5.2 Noción de archivo real y virtual.

Un archivo virtual (Fig.5.2.1), es un archivo de uso temporal que es utilizado por los procesos del sistema mientras se están ejecutando dichos procesos. Estos archivos se crean durante la ejecución de un sistema y los utiliza para el almacenamiento de información, intercambio y organización mientras se ejecuta el sistema (Fig. 5.2.2), su tamaño es muy variable y terminan al detener la ejecución del sistema, muchos de ellos son borrados, por ejemplo, los archivos *.tmp(Fig. 5.2.3) .
Se le conoce como archivo virtual, aquel que contiene los datos generados por el usuario.

Fig.5.2.1 Archivo virtual

Fig. 5.2.2 Ejecución del proceso

Fig. 5.2.3 Archivos temporales(*.tmp)

Archivo Real (Fig. 5.2.4) : Es un objeto que contiene programas, datos o cualquier otro elemento.
Un archivo se muestra de manera real, en la información del espacio que ocupa en un disco duro o sistema de almacenamiento, en otras palabras su tamaño en bytes.

Fig. 5.2.4 Ejemplos de archivos reales

5.1 CONCEPTO DE SISTEMAS DE ARCHIVOS

UNIDAD 5 SISTEMAS DE ARCHIVOS

Concepto 1: 
Son los algoritmos y estructuras lógicas utilizadas para poder acceder a la información que tenemos en el disco. Cada uno de los sistemas operativos crea estas estructuras y logaritmos de diferente manera independientemente del hardware. 

El desempeño de nuestro disco duro, la confiabilidad, seguridad, capacidad de expansión y la compatibilidad, estará en función de estas estructuras lógicas. 

Fat 12: 
Es el sistema de archivos de DOS, y es con el que formateamos los disquetes. Fue muy utilizado en las primeras PCs. 

Fat 16: 
Este sistema de archivos tenia muchas limitaciones, por ejemplo si el disco duro era mayor de 2 GB, era imposible particionarlos y no usaba nombre largos en los archivos, solo 8 caracteres. 

Fat 32: 
Fue utilizado a partir de 1997, y pudo ser utilizado en Windows 98, pero a medida que el tamaño de los discos duros se incrementaba, surgieron nuevas limitaciones. Se llamo Fat32, por que utiliza números de 32 bits para representar a los clusters en lugar de los 16 en los sistemas anteriores. 

NTFS

Fig. 5.1.1 Archivos NTFS

Especialmente creado para usarlo en Windows NT, es mas complejo que los FAT. El propósito era satisfacer la demanda y necesidades de de seguridad y eficacia para servidores y otras aplicaciones en red. No tiene limitaciones de tamaño clusters y en general en el disco. Una ventaja de este sistema de archivos es que tiene un sistema antifragmentación. 

Linux:

Fig. 5.1.2 Logo Linux 

Este sistema de archivos trabaja de manera totalmente distinta, las particiones del disco se colocan en el directorio raíz. Podemos incluso tener diferentes particiones y cada una de ellas tener su propio sistema de archivos.

Concepto 2 : 
En computación, un sistema de archivos es un método para el almacenamiento y organización de archivos de computadora y los datos que estos contienen, para hacer más fácil la tarea encontrarlos y accederlos. Los sistemas de archivos son usados en dispositivos de almacenamiento como discos duros y CD-ROM e involucran el mantenimiento de la localización física de los archivos. 

Más formalmente, un sistema de archivos es un conjunto de tipo de datos abstractos que son implementados para el almacenamiento, la organización jerárquica, la manipulación, el acceso, el direccionamiento y la recuperación de datos. Los sistemas de archivos comparten mucho en común con la tecnología de las bases de datos.
Los sistemas de archivos pueden ser representados de forma textual (ej.: el shell de DOS) o gráficamente (ej.: Explorador de archivos en Windows) utilizando un gestor de archivos.

El software del sistema de archivos se encarga de organizar los archivos (que suelen estar segmentados físicamente en pequeños bloques de pocos bytes) y directorios, manteniendo un registro de qué bloques pertenecen a qué archivos, qué bloques no se han utilizado y las direcciones físicas de cada bloque.
Los sistemas de archivos pueden ser clasificados en tres categorías: sistemas de archivo de disco, sistemas de archivos de red y sistemas de archivos de propósito especial.

