DISPOSITIVOS DE E/S

• Tres categorías:
  • Legibles por los humanos.
  • Legibles por la máquina.
  • Dispositivos de comunicaciones.
• Diferencias
  • Velocidad de datos.
  • Aplicaciones.
  • Complejidad de control.
  • Unidad de transferencia.
  • Representación de los datos.
  • Condiciones de error.

TÉCNICAS PARA REALIZAR E/S

• E/S programada.
  • El proceso espera a que termine la operación, antes de seguir.
• E/S dirigida por interrupciones.
  • Una orden de E/S es emitida al módulo de E/S.
  • El procesador continua con las instrucciones siguientes.
  • El módulo de E/S envía una interrupción cuando completa su trabajo.
• Acceso Directo a Memoria (DMA)
  • El módulo DMA controla el intercambio de datos entre la memoria principal y un módulo de E/S.
  • El procesador envía una petición de transferencia de un bloque de datos al módulo DMA y es interrumpido hasta que se haya transferido el bloque entero.

EVOLUCIÓN DE LAS FUNCIONES E/S

• Etapa 1
  • El procesador controla directamente los dispositivos periféricos.
• Etapa 2
  • Se añade un controlador o módulo de E/S

El procesador utiliza E/S programada.

El procesador no necesita manejar los detalles de los dispositivos externos.

• Etapa3
  • Uso del módulo E/S con interrupciones.

El procesador no tiene que esperar a que se realice la operación E/S para seguir ejecutando instrucciones.

• Etapa 4
  • Acceso Directo a Memoria (DMA).

Los bloques de datos son movidos a memoria sin intervención del procesador.

El procesador interviene solo al inicio y al final de la transferencia.

• Etapa 5
  • Mejora el módulo de E/S hasta  llegar a ser un procesador separado con un conjunto de instrucciones especializadas de E/S.
• Etapa 6
  • El módulo de E/S posee su propia memoria local

ACCESO DIRECTO A MEMORIA

• Es capaz de tomar el control para transferir datos desde y hacia la memoria a través del bus del sistema
• El módulo de DMA debe usar el bus solamente cuando el procesador no lo necesite.
• También puede obligar al procesador a suspender temporalmente su operación, a esto se le llama robo de ciclos.
• Cuando el procesador desea grabar o leer un bloque de datos,  utiliza una orden para el módulo DMA enviándole la siguiente información:
  • Comunica la dirección del dispositivo de E/S involucrado, mediante la línea de datos.
  • Comunica la ubicación del comienzo de la lectura o escritura en la memoria mediante la línea de datos y queda almacenada en el registro de dirección del módulo DMA.
  • Comunica el número de palabras a leer o escribir, quedando almacenado en el registro de contador de datos.
• De esta manera el procesador delega la operación E/S al módulo de DMA, cuando este termina la transferencia de datos envía una señal de interrupción  al procesador. Así el procesador esta involucrado solo al inicio y al final de la transferencia.
• Cuando hay un robo de ciclo, el procesador se suspende justo antes de que necesite usar el bus.
• Entonces el DMA transfiere los datos y devuelve el control al procesador.
• Esto no es una interrupción, simplemente el procesador espera un ciclo de bus.
• El efecto final es que el procesador ejecuta más lentamente.

OBJETIVOS DEL DISEÑO DEL SERVICIO DE E/S

• Eficiencia

  • Evitar el cuello de botella que constituyen las operaciones E/S.

Los dispositivos de E/S son extremadamente lentos en comparación con la memoria principal.

• Multiprogramación.

Permite que procesos esperen operaciones de E/S mientras otro proceso se ejecuta.

• Intercambio.

Es una operación  de E/S por  si misma.

• Crear esquemas que mejoren el desempeño de las operaciones de E/S.

