4.3.- Estructuras de Datos para Manejo de Dispositivos.

Los procesos de usuario emiten peticiones de entrada/salida al sistema operativo. Cuando un proceso solicita una operación de E/S, el sistema operativo prepara dicha operación y bloquea al proceso hasta que se recibe una interrupción del controlador del dispositivo indicando que la operación está completa. Las peticiones se procesan de forma estructurada en las siguientes capas:

• Manejadores de interrupción.
• Manejadores de dispositivos o drivers.
•Software de EIS independiente de los dispositivos. Este software está formado por la parte de alto nivel de los manejadores, el gestor de cache, el gestor de bloques y el servidor de archivos.
• Interfaz del sistema operativo. Llamadas al sistema que usan las aplicaciones de usuario.

El sistema operativo estructura el software de gestión de E/S de esta forma para ofrecer a los usuarios una serie de servicios de E/S independientes de los dispositivos. Esta independencia implica que deben emplearse los mismos servicios y operaciones de E/S para leer datos de un disquete, de un disco duro, de un CD-ROM o de un teclado.

Manejadores de interrupción.

Los manejadores de interrupción se encargan de tratar las interrupciones que generan los controla dores de dispositivos una vez que éstos están listos para la transferencia de datos o bien han leído o escrito los datos de memoria principal en caso de acceso directo a memoria. Para tratar dicha interrupción se ejecuta el correspondiente manejador de interrupción cuyo efecto es el de salvar los registros, comunicar el evento al manejador del dispositivo y restaurar la ejecución de un proceso (que no tiene por qué ser el interrumpido).

Los manejadores de interrupción suelen hacer algo más que comunicar el evento al manejador de dispositivo. Cuando una interrupción ocurre muy frecuentemente, caso del reloj, o cuando la cantidad de información a transferir es muy pequeña, caso del teclado, sería muy costoso comunicar siempre el evento al manejador de dispositivo asociado. En estos casos, el propio manejador de interrupción registra la ocurrencia del evento, bien mediante el incremento de una variable global para el reloj o la acumulación de caracteres en un buffer del teclado. La notificación al manejador se hace únicamente cada cierto número de ocurrencias del evento, en el caso del reloj, o activando unflag que indica que hay datos en el buffer del teclado.

Manejadores de dispositivos.

Cada dispositivo de E/S, o cada clase de dispositivos, tiene un manejador asociado en el sistema operativo.

Dicho manejador incluye: código independiente del dispositivo para proporcionar al nivel superior del sistema operativo una interfaz de alto nivel y el código dependiente del dispositivo necesario para programar el controlador del dispositivo a través de sus registros y datos. La tarea de un manejador de dispositivo es aceptar peticiones en formato abstracto, de la parte del código de E/S independiente del dispositivo, traducir dichas peticiones a términos que entienda el controlador, enviar al mismo las órdenes adecuadas en la secuencia correcta y esperar a que se cumplan. La siguiente figura muestra un diagrama de flujo con las operaciones de un manejador.

Todos los manejadores tienen una lista de peticiones pendientes por dispositivo donde se encolan las peticiones que llegan de niveles superiores. El manejador explora la lista de peticiones, extrae una petición pendiente y ordena su ejecución. La política de extracción de peticiones de la lista es dependiente de manejador y puede ser FIFO. Una vez enviada la petición al controlador, el manejador se bloquea o no, dependiendo de la velocidad del dispositivo. Para los lentos (discos) se bloquea esperando una interrupción. Para los rápidos (pantalla, discos RAM, etcétera) responde inmediatamente. Después de recibir el fin de operación, controla la existencia de errores y devuelve al nivel superior el estado de terminación de la operación. Si tiene operaciones pendientes en la cola de peticiones, atiende a la siguiente, en caso de que le toque ejecutar después de la operación de E/S. En caso contrario se bloquea.

Software de E/S independiente del dispositivo.

La mayor parte del sistema de E/S es software independiente de dispositivo. Este nivel incluye el sistema de archivos y el de gestión de red, el gestor de bloques, la cache de bloques y una parte de los manejadores de dispositivo. La principal función de esta capa de software es ejecutar las funciones de E/S que son comunes a todos los dispositivos a través de una interfaz uniforme.

Internamente, en este nivel se proporciona acceso a nivel de bloques o caracteres, almacenamiento intermedio, gestión de los dispositivos, planificación de la E/S y control de errores.

