4.2.- Mecanismos y Funciones de los Manejadores de Dispositivos (Device Drivers).

El controlador es el componente más importante desde el punto de vista del sistema operativo, ya que constituye la interfaz del dispositivo con el bus de la computadora y es el componente que se ve desde la UCP. El S. O. generalmente trabaja con el controlador y no con el dispositivo. Los modelos más frecuentes de comunicación entre la cpu y los controladores son:
-Para la mayoría de las micro y mini computadoras: Modelo de bus del sistema.

 

Para la mayoría de los mainframes: Modelo de varios buses y computadoras especializadas en e/s llamadas canales de e/s. La interfaz entre el controlador y el dispositivo es con frecuencia de muy bajo nivel: La comunicación es mediante un flujo de bits en serie que: Comienza con un preámbulo. Sigue con una serie de bits (de un sector de disco, por ej.). Concluye con una suma para verificación o un código corrector de errores. El preámbulo: Se escribe al dar formato al disco. Contiene el número de cilindro y sector, el tamaño de sector y otros datos similares.
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El controlador debe: Convertir el flujo de bits en serie en un bloque de bytes. -Efectuar cualquier corrección de errores necesaria. -Copiar el bloque en la memoria principal. Cada controlador posee registros que utiliza para comunicarse con la cpu: -Pueden ser parte del espacio normal de direcciones de la memoria: e/s mapeada a memoria. -Pueden utilizar un espacio de direcciones especial para la e/s, asignando a cada controlador una parte de él. El S. O. realiza la e/s al escribir comandos en los registros de los controladores; los parámetros de los comandos también se cargan en los registros de los controladores. Al aceptar el comando, la cpu puede dejar al controlador y dedicarse a otro trabajo. Al terminar el comando, el controlador provoca una interrupción para permitir que el S. O.: -Obtenga el control de la cpu. -Verifique los resultados de la operación. La cpu obtiene los resultados y el estado del dispositivo al leer uno o más bytes de información de los registros del controlador.
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Su programación se lleva a cabo mediante una interfaz de muy bajo nivel que proporciona acceso a una serie de registros del controlador, incluidos en el mapa de E/S de la computadora, que se pueden acceder mediante instrucciones de máquina de E/S. Hay tres registros importantes en casi todos los controladores: registro de datos, estado y control. El registro de datos sirve para el intercambio de datos. En él irá el controlador cargando los datos leídos y de él irá extrayendo los datos para su escritura en el periférico. Un bit del registro de estado sirve para indicar que el controlador puede transferir una palabra. En las operaciones de lectura esto significa que ha cargado en el registro de datos un nuevo valor, mientras que en las de escritura significa que necesita un nuevo dato. Otros bits de este registro sirven para que el controlador indique los problemas que ha encontrado en la ejecución de la última operación de E/S. El registro de control sirve para indicarle al controlador las operaciones que ha de realizar. Los distintos bits de este registro indican distintas acciones que ha de realizar el periférico. Para empezar una operación de E/S, la UCP tiene que escribir sobre los registros anteriores los datos de la operación a través de una dirección de E/S o de memoria asignada únicamente al controlador. Este modelo vale tanto para los terminales o la pantalla como para los discos. Las características del controlador son muy importantes, ya que definen el aspecto del periférico para el sistema operativo. Atendiendo a las características del hardware de los dispositivos, se pueden observar los siguientes aspectos distintivos:

• Dirección de E/S. En general hay dos modelos de direccionamiento de E/S, los que usan puertos y los que proyectan los registros en memoria.
• Unidad de transferencia. Los dispositivos suelen usar unidades de transferencia de tamaño fijo. Hay dos modelos clásicos de dispositivos: de caracteres y de bloques.
• Interacción computadora-controlador. La computadora tiene que interaccionar con la computadora para realizar las operaciones de E/S y saber cuándo terminan.

Un controlador de dispositivo o unidad de E/S se encarga de controlar uno o más dispositivos del mismo tipo y de intercambiar información entre ellos y la memoria principal o unidad central de proceso de la computadora. El controlador debe encargarse además de sincronizar la velocidad del procesador con la del periférico y de detectar los posibles errores que se produzcan en el acceso a los periféricos. En el caso de un controlador de disco, éste debe encargarse de convertir un flujo de bits procedente del disco a un bloque de bytes detectando y corrigiendo, si es posible, los errores que se produzcan en esta transferencia. Una vez obtenido el bloque y comprobado que se encuentra libre de errores, deberá encargarse de transferirlo a memoria principal. La información entre los controladores de dispositivo y la unidad central de proceso o memoria principal se puede transferir mediante un programa que ejecuta continuamente y lee o escribe los datos del (al) controlador. Con esta técnica, que se denomina E/S programada, la transferencia de información entre un periférico y el procesador se realiza mediante la ejecución de una instrucción de E/S. Con esta técnica, es el procesador el responsable de extraer o enviar datos entre el procesador y el controlador de dispositivo, lo que provoca que el procesador tenga que esperar mientras se realiza la transferencia entre el periférico y el controlador.
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Dado que los periféricos son sensiblemente más lentos que el procesador, éste deberá esperar una gran cantidad de tiempo hasta que se complete la operación de E/S. En este caso no existe ningún tipo de concurrencia entre la E/S y el procesador ya que éste debe esperar a que finalice la operación. Aunque esta técnica es muy antigua, ya que proviene del tiempo en que los controladores no tenían interrupciones, actualmente los canales de E/S y algunos multiprocesadores usan esta técnica para evitar que lleguen a la UCP de la computadora muchas interrupciones de E/S. En ambos casos, la técnica es la misma: dedicar una UCP especial para la E/S. La forma de hacerlo es muestrear continuamente los registros de estado de los controladores para ver si están disponibles y, en ese caso, leer o escribir los registros. Imagine un canal de E/S al que hay conectados múltiples buses de E/S que, a su vez, tienen múltiples dispositivos de E/S. Si la UCP quiere escribir en uno de ellos, debe mirar su registro de estado hasta que los bits indiquen que no está ocupado. Cuando esto ocurra, escribirá un bloque en los registros del controlador y esperará hasta que los bits de estado indiquen que está disponible. Imagine que quiere leer de otro controlador, deberá esperar a que los bits de estado le indiquen que está disponible, programar la operación y esperar a que se indique que los datos están disponibles.

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Evidentemente, incluso aunque la UCP esté controlando varios dispositivos de E/S, siempre existe pérdida de ciclos debido a la existencia de las esperas. Sin embargo, existen situaciones en que esto no es así.

Hay que recalcar que el controlador al ser una parte crítica del sistema operativo, el fallo de un controlador puede ser más grave que otros errores de software, pudiendo bloquear el ordenador o incluso dañar el hardware. Debido a que el hardware es (necesariamente) indeterminista, encontrar y solucionar un fallo en un controlador es una tarea complicada ya que no sólo hay que monitorizar el programa, sino también el propio dispositivo.