• Generalidad

  • Gestionar todos los dispositivos de manera uniforme.
  • Emplear un enfoque jerárquico y modular para el diseño de las funciones de E/S.
  • Ocultando detalles, de forma que los procesos y los niveles superiores del sistema contemplen a los dispositivos en términos de funciones generales: lectura, escritura, apertura, cierre.

ALMACENAMIENTO INTERMEDIO DE LA E/S

• Realizar las transferencias de entrada por adelantado a las peticiones y transferencias de salida un tiempo después de hacer la petición se le conoce como almacenamiento intermedio.
• Razones para el almacenamiento intermedio
  • Los procesos deben esperar a que termine la operación E/S antes de seguir su ejecución.
  • Algunas páginas relacionadas con la operación E/S debe permanecer en memoria principal.
• Dispositivos orientados a bloques
  • Almacenan la información en bloques, haciendo la transferencia de un bloque a la vez. Ejemplos: discos y cintas.
• Dispositivos orientados a flujo
  • Transfieren los datos como una serie de bytes. Ejemplos: impresoras, puertos de comunicación, ratones, etc.

MEMORIA INTERMEDIA SENCILLA

• Para dispositivos orientados a bloque.
  • Las transferencias de entrada se realizan en el espacio del sistema.
  • Cuando se ha completado la transferencia, bloque es movido al espacio de usuario y se solicita otro bloque inmediatamente (lectura por adelantado).
  • El proceso de usuario puede procesar un bloque mientras se está leyendo el siguiente.
  • El sistema operativo podrá expulsar al proceso por que la operación de entrada tiene lugar en el espacio del sistema.
  • El sistema operativo debe guardar constancia de las asignaciones de memoria intermedias

MEMORIA INTERMEDIA SENCILLA

• Para dispositivos orientados a flujo.
  • La operación es línea a línea.
  • La entrada de usuario se realiza por líneas, marcadas con un retorno de carro al final de las mismas.
  • La salida es similar línea a línea.
  • Se emplea la memoria intermedia para guardar una sola línea.
  • El proceso de usuario quedara suspendido, hasta que llegue la línea completa.
  • Para la salida, se coloca una línea en la memoria intermedia y el proceso continua en ejecución.

MEMORIA INTERMEDIA DOBLE

• Existe una mejora al incluir doble almacenamiento intermedio.
• Un proceso puede transferir datos desde o hacia una memoria intermedia, mientras el sistema operativo vacía o rellena el otro.

MEMORIA INTERMEDIA CIRCULAR

• Cuando se emplean más de dos memorias intermedias se le conoce como memoria intermedia circular.
• Cada memoria individual es una unidad en el buffer circular.
• Es útil cuando los procesos tiene distintas operaciones E/S rápidas.
• Se utiliza el esquema productor-consumidor con memoria limitada.

ALMACENAMIENTO INTERMEDIO

• Utilidad
  • Soluciona la alta demanda de operaciones E/S.
  • En entorno multiprogramado donde hay tanto operaciones de E/S así como peticiones de procesamiento, el almacenamiento es una herramienta que puede incrementar la eficiencia del sistema operativo
• Limitantes
  • No existe tamaño en las memorias intermedias que puedan  llevar un ritmo de operaciones E/S indefinidamente.

PLANIFICACIÓN DE DISCOS

• Parámetros de rendimiento del disco

  • Para leer o escribir la cabeza del disco debe posicionarse en la pista deseada, al inicio del sector pertinente.

  • Tiempo de búsqueda

    Es el tiempo que se tarda en ubicar la cabeza en la pista adecuada.

  • Retardo de giro o latencia de giro

    El tiempo que tarda el inicio del sector hasta llegar a la cabeza de lectura.

• Parámetros de rendimiento

  • Tiempo de acceso

    Es la suma del tiempo de búsqueda y el retardo de giro.

El tiempo que se tarda en llegar a la posición de lectura o escritura.

• Una vez que la cabeza está ubicada, se puede llevar a cabo la operación de Lectura o Escritura a medida que el sector se mueve bajo la cabeza; esta es la parte de transferencia real de datos.

