Dise

1
Tema 5. Sistemas de Entrada/Salida

• Dos módulos
• Sistema de entrada/salida
• Almacenamiento secundario y terciario
• Objetivos
• Que el alumno entienda los conceptos de
  dispositivo de e/s
• Mostrar el software de e/s del sistema operativo
• Estudiar los dispositivos de almacenamiento
  secundario y terciario
• Que el alumno comprenda la estructura del
  sistema de e/s
• Presentar distintas técnicas de gestión del
  almacenamiento secundario

2
Módulo 1.Sistemas de Entrada/Salida
Hardware de entrada/salida Interfaz de aplicación
para la entrada/salida Subsistema de
entrada/salida del núcleo Transformación de
peticiones de usuario al hardware Rendimiento
3
Sistema de E/S
4
Flujo de una Operación de E/S
5
Hardware de E/S

• Gran variedad de dispositivos
• Conceptos generales
• Puerto
• Bus (daisy chain o acceso directo compartido)
• Controlador (adaptador para el computador)
• Las instrucciones de E/S controlan los
  dispositivos
• Los dispositivos tienen direcciones, usadas por
• Instrucciones de E/S directa (Ej. Intel)
• E/S proyectada en memoria (Ej. Motorola)
• Gestión de E/S
• Muestreo (polling)
• Interrupciones

6
Conexión de Dispositivos
7
Muestreo (polling)

• Muestreo periódico de los dispositivos
• Determina el estado del dispositivo
• listo
• ocupado
• error
• Ciclo de espera activa para esperar del
  dispositivo de E/S
• Ventaja no hay gasto de tiempo de gestión de
  interrupción.
• Desventaja Consume mucha CPU para dispositivos
  poco usados
• Aplicación
• Hardware sin interrupciones
• Programas de control de canales de E/S

8
Interrupciones

• Líneas de petición de interrupción de la CPU
  activadas por los dispositivos
• El gestor de interrupciones recibe y maneja la
  interrupción
• Enmascarables para ignorar o retrasar
  interrupciones
• El vector de interrupción tiene las direcciones
  de memoria de los manejadores de interrupción
• Las interrupciones se procesan según distintas
  políticas
• Prioridad, FIFO, etc.
• Algunas no se pueden enmascarar (NMI). Ejemplo
  reset.
• Los mecanismos de interrupción se usan también
  para excepciones. Ejemplo instrucción errónea.

9
E/S por Interrupciones
10
Acceso Directo a Memoria (DMA)

• Se usa para evitar la E/S programada de grandes
  bloques de datos
• Necesita un controlador con DMA
• Evita el uso de la CPU transfiriendo los datos
  directamente entre los dispositivos de E/S y la
  memoria
• del usuario
• del núcleo
• Básico para aprovechar la CPU en un sistema
  multiprogramado, ya que libera tiempo de la CPU
  que se puede usar para ejecutar otros programas.

11
Pasos de la E/S por DMA
12
Interfaz de E/S de las Aplicaciones

• Las llamadas de E/S encapsulan el comportamiento
  de los dispositivos en clases genéricas
• La capa del manejador esconde las diferencias
  entre los controladores de E/S del núcleo
• La dispositivos pueden variar en muchas
  dimensiones
• Bloque o carácter
• Acceso secuencial o aleatorio
• Bloqueantes o no bloqueantes (Síncronos o
  asíncronos)
• Compartidos o dedicados
• Velocidad de operación
• lectura-escritura, sólo lectura o sólo escritura

13
Dispositivos de Bloque y de Carácter

• Dispositivos de bloque
• Acceso a nivel de bloque, secuencial o aleatorio
• Mandatos leer, escribir, buscar,
• E/S directa o a través del servidor de ficheros
• Acceso posible a través de ficheros proyectados
  en memoria
• Ejemplo discos y cintas
• Dispositivos de carácter
• Acceso a nivel de a carácter, secuencial o
  aleatorio
• Mandatos get, put, .
• Bibliotecas para optimizar y dar forma a este
  tipo de accesos edición de líneas, ventanas
  virtuales, .
• Ejemplo terminales e impresoras

14
Dispositivos de red

• Difieren de los dos anteriores -gt interfaz propio
• UNIX y Windows NT tienen una interfaz de sockets
• Separan protocolos de red y operaciones
• Se basan en el uso de puertos
• Incluyen la función select para manejar al tiempo
  varios puertos
• Las soluciones varían ampliamente
• pipes, FIFOs, streams, colas, buzones, puertos,
  .
• Es difícil clasificarlos
• Todos ellos manejan paquetes, pero de tamaño
  variable
• Los protocolos son muy distintos Ethernet, ATM
  ...