El tamaño de acceso a nivel de bloques se hace usando tamaños de bloque de acceso comunes para todo un sistema de archivos, lo que permite ocultar que cada dispositivo puede tener distinto tamaño de sector y distinta geometría. Estos detalles quedan ocultos por la capa de software in dependiente de dispositivo que ofrece una interfaz sobre la base de bloques lógicos del sistema de archivos. Lo mismo ocurre con los dispositivos de caracteres, algunos de los cuales trabajan con un carácter cada vez, como el teclado, mientras otros trabajan con flujos de caracteres, como el modem o las redes.

Para optimizar la E/S y para armonizar las peticiones de usuario, que pueden ser de cualquier tamaño, con los bloques que maneja el sistema de archivos, el software de E/S proporciona almacenamiento intermedio en memoria del sistema operativo. Esta facilidad se usa para tres cosas:

• Optimizar la E/S evitando accesos a los dispositivos.
• Ocultar las diferencias de velocidad con que cada dispositivo y usuario manejan los datos.
• Facilitar la implementación de la semántica de compartición, al existir una copia única de los datos en memoria.

El sistema de E/S mantiene buffers en distintos componentes. Por ejemplo, en la parte del manejador del teclado independiente del dispositivo existe un buffer para almacenar los caracteres que teclea el usuario hasta que se pueden entregar a los niveles superiores. Si se usa una línea serie para leer datos de un sistema remoto y almacenarlos en el disco, se puede usar un buffer para guardar temporalmente los datos hasta que tengan una cierta entidad y sea rentable escribirlos a disco. Si se está leyendo o escribiendo un archivo, se guardan copias de los bloques en memoria para no tener que acceder al disco si se vuelven a leer.

La gestión de los dispositivos agrupa a su vez tres servicios: nombrado, protección y control de acceso.

El nombrado permite traducir los nombres de usuario a identificadores del sistema. Por ejemplo, en UNIX, cada dispositivo tiene un nombre (p. ej.: /dev/cdrom) que se traduce en un único identificador interno (o nodo-i), que a su vez se traduce en un único número de dispositivo principal (clase de dispositivo) y secundario (elemento de la clase). Cada dispositivo tiene asociada una información de protección (en UNIX mediante 3 bits para dueño, grupo y mundo) y este nivel de software asegura que los requisitos de protección se cumplen. Además proporciona control de acceso para que un dispositivo dedicado, como una impresora, sea accedido por un único usuario cada vez.

Una de las funciones principales del sistema de E/S es la planificación de la E/S de los distintos componentes. Para ello se usan colas de peticiones para cada clase de dispositivo, de las que se extraen las peticiones de cada dispositivo en particular. Cada una de estas colas se ordena siguiendo una política de planificación, que puede ser distinta en cada nivel. Imagine el caso de LINUX, donde existe una cola global de peticiones de E/S, ordenadas en orden FIFO, para los discos instalados. Cuando un manejador de disco queda libre, busca la cola global para ver si hay peticiones para él y, si existen, las traslada a su cola de peticiones particular ordenadas según la política SCAN, por ejemplo. Este mecanismo permite optimizar la E/S al conceder a cada mecanismo la importancia que, ajuicio de los diseñadores del sistema operativo, se merece. En el caso de Windows NT, por ejemplo, el ratón es el dispositivo de E/S más prioritario del sistema. La razón que hay detrás de esta política es conseguir un sistema muy interactivo. En otros sistemas, como UNIX, las operaciones de disco son más prioritarias que las del ratón para poder desbloquear rápidamente a los procesos que esperan por la E/S. Sea cual sea el criterio de planificación, todos los sistemas de E/S planifican las actividades en varios lugares.

Por último, este nivel proporciona gestión de errores para aquellos casos que el manejador de dispositivo no puede solucionar. Un error transitorio de lectura de un bloque se resuelve en el manejador reintentando su lectura. Un error permanente de lectura no puede ser resuelto y debe ser comunicado al usuario para que tome las medidas adecuadas. En general, todos los sistemas operativos incluyen alguna forma de control de errores internos y de notificación al exterior en caso de que esos errores no se puedan resolver. Imagine, por ejemplo, que una aplicación quiere leer de un dispositivo que no existe. El sistema de E/S verá que el dispositivo no está y lo notificará a los niveles superiores hasta que el error llegue a la aplicación. Sin embargo, es importante resaltar que los sistemas operativos son cada vez más robustos y cada vez incluyen más control y reparación de errores, para lo cual usan métodos de paridad, checksums, códigos correctores de error, etc. Además, la información que proporcionan cuando hay un error es cada vez mayor.