POLÍTICAS DE PLANIFICACIÓN DEL DISCO

• La razón de la diferencia en rendimiento puede encontrarse en el tiempo de búsqueda.
• Si las solicitudes de acceso a un sector necesitan de la selección de pista aleatorias entonces, el rendimiento del sistema E/S será pobre.
• La planificación aleatoria es útil como medida comparativa para evaluar otras técnicas.
• Primero en entrar, primero en salir (FIFO)
  • Planificación más sencilla
  • los elementos se procesan de la cola en un orden secuencial.
  • Si hay pocos procesos que requieren acceso y muchas de las peticiones son a sectores agrupados de un archivo, se puede esperar un buen rendimiento.
  • Esta técnica se parece a la planificación aleatoria si hay muchos procesos compitiendo por el disco.

• Prioridad

  • Este enfoque no persigue la optimización del uso del disco, sino cumplir con otros objetivos del sistema operativo.
  • Los trabajos por lotes que sean cortos y los trabajos interactivos reciben con frecuencia una prioridad más alta que trabajos mayores que realizan largas operaciones.
  • Los trabajos mayores pueden esperar excesivamente.
  • Este tipo de política tiende a ser poco favorable para sistemas de bases de datos.

• Último en Entrar, Primero en Salir

  • En los sistemas de proceso de transacciones, conceder el dispositivo al último usuario acarrea pocos o nulos movimientos del brazo al recorrer un fichero secuencial.
  • Si el disco está ocupado con una carga de trabajo larga, existe la posibilidad de inanición.

• Primero el más corto

  • Elegir la solicitud de E/S a disco que requiera el menor movimiento posible del brazo del disco desde su posición actual.
  • Siempre se elige procurando el mínimo tiempo de búsqueda.
  • Se puede usar un algoritmo aleatorio de desempate para resolver los casos de igualdad de distancias.

• SCAN

  • Con las políticas anteriores pueden llegar siempre nuevas peticiones que se elegirán antes que una petición existente. Una alternativa simple que previene este tipo de inanición es esta técnica.
  • El brazo sólo se puede mover en un sentido, resolviendo todas las peticiones pendientes de su ruta, hasta que alcance la última pista o hasta que no haya más peticiones en esa dirección.
  • Es posible cambiar la dirección del rastreo.

• C-SCAN

  • Restringe el rastreo a una sola dirección.
  • Cuando se haya visitado la última pista en un sentido, el brazo vuelve al extremo opuesto del disco y comienza a recorrerlo nuevamente.

• SCAN de N pasos y FSCAN

  • La cola de peticiones del disco puede dividirse en segmentos, procesándose un segmento por completo cada vez.
  • La política del SCAN de N pasos divide la cola de peticiones del disco en subcolas de longitud N.
  • Las subcolas se procesan una a una mediante un SCAN.
• Mientras se procesa una cola, se añadirán nuevas peticiones a las otras. Si hay menos de N peticiones disponibles al final del rastreo, entonces todas serán procesadas en el siguiente recorrido.

• SCAN de N pasos y FSCAN

  • La política FSCAN emplea dos subcolas.
  • Cuando comienza un rastreo, todas las peticiones están en una de las colas y la otra permanece vacía.
  • Todas las peticiones nuevas se colocan en la cola que inicialmente estaba vacía. De este modo, el servicio de nuevas peticiones se retrasará hasta que se hayan procesado las viejas.

VECTOR REDUNDANTE DE DISCOS INDEPENDIENTES, RAID (REDUNDANT ARRAY OF INDEPENDENT DISKS)

• Para mejor rendimiento del sistema, en caso del almacenamiento en disco condujo al desarrollo de vectores de discos que operan independientemente y en paralelo.
• Con múltiples discos las distintas solicitudes se pueden gestionar en paralelo, siempre y cuando los datos residan en discos separados.
• Se puede añadir redundancia para mejor fiabilidad.
• La industria ha acordado un esquema estándar para el diseño de base de datos sobre múltiples discos (RAID).