15
Relojes y Temporizadores

• Proporcionan la fecha y hora actual, el tiempo
  transcurrido y la temporización
• Interfaz de usuario para definir intervalos
  programables en los temporizadores
  interrupciones periódicas (ciclos) y aperiódicas
  (eventos)
• ioctl (en POSIX) permite manejar aspectos poco
  usuales de la E/S, tales como
• relojes y temporizadores
• características de los manejadores
• semántica de las operaciones de E/S

16
E/S Bloqueante y No-bloqueante

• Bloqueante procesos suspendidos hasta que la E/S
  termina
• Fácil de usar y comprender
• Insuficiente para algunos requisitos
• Ejemplo read, write, ... de POSIX
• No bloqueante la llamada de E/S vuelve
  inmediatamente
• Interfaz de usuario más complejo y espacio para
  copia de datos
• Se puede implementar con threads
• Vuelve rápidamente con el estado de la operación
• Variación operaciones asíncronas -gt los procesos
  ejecutan mientras la E/S se lleva a cabo
• Difícil de usar por operaciones pendientes
• El sistema de E/S señala el fin de operación
  pendiente
• Interfaz para comprobar estado y esperar (aiowait)

17
Subsistema de E/S de Núcleo I

• Planificación
• Las peticiones de E/S se gestionan por
  dispositivo
• Cola general por dispositivo genérico y otra por
  dispositivo particular
• Algunos SSOO tratan de ser justos. No siempre es
  conveniente.
• Políticas FIFO, prioridad, scan, ...
• Almacenamiento intermedio en memoria mientras hay
  transferencias entre dispositivos
• para poder hacer frente a errores en dispositivos
• para resolver errores de tamaño de transferencia
• para mantener una semántica de copia

18
Subsistema de E/S del Núcleo II

• Caching copia rápida de los datos que existen
  ene memoria
• Siempre se hace copia
• Clave para el rendimiento
• Distintos niveles controlador, manejador, gestor
  de bloques,
• Spooler proceso que gestiona la E/S para un
  dispositivo
• Si un dispositivo es lento o secuencial
• Si un dispositivo no permite uso compartido
• Ejemplo impresora
• Reserva de recursos acceso exclusivo a
  dispositivos
• Llamadas al sistema para reservar y liberar
• Cuidado con los interbloqueos

19
Gestión de Errores

• El SO puede gestionar y resolver errores variados
  de E/S de tipo transitorio
• fallos escritura, temporización de red, impresora
  fuera de línea, ..
• Errores permanentes o desconocidos devuelven un
  código de error como resultado de la llamada de
  E/S al sistema
• Registro de errores de E/S para poder informar de
  los problemas al administrador o al usuario
• Errores de dos tipos
• genéricos
• dependientes de dispositivo

20
Estructuras de Datos del Núcleo

• El núcleo guarda el estado de los componentes de
  E/S, incluyendo
• tablas de ficheros abiertos
• conexiones de red
• estado de los dispositivos de caracteres
• Muchas estructuras de datos, y muy complejas,
  para seguir la pista de bloques, páginas, bloques
  sucios, caracteres tecleados, etc.
• Algunos sistemas usan orientación a objetos
  (Windows NT) y paso de mensajes (MINIX) para
  implementar la E/S.

21
Flujo de las Operaciones de E/S

• Suponga que un proceso quiere leer de un fichero,
  para lo que ejecuta la llamada al sistema read.
• El sistema de E/S recibe la petición del servidor
  de archivos y
• Determina el dispositivo que almacena el fichero
  (major, minor)
• Traduce datos lógicos a representación física en
  el dispositivo
• Lee los datos físicamente del disco al buffer de
  memoria
• Pone los datos disponibles para el proceso que
  los pidió
• Devuelve el control al proceso
• El ciclo de vida de una petición de E/S para por
  casi todos los componentes del sistema operativo

22
Ciclo de Vida de una Petición de E/S
23
Rendimiento

• La E/S es uno de los factores más importantes
  para el rendimiento del sistema porque
• gasta CPU para ejecutar los manejadores, el
  software de E/S y los gestores de interrupción
• origina cambios de contexto y planificaciones
  debidas a las interrupciones
• necesita copia de datos en memoria
• puede incluir tráfico por la red, que degrada
  especialmente el rendimiento
• los dispositivos de E/S son muchos más lentos que
  la CPU
• Cuanto más rápida es la CPU más se nota el efecto
  negativo de la E/S

