Unidade I - Gerenciamento de I/O

Subsistema de I/O

Os sistemas de I/O costumam ter algum nível de complexidade, isto ainda é associado a grande diversidade de dispositivos de I/O no mercado; diversos fabricantes; diversos modelos; diversos tipos. Como o sistema operacional controla tudo isto ?

O subsistema de I/O é um módulo do sistema operacional responsável por este controle. Os principais objetivos deste subsistema são:

• reduzir o número de rotinas de acesso (para simplificar);
• permitir a inclusão de um novo device no sistema operacional sem ter que modificar a interface para o usuário final;
• padronizar o acesso aos devices.

O subsistema de I/O é organizado (separado) em 4 camadas fundamentais, cada qual com uma funcionalidade. Cada camada “entrega” à camada superior uma abstração mais simples para acessar a camada inferior; quanto mais alta a camada mais simples ou padronizado é mecanismo de acesso (a abstração). Aqui por abstração, entende-se o nível de complexidade necessário para acessar o dispositivo.

A figura I.4 procura representar este subsistema.

Primeira camada

Esta camada representa o hardware propriamente dito – todos os dispositivos com suas respectivas interfaces e controladoras. Neste nível, toda atividade acontece em nível de comandos eletromecânicos (no caso do HD e leitores de CD/DVD) e eletrônicos.

Segunda camada

Cada device presente na camada de hardware possui seu conjunto próprio de operações e modo de funcionamento. Nesta camada o sistema operacional faz sua interface com o hardware, para cada hardware presente deve haver um driver fazendo a “tradução” dos comandos do sistema operacional para o hardware.

A camada 2 fornece a camada 3 uma visão uniformizada dos dispositivos presentes no computador. Aqui, fica clara a afirmação de Tanenbaum, feita na unidade A, “o sistema operacional esconde do programador o hardware … e também oculta muitas coisas desagradáveis relacionadas com interrupções, temporizadores, gerenciamento de memória e outros recursos de baixo nível”.

Device Driver
O device driver é um módulo de software fornecido pelo fabricante do dispositivo que é “anexado” ao sistema operacional e permite que estes se “conversem”. O device driver é um componente obrigatório para todos os dispositivos presentes. Nos sistemas operacionais atuais, o device driver costuma ser automaticamente carregado na instalação do dispositivo – caso isto não aconteça, o dispositivo não funcionará e será necessário fazer a instalação manualmente.

O driver é sempre dependente do sistema operacional, ou seja, um driver compilado para o sistema operacional GNU/Linux não será compatível com o sistema operacional Microsoft Windows¹

Terceira camada

A terceira camada implementa um conjunto de funções comuns a todos os dispositivos – aqui não temos mais a diversidade das camadas 1 e 2. Os principais procedimentos implementados são:

Escalonamento de I/O:

• controla o acesso ao dispositivo;
• busca organizar o acesso do dispositivo – principalmente quando há concorrência pelo recurso;
• algoritmos escalonadores análogos ao escalonador do processador;

Denominação:

• controla a identificação dos dispositivos, para que o sistema operacional possa fazer referência a este ou aquele dispositivo.
• Em Linux, os nomes dos dispositivos podem ser vistos na pasta /dev²
• O HD SATA por exemplo:
• /dev/sda → identifica o primeiro HD Sata do sistema
• /dev/sdb → identifica o segundo HD Sata do sistema
• /dev/sda1 → identifica a primeira partição do primeiro HD Sata
• /dev/sda2 → identifica a segunda partição do primeiro HD Sata

Bufferização:

• implementa um mecanismo de memória intermediária para fazer o ajuste entre a quantidade de informação que se quer acessar/gravar em um determinado dispositivo;

Cache de dados:

• mecanismo para armazenar os dados mais acessados de um dispositivo, para otimizar o desempenho;
• alguns sistemas operacionais implementam cache de disco com prefetching, onde o objetivo é antecipar a ação do usuário – carregar neste cache os próximos arquivos que serão abertos pelo usuário.

Alocação/liberação:

• mecanismo que gerencia a reserva e a liberação de um recurso;
• impressora por exemplo pode ser usada por usuário por vez – para controlar isto, implementa-se um mecanismo de spool para “enfileirar” as requisições dos usuários.

Direitos de Acesso:

• controle de permissões de acesso para dispositivos;
• podemos permitir/negar a utilização da impressora para este ou aquele usuário.

Tratamento de erros:

• alguns erros podem ser tratados diretamente nesta camada, para diminuir a quantidade de erros ocorridos na próxima camada.

Quarta camada

A quarta camada é a API que o programador faz uso para manipulação dos dispositivos. Aqui tem-se acesso às funções que irão controlar os dispositivos do computador.