RAID

• El esquema de RAID consta de siete niveles los cuales comparten tres características comunes.
  • RAID es un conjunto de unidades de disco físico vistas por el sistema operativo como una sola unidad lógica.
  • Los datos están distribuidos a través de las unidades físicas del vector.
  • La capacidad del disco redundante se utiliza para almacenar la paridad, que garantiza la recuperabilidad de datos en caso de fallo de discos.

RAID 0

• Nivel RAID 0
  • No incluye redundancia.
  • Se usa en supercomputadoras donde es más importante la capacidad y rendimiento antes que la fiabilidad.
  • Los datos de usuario y del sistema están distribuidos a lo largo del todo el vector de discos, viéndose como un solo disco lógico.
  • Este disco lógico está divido en bandas, las cuales son bloques físicos.
  • Las bandas se asignan mediante turno rotatorio.

RAID 1

• La redundancia se consigue duplicando los datos.
• Cada banda lógica corresponde con dos discos físicos.
• Una solicitud de lectura la puede atender cualquier de los dos discos, en el que se tenga menor tiempo de acceso.
• Una solicitud de escritura se tiene que hacer en los dos discos, se puede hacer en paralelo.
• La recuperación de fallo es sencilla.
• La principal desventaja es el costo, requiere de doble espacio en el disco lógico.
• Debería limitarse para el  almacenamiento de archivos altamente críticos.
• Mayor rendimiento sobre el RAID 0 cuando hay trabajo intensivo en lecturas siempre y cuando se divida el trabajo en ambos discos.

RAID 2

• Utiliza la técnica de acceso en paralelo, es decir todos los discos participan en la ejecución de cada solicitud de E/S.
• Las bandas son muy pequeñas, a veces de un solo byte.
• Utiliza el código de Hamming para la detección y corrección de errores.
• Si existe un error en un solo bit, se puede reconocer y corregir de manera instantánea.
• Para escribir se tiene que acceder a todos los discos de datos y de paridad.
• RAID 2 sería una selección eficiente en un entorno donde se produjera muchos errores de discos.

RAID 3

• Requiere un solo disco redundante.
• Acceso en paralelo con datos distribuidos en pequeñas bandas.
• Se calcula un solo bit de paridad para el conjunto de bits de la misma posición en todos los discos de datos.
• En el caso de fallo de disco, se accede a la unidad de paridad y se reconstruyen los datos de los dispositivos restantes.
• Se manejan tasas de transferencia alta, sin embargo solo se atiende a una solicitud E/S a la vez por lo que el rendimiento disminuye para manejo de transacciones.

RAID 4

• Técnica de acceso independiente, se pueden satisfacer diferentes solicitudes en paralelo.
• Bandas relativamente grandes.
• Se calcula la paridad bit a bit y se almacena a la banda correspondiente del disco de paridad.
• Para calcular la nueva paridad se requiere los datos anteriores por lo que una actualización requiere de dos lecturas y dos escrituras.

RAID 6

• Realiza dos cálculos distintos de paridad, se almacenan en bloques independientes de discos distintos.
• Posible regeneración de datos incluso si fallan dos discos.

CACHE DE DISCO

• Memoria intermedia situada en la memoria principal para sectores de disco.
• Cuando se hace una solicitud para un sector especifico primero se comprueba en la cache.
• Si no esta, se lee el sector solicitado y se coloca en la cache.
• Cuando una solicitud se satisface con la cache puede hacerse la transferencia hacia el espacio de usuario o simplemente se direcciona a través de punteros.
• Cuando es actualizada la cache de disco es necesario hacer un reemplazo.
• Es posible utilizar el algoritmo del usado menos frecuentemente.
• La implementación se haría asociando un contador a cada bloque, con cada referencia se incrementa el contador, cuando es tiempo de reemplazar el bloque que tenga el menor valor en el contador será reemplazado.