Ejemplos de sistemas de archivos son: FAT, UMSDOS, NTFS, UDF, ext2, ext3, ext 4, ReiserFS, XFS, etc.
Concepto 3 : 

Fig. 5.1.3 Administración de archivos por el sistema operativo 
Los archivos son administrados por el sistema operativo como se muestra en la Fig. 5.1.3. Su estructura, nombre, forma de acceso, uso, protección e implantación son temas fundamentales en el diseño de un sistema operativo. Aquella parte del sistema operativo que trabaja con los archivos se conoce, como un todo, como el sistema de archivos. 

Concepto 4 : 
Debido a su importancia, es necesario que un sistema operativo tenga la capacidad de leer, escribir, acceder y mantener la integridad de un sistema de archivos. Un sistema de archivos provee al usuario con una abstracción que le permitirá crear con facilidad colecciones de datos llamados archivos. Estas colecciones deberán tener los siguientes requisitos o propiedades:

• Existencia a largo tiempo: Los archivos deberán ser almacenados sobre una unidad de almacenamiento y deberán permanecer allí aun cuando el usuario apague el ordenador.
• Deberán tener la capacidad de ser compartidos: Los archivos tendrán nombres que los identifique y deberán poseer permisos de acceso los cuales permitirán el compartimiento controlado entre procesos.
• Deberán poseer una estructura definida: Dependiendo del tipo de sistema de archivos, un archivo deberá poseer una estructura definida y conveniente; permitiendo que los archivos puedan ser organizados en orden jerárquico o en cualquier otro orden para reflejar su relación con otros archivos.

El sistema de archivos como hemos dicho, posee una abstracción que permite realizar varias operaciones sobre los archivos. Entre estas operaciones tenemos:

• Crear un archivo: El usuario o un proceso podrá crear un nuevo archivo el cual tomará una posición dentro de la estructura del sistema de archivos.
• Borrar un archivo: Un archivo podrá ser borrado de la estructura.
• Abrir un archivo: Un proceso podrá abrir un archivo permitiendo el acceso a la información contenida por dicho archivo. El proceso podrá ejecutar varias funciones sobre la información del archivo como leer, escribir, reemplazar, etc.
• Cerrar un archivo: Un proceso puede cerrar el archivo dejando atrás los privilegios de acceder a dicho archivo.
• Leer: Un proceso podrá leer parte de la información contenida en un archivo
• Escribir: Un proceso podrá añadir o reemplazar información en un archivo.

Los sistemas de archivos también mantienen una estructura de atributos asociada con cada uno de los archivos la cual provee información sobre la situación actual de un archivo, quien es su dueño, el tamaño del archivo, cuando fue creado, cuando fue modificado, privilegios de acceso, entre otros. 

Funciones del Sistema de Archivos. 

Fig. 5.1.4 Manipulación de archivos. 

Los usuarios deben poder crear, modificar y borrar archivos como se muestra en la Fig. 5.1.4.
Se deben poder compartir los archivos de una manera cuidadosamente controlada.
El mecanismo encargado de compartir los archivos debe proporcionar varios tipos de acceso controlado:

• Ej.: “Acceso de Lectura” , “Acceso de Escritura” , “Acceso de Ejecución” , varias combinaciones de estos, etc.

Se debe poder estructurar los archivos de la manera más apropiada a cada aplicación.
Los usuarios deben poder ordenar la transferencia de información entre archivos.
Se deben proporcionar posibilidades de “respaldo” y “recuperación” para prevenirse contra:

• La pérdida accidental de información.
• La destrucción maliciosa de información.

Se debe poder referenciar a los archivos mediante “Nombres Simbólicos” , brindando“Independencia de Dispositivos” .
En ambientes sensibles, el sistema de archivos debe proporcionar posibilidades de “Cifrado” y“Descifrado”. 
El sistema de archivos debe brindar una interfase favorable al usuario:

• Debe suministrar una “visión lógica” de los datos y de las funciones que serán ejecutadas, en vez de una “visión física”.
• El usuario no debe tener que preocuparse por:
• Los dispositivos particulares.
• Dónde serán almacenados los datos.
• El formato de los datos en los dispositivos.
• Los medios físicos de la transferencia de datos hacia y desde los dispositivos.