24
Comunicación por la Red
25
Incremento de Prestaciones

• Reducir el número de cambios de contexto
• Reducir operaciones de copia de datos
• Reducir el número de interrupciones haciendo
  transferencias de tamaño mayor, usando
  controladores inteligentes, muestreo,
• Usar DMA
• Gestión de cache adecuada
• Balancear el rendimiento conjunto de la CPU, el
  bus, la memoria y la E/S para lograr el máximo

26
Módulo 2. Almacenamiento secundario y terciario
Estructura de los discos Planificación y gestión
de discos Gestión del espacio de intercambio de
memoria (swap) Fiabilidad y Rendimiento Dispositiv
os de almacenamiento terciario Aspectos del
sistema operativo
27
Estructura de los Discos

• Los discos se manejan como vectores grandes de
  bloques lógicos, siendo el bloque la unidad
  mínima de transferencia
• El vector de bloques lógicos se proyecta sobre
  los sectores del disco secuencialmente
• Sector 0 primer sector de la primera pista del
  cilindro más externo
• El mapa se hace en primero en esa pista, luego en
  las restantes pistas de ese cilindro y luego en
  los restantes cilindros
• El manejador de disco no sabe nada de la
  organización de los ficheros
• Puede tener una cache de bloques del disco,
  distinta de la del servidor de archivos

28
Planificación de disco

• El SO es responsable de usar el hardware de forma
  eficiente. Hablando de discos, esto implica
  accesos rápidos y mucho ancho de banda
• El tiempo de acceso tiene dos componentes
  principales
• búsqueda tiempo que tarda el brazo del disco
  para mover las cabezas hasta el cilindro que
  contiene el sector deseado
• latencia tiempo de espera adicional para que el
  disco gire hasta ponerse sobre el sector deseado
• Objetivo minimizar el tiempo de búsqueda, que es
  directamente proporcional a la distancia de
  búsqueda
• Ancho de banda bytes transferidos / tiempo de
  transferencia

29
Algoritmos de Planificación

• Variados FIFO, SCAN, CSCAN, SSF, EDF, .
• Fundamentales para optimizar el acceso al disco.
• Criterios de planificación
• Optimizar el tiempo de búsqueda
• Dar servicio determinista
• El primero en SSOO, el segundo en multimedia y
  SSTR
• A continuación se estudian varios ejemplos usando
  la siguiente cola de peticiones
• 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
• Se asume que las cabezas están en 53

30
FCFS (FIFO)
31
Shortest Seek Time First (SSTF)

• Primero las peticiones que minimizan el
  movimiento de cabezas desde la posición actual
• La política SSTF es una variante de planificación
  de CPU con Shortest Job First
• Puede causar inanición de algunas peticiones
• Idea maximizar el ancho de banda del disco
• La ilustración siguiente muestra el movimiento
  total de las cabezas del disco 236 cilindros

32
SSTF
33
Ascensor (SCAN)

• El movimiento del brazo empieza siempre en un
  extremo del disco y continúa hasta el otro. Allí
  se cambia el sentido y se vuelve el otro extremo
• Idea evitar desplazamientos atrás y adelante
• Problema puede retrasar mucho el servicio de
  algunas peticiones si no se insertan
  adecuadamente dentro de las rodajas
• Movimiento total de cabezas en el ejemplo 208
  cilindros

34
SCAN
35
Ascensor de un Sentido (C-SCAN)

• Variación del ascensor
• Las cabezas se mueven de un extremo a otro del
  disco y luego vuelven al principio
• No se atienden peticiones mientras las cabezas
  vuelven a la posición inicial
• Tiempo de espera más uniforme que el ascensor
  normal
• Trata los cilindros como una lista circular que
  enlaza el último cilindro con el primero
• Movimiento cabezas en ejemplo 345!
• El número es engañoso. Ir del último al primero
  se hace en un único movimiento y tarda muy poco
• Se usa frecuentemente

36
C-SCAN
37
C-LOOK

• Versión del C-SCAN
• El brazo sólo llega hasta la última petición en
  cada dirección
• Cuando termina vuelve, pero no al principio, sino
  hasta la petición más próxima al principio
• Ahorro pequeño de movimientos y gestión más
  compleja
• No se usa muy frecuentemente

38
C-LOOK
39
Selección de un Algoritmo de Planificación

• SSTF es frecuente y parece el más natural
• SCAN y C-SCAN tienen mejor rendimiento para
  sistemas que usan mucho el disco
• El rendimiento depende del número y el tipo de
  peticiones
• Las peticiones al disco pueden depender de la
  política de asignación de espacio a los ficheros
• El algoritmo de planificación de disco debe ser
  escrito como un módulo separado, para que sea
  fácil de reemplazar.
• Algoritmo de elección por defecto SSTF o LOOK
• Algoritmo estándar en casi todos los sistemas
  C-SCAN

