

Dispositivos possuem endereços, usados por

Instruções de E/S Direta (Port-mapped, PMIO)
E/S mapeada em memória (Memory-mapped, MMIO)

Dados de dispositivos e registradores de comandos mapeados para o espaço de endereçamento do processador
Especialmente para grandes espaços de endereçamento (gráficos)

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Polling (E/S programada)

Para cada byte de E/S

Leia o bit ocupado do registrador de status até 0
O host define bits de leitura ou gravação e, se gravar, copiam os dados para o registrador de saída de dados
Host define bit de comando pronto
Controlador define o bit ocupado, executa transferência
O controlador limpa o bit ocupado, o bit de erro, o bit pronto para comando quando a transferência é concluída

O Passo 1 é o ciclo de espera ocupada para esperar o I/O do dispositivo

Razoável se o dispositivo for rápido
Mas ineficiente se o dispositivo for lento
A CPU muda para outras tarefas?

Mas se perder um ciclo, dados sobrescritos / perdidos

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Interrupções

Polling pode acontecer em 3 ciclos de instrução

Ler status, extrair o bit de status, desviar se não zero
Como ser mais eficiente se for diferente de zero raramente?

Linha de interrupção da CPU acionada pelo dispositivo de E/S

Verificado por processador após cada instrução

O handler de interrupções recebe interrupções

Mascarável para ignorar ou atrasar algumas interrupções

Vetor de interrupção para despachar handler correto

Troca de contexto no início e no fim
Com base na prioridade
Alguns não mascaráveis
Encadeamento de interrupções se mais de um dispositivo estiver no mesmo número de interrupção

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Ciclo de E/S com Interrupções

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Acesso Direto à Memória

Usado para evitar E/S programada (um byte por vez) para grande movimento de dados
Requer controlador DMA
Contorna a CPU para transferir dados diretamente entre o dispositivo de E/S e a memória
O sistema operacional grava bloco de comandos DMA na memória

Endereços de origem e destino
Modo leitura ou escrita
Contagem de bytes
Grava a localização do bloco de comando no controlador DMA
Controlador DMA assume o barramento – pega o barramento da CPU

Interfere na execução da CPU, mas ainda muito mais eficiente

Quando terminado, interrompe até a conclusão do sinal

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Etapas para Realizar a Transferência DMA

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Interface de E/S de Aplicação

Chamadas de sistema de E/S encapsulam comportamentos de dispositivos em classes genéricas
A camada de driver de dispositivo esconde do kernel as diferenças entre controladores de E/S
Novos dispositivos que comunicam protocolos já implementados não precisam de trabalho extra
Cada sistema operacional possui suas próprias estruturas de subsistemas de E/S e frameworks de drivers de dispositivo
Os dispositivos variam em muitas dimensões

Acesso de caracteres ou bloco
Acesso sequencial ou aleatório
Síncrono ou assíncrono (ou ambos)
Compartilhável ou dedicado
Velocidade de operação
Leitura-Escrita, Somente Leitura ou Somente Escrita

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Características dos dispositivos de E/S (cont.)

Sutilezas dos dispositivos tratados pelos drivers de dispositivo
De modo geral, dispositivos de E/S podem ser agrupados pelo sistema operacional em

E/S em Bloco
E/S em caracteres (stream)
Acesso a arquivos mapeados por memória
Soquetes de rede

Para manipulação direta das características específicas do dispositivo de E/S

Chamada ioctl() do Unix para informações para os registradores de controle e dados do dispositivo

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Entrada/Saída Não Bloqueante e Assíncrona

Bloqueante - processo suspenso até concluir a I/O

Fácil de usar e entender
Insuficiente para algumas necessidades

Não bloqueante - retorna da chamada assim que possível

Interface de usuário, cópia de dados (E/S em buffer)
Implementado via multithreading
Retorna rapidamente com a contagem de bytes lidos ou escritos

Assíncrono - processo roda enquanto a E/S é executada

Difícil de usar
Subsistema de E/S sinaliza o processo quando a operação é concluída

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Dois métodos de E/S

Síncrono

Assíncrono

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Subsistema de E/S do Kernel

Escalonamento

Alguns E/S precisam de ordenação através de fila do dispositivo
Alguns sistemas operacionais tentam equidade (fairness)
Alguns implementam Qualidade de Serviço

Buffering - armazenar dados na memória durante a transferência entre dispositivos

Para lidar com o desajuste de velocidade do dispositivo
Para lidar com o desajuste de tamanho de transferência do dispositivo
Para manter a semântica de cópia
Duplo buffering – duas cópias dos dados

Kernel e usuário
Tamanhos variados
Cheio / sendo processado e não cheio / sendo usado

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Subsistema de E/S do Kernel

Cache - dispositivo mais rápido que mantém cópias dos dados

Sempre só uma cópia
Objetivo é desempenho
Às vezes combinado com buffering

Spooling - segurar a saída de um dispositivo

Se o dispositivo pode atender apenas uma solicitação por vez
por exemplo, Impressão

Reserva de dispositivo - oferece acesso exclusivo a um dispositivo

Chamadas de sistema para alocação e desalocação
Cuidado com o deadlock

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Tratamento de Erros

O sistema operacional pode se recuperar de leitura de disco, dispositivos indisponíveis, falhas de gravação transitórias

Retente uma leitura ou escrita, por exemplo
Alguns sistemas mais avançados – Solaris FMA, AIX

Rastreia frequências de erro, para de usar o dispositivo com frequência crescente de erros retentáveis

A maioria retorna um número de erro ou código quando a solicitação de E/S falha
Logs de erro do sistema armazenam relatórios de problemas

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Proteção de I/O

O processo do usuário pode, acidentalmente ou intencionalmente, tentar interromper a operação normal por meio de instruções ilegais de E/S

Todas as instruções de E/S definidas como privilegiadas
A E/S deve ser realizada via chamadas de sistema

As localizações de memória mapeadas por memória e portas de E/S também devem ser protegidas

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Uso de uma chamada de sistema para realizar E/S

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Ciclo de Vida de uma Solicitação de E/S

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Bibliografia

Capítulo 5.

Capítulo 12.

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