4.4 Operaciones de entrada/salida

Tanto en la E/S programada como la basada en interrupciones, la CPU debe encargarse de la transferencia de datos una vez que sabe que hay datos disponibles en el controlador. Una mejora importante para incrementar la concurrencia entre la CPU y la E/S consiste en que el controlador del dispositivo se pueda encargar de efectuar la transferencia de datos, liberando de este trabajo a la UCP, e interrumpir a la UCP sólo cuando haya terminado la operación completa de E/S. Esta técnica se denomina acceso directo a memoria (DMA, Direct Memory Access).

Cuando se utiliza acceso directo a memoria, es el controlador el que se encarga directamente de transferir los datos entre el periférico y la memoria principal, sin requerir intervención alguna por parte del procesador. Esta técnica funciona de la siguiente manera: cuando el procesador desea que se imprima un bloque de datos, envía una orden al controlador indicándole la siguiente información:



• Tipo de operación: lectura o escritura.• La dirección de memoria desde la que se va a leer o a la que va a escribir directamente con el controlador de dispositivo (dirección).• Periférico involucrado en la operación.

• El número de bytes a transferir (contador).

Donde el campo Operación corresponde al código de operación de las instrucciones máquina normal. Especifica la operación que debe realizar la CCW. La unidad de control decodifica este campo y envía las señales adecuadas de control al dispositivo. Existen varias operaciones, las más importantes son las siguientes:

• Lectura: el canal transfiere a memoria principal un bloque de palabras de tamaño especificado en el campo nº de palabras, en orden ascendente de direcciones, empezando en la dirección especificada en el campo dirección del dato.

• Escritura: el canal transfiere datos de memoria principal al dispositivo. Las palabras se transfieren en el mismo orden que en la operación de lectura.

• Control: se utiliza esta orden para enviar instrucciones específicas al dispositivo de E/S, como rebobinar una cinta magnética, etc.

• Bifurcación: cumple en el programa de canal la misma función que una instrucción de salto en un programa normal. El canal ejecuta las CCW en secuencia, salvo cuando aparece una CCW de este tipo, que utiliza el campo dirección del dato como la dirección de la siguiente CCW a ejecutar.

Los pasos a seguir en una operación de E/S con DMA son los siguientes:

1. Programación de la operación de E/S. Se indica al controlador la operación, los datos a transferir y la dirección de memoria sobre la que se efectuará la operación.

2. El controlador contesta aceptando la petición de E/S.

3. El controlador le ordena al dispositivo que lea (para operación de lectura) una cierta cantidad de datos desde una posición determinada del dispositivo a su memoria interna.

4. Cuando los datos están listos, el controlador los copia a la posición de memoria que tiene en sus registros, incrementa dicha posición de memoria y decremento el contador de datos pendientes de transferir.

5. Los pasos 3 y 4 se repiten hasta que no quedan más datos por leer.

6. Cuando el registro de contador está a cero, el controlador interrumpe a la UCP para in dicar que la operación de DMA ha terminado.

Inicio y control de los programas de canal

Hemos visto cómo se utilizan los programas de canal para realizar operaciones de E/S. Estos programas residen en la memoria principal del computador y se ejecutan en el canal. Vamos a examinar ahora la forma en que la CPU inicia y supervisa las operaciones de E/S, es decir, el programa de canal. En el IBM S/370 existen cuatro instrucciones máquina que la CPU puede utilizar para estos fines. Son las siguientes:

• START I/O Inicia una operación de E/S. El campo de dirección de la instrucción se emplea para especificar el canal y el dispositivo de E/S que participa en la operación.

• HALT I/O Finaliza la operación del canal.

• TEST CHANNEL Prueba el estado del canal.

• TEST I/O Prueba el estado del canal, el subcanal y el dispositivo de E/S.

Una operación de E/S se inicia con la instrucción START I/O. La ubicación del programa de canal en la memoria principal viene definida en la palabra de dirección de canal (CAW: Channel Address word), que siempre está almacenada en la posición 72 de la memoria principal.