40
Gestión del Disco

• Formato a bajo nivel, o físico divide el disco
  en sectores que el controlador puede leer y
  escribir
• Para usar un disco, se debe
• partir el disco en grupos de cilindros
  (particiones)
• crear un sistema de ficheros para dar formato
  lógico al disco
• El bloque de carga inicia el sistema
• El cargador hardware está almacenado en la ROM
• Función leer el bloque de carga, instalar y
  arrancar el cargador
• Métodos
• Intercalado de sectores para rendimiento
• Sectores de recambio para manejar los sectores
  defectuosos

41
Gestión del Espacio de Swap

• Gestión del swap la memoria virtual usa el
  espacio de disco como una extensión de la memoria
  principal
• El espacio de intercambio se puede gestionar
• fuera del servidor de ficheros
• como una partición más (lo más frecuente)
• Gestión del espacio de intercambio
• 4.3 BSD preasigna espacio cuando arranca el
  proceso para almacenar el segmento de texto y el
  de datos
• El núcleo tiene mapas del swap para gestionar su
  uso
• Solaris 2 asigna espacio de swap dinámicamente
  cuando se expulsa una página de memoria física,
  no cuando se crea la página por primera vez

42
Fiabilidad del Disco

• Varias técnicas para mejorar el uso del disco
  involucran la utilización de varios discos que
  trabajan cooperativamente
• Los técnicas de reparto usan un grupo de discos
  como una única unidad de almacenamiento
• Los esquemas tipo RAID mejoran el rendimiento y
  la fiabilidad del sistema de almacenamiento
  guardando información de redundancia
• Discos espejo, o sombra, que duplican el
  contenido de cada disco
• Bloques de paridad intercalados que usan mucha
  menos redundancia

43
Almacenamiento Estable

• Los sistemas con registro y escritura adelantada
  requieren almacenamiento estable
• Para implementar almacenamiento estable
• Se replica la información en más de un medio de
  almacenamiento no volátil con modos de fallo
  independientes
• Se actualiza la información de forma controlada
  para asegurar que se pueden recuperar los datos
  estables después de un fallo durante la
  transferencia o recuperación de datos
• Cuanta más tolerancia a fallos se desee, más
  redundancia es necesaria

44
Almacenamiento Terciario I

• Motivación son baratos y, generalmente,
  extraíbles
• Ejemplos frecuentes disquetes, CD-ROMs, ZIP,
  cintas,
• Disquetes, ZIP, JAZZ
• discos extraíbles y baratos que pueden almacenar
  desde un 1 MB hasta 1 GB
• Pueden ser casi tan rápidos como el disco duro,
  pero suelen fallar más debido a su constate
  manipulación
• Discos magneto-ópticos que se leen y escriben con
  láser
• Mayor densidad, capacidad y fiabilidad
• Las cabezas nunca tocan el disco, la luz
  magnetiza a distancia y permite almacenar datos y
  leerlos. Hasta hace poco sólo lectura

45
Almacenamiento Terciario II

• Discos WORM aluminio plastificado que se escribe
  y lee por láser
• No regrabables porque el láser agujerea la
  superficie
• Muy duraderos y fiables
• Ejemplos CDROM y DVD
• Cintas soporte en cinta magnética de gran
  capacidad y economía
• Ideal para operaciones que no requieren acceso
  aleatorio rápido respaldos, almacenamiento
  masivo, etc.
• Instalaciones robotizadas que cambian cintas
  automáticamente
• los ficheros residentes en disco se pueden
  archivar en cintas, por razones económicas, y
  volver a cargar en disco de forma dinámica

46
Aspectos del SO

• Presentar una máquina virtual al usuario que
  oculte la jerarquía de almacenamiento
• Para discos duros hay dos abstracciones básicas
• Disco crudo un vector de bloques de datos, sin
  caches
• Sistema de ficheros el SO encola y planifica
  peticiones concurrentes de varias aplicaciones
• Para cintas sólo se suele usar la primera
• Aplicar mecanismos de incremento de prestaciones
  también al almacenamiento terciario
• Planificador a largo plazo expulsar ficheros de
  disco a cinta y volverlos a cargar

47
Interfaz de Aplicación

• La mayoría de los SO manejan los dispositivos
  extraíbles igual que los fijos-gt necesitan
  formato y sistema de ficheros
• Las cintas se suelen presentar como un medio
  crudo, es decir, que no se suelen abrir ficheros
  en una cinta sino el medio completo
• Habitualmente, el manejador de la cinta se
  reserva para el proceso que la abre
• Si se usa un dispositivo crudo, no hay interfaz
  de ficheros, luego la aplicación debe gestionar
  el vector de bloques
• Puesto que cada aplicación decide el formato de
  la cinta, ésta sólo se puede reutilizar por la
  aplicación que la creó, o sus colaboradoras

48
Manejadores de Cinta

• Las operaciones básicas son distintas de las de
  un disco
• locate para buscar un bloque, no una pista entera
• read (write) lee (escribe) el bloque lógico donde
  están las cabezas
• space permite movimientos relativos
• rewind para ir al principio
• Las cintas sólo permiten añadir datos, no
  reescribir. Escribir en medio, borra todo lo que
  hay después. Razón escribe EOT
• Las cintas no tienen mapa ni directorio. Si hay
  varios ficheros y se quiere buscar uno de ellos,
  hay que recorrer la cinta hasta buscarlo.
• La lectura si puede ser aleatoria read, space,
  read, .

49
Nombres de Ficheros

• Problema escribir en un computador y leer en
  otro
• Normalmente problema no resuelto por el SO las
  aplicaciones deben saber cómo acceder e
  interpretar los datos. Ej tar, od, cpio, etc
• Algunos medios removibles (disquetes, cdrom, )
  están estandarizados de hecho, por lo que todos
  los sistemas saben cómo leerlos.
• En principio, en cualquier sistema, es necesario
  montar la unidad extraíble antes de usarla para
  que el sistema sepa que existe.

50
Gestión de Almacén Jerárquico (HSM)

• Un almacén jerárquico extiende la jerarquía de
  almacenamiento para incorporar almacenamiento
  terciario
• Habitualmente usan jukebox de cintas o discos
  extraibles
• Extensión del sistema de ficheros para sistemas
  terciarios
• Ficheros pequeños y muy usados en disco
• Ficheros grandes, viejos o inactivos van a
  dispositivos terciarios
• HSM es habitual en centros de supercomputación
  (Ej San Diego) y otras grandes instalaciones con
  un volumen enorme de datos (CERN)

51
Rendimiento

• Dos aspectos importantes del almacenamiento
  terciario son latencia y ancho de banda
• Ancho de banda en bytes/seg.
• Sostenido tasa de transferencia en operaciones
  grandes (nº de bytes/tiempo transferencia)
• Efectivo ancho de banda medio durante todo el
  tiempo de la E/S, incluyendo seek o locate y
  cambios de cartuchos. Define la tasa global del
  dispositivo.
• Latencia tiempo necesario para llegar a la
  transferencia efectiva
• Mayor que en secundarios debido a posibles
  cambios de medio y a mayor lentitud de los mismos
  para arrancar

52
Rendimiento II

• Latencia de acceso tiempo necesario para
  localizar los datos
• Disco mover brazo latencia rotacional lt 35
  mseg.
• Cinta rebobinar hasta el bloque (segundos)
• CDROM arranque movimiento brazo rotación gt
  200 mseg.
• Generalmente se dice que un acceso aleatorio a
  cinta es miles de veces más lento que a disco
• El coste barato resulta de tener muchos cartuchos
  baratos compartidos por unos pocos discos caros
• Una biblioteca en medio extraíble es más adecuada
  para datos de uso poco frecuente, porque sólo
  puede satisfacer un número pequeño de peticiones
  por hora.
• Normalmente las peticiones de este tipo se hacen
  off-line

53
Fiabilidad

• Un disco fijo suele ser más fiable que un medio
  extraíble
• Un cartucho óptico es más fiable que una cinta o
  un disquete
• Un aterrizaje de cabezas en un disco fijo suele
  resultar en pérdida de datos
• El fallo de una unidad de cinta o disco óptico no
  suele dañar los datos almacenados.
• Un modelo frecuente para tener más fiabilidad es
  el cintas primarias y actualizaciones. El nuevo
  primario no se valida hasta que todo ha ido bien.

54
Coste

• La memoria principal es mucho más cara que el
  disco
• El almacenamiento terciario permite ahorrar
  costes sólo cuando el número de cartuchos es
  mucho mayor que el de discos. Ej bibliotecas de
  ficheros de salida de choques de partículas
• El coste del disco es competitivo con el de la
  cinta si sólo se usa una cinta
• Actualmente, ambos modelos compiten en coste y
  capacidad
• El almacenamiento terciario tiene otras
  justificaciones copias de seguridad, archivos,
  etc.