Funciones implicadas en las operaciones de entrada/salida

Para que un computador pueda ejecutar un programa debe ser ubicado previamente en la memoria, junto con los datos sobre los que opera, y para ello debe existir una unidad funcional de entrada de información capaz de escribir en la memoria desde el exterior. Análogamente, para conocer los resultados de la ejecución de los programas, los usuarios deberán poder leer el contenido de la memoria a través de otra unidad de salida de datos. La unidad de Entrada/Salida (E/S) soporta estas funciones, realizando las comunicaciones del computador (memoria) con el mundo exterior (periféricos). Los dispositivos periféricos que se pueden conectar a un computador se suelen clasificar en tres grandes grupos:

Dispositivos de presentación de datos. Son dispositivos con los que interactúan los usuarios, portando datos entre éstos y la máquina, por ejemplo, ratón, teclado, pantalla, impresora, etc.

• Dispositivos de almacenamiento de datos. Son dispositivos que forman parte de la jerarquía de memoria del computador. Interactúan de forma autónoma con la máquina, aunque también sirven para el intercambio de datos con el usuario, por ejemplo, los discos magnéticos.

• Dispositivos de comunicación con otros procesadores. Permiten la comunicación con procesadores remotos a través de redes, por ejemplo, las redes de área local o global.

• Dispositivos de adquisición de datos. Permiten la comunicación con sensores y actuadores que operan de forma autónoma en el entorno del computador. Se utilizan en sistemas de control automático de procesos por computador y suelen incorporar conversores de señales A/D y D/A.




Los dispositivos de transporte y presentación de datos representan una carga muy baja de trabajo para el procesador comparados con los dispositivos de almacenamiento. La siguiente tabla muestra las velocidades de transferencia típicas para diferentes dispositivos.


Aunque la velocidad de transferencia de los dispositivos de presentación de datos ha sido tradicionalmente lenta comparada con la de los dispositivos de almacenamiento, en los últimos tiempos la situación está cambiando. Cada vez más, los computadores se utilizan para manejar documentos multimedia que constan de gráficos, vídeos y voz. La siguiente tabla presenta algunos parámetros de transferencia para los dispositivos modernos de E/S multimedia.

• Los gráficos requieren una gran capacidad de procesamiento de datos, hasta el punto que se han diseñado procesadores de propósito especial para manejar de forma eficiente las representaciones gráficas (GPU: Graphic Processor Unit).

• El problema del vídeo es simplemente la animación de los problemas gráficos, ya que debe crearse una nueva imagen cada 1/30 de segundo (33 milisegundos).

• El procesamiento de la voz es también elevado porque exige la creación o el reconocimiento de varios fonemas en tiempo real. De hecho es el medio que más capacidad de procesamiento requiere debido a que presenta el mayor grado de intolerancia por retrasos en el usuario.

Los dispositivos periféricos que pueden conectarse a un computador para realizar entrada y salida de información presentan, pues, las siguientes características:

• Tienen formas de funcionamiento muy diferentes entre sí, debido a las diferentes funciones que realizan y a los principios físicos en los que se basan.

• La velocidad de transferencia de datos es también diferente entre sí y diferente de la presentada por la CPU y la memoria.

• Suelen utilizar datos con formatos y longitudes de palabra diferentes

No obstante estas diferencias, existen una serie de funciones básicas comunes a todo dispositivo de E/S:

• Identificación única del dispositivo por parte de la CPU

• Capacidad de envío y recepción de datos

• Sincronización de la transmisión, exigida por la diferencia de velocidad de los dispositivos de E/S con la CPU

La identificación del dispositivo se realiza con un decodificador de direcciones. El envío y la recepción de datos tienen lugar a través de registros de entrada y salida de datos. Los circuitos de sincronización se manipulan por medio de registros de estado y control. El siguiente esquema representa gráficamente estas funciones:




Las tres funciones básicas se pueden realizar a través del bus del sistema que conecta la memoria y la CPU, o bien se puede utilizar un bus específico para las operaciones de E/S. Estas alternativas se traducen en dos formas de organización de los espacios de direcciones:

Espacios de direcciones unificados

• Las unidades de E/S se ubican en el espacio único de direcciones como si fuesen elementos de Memoria.

• A cada unidad de E/S se le asigna un conjunto de direcciones (suficiente para diferenciar todos sus registros internos).

• La interacción entre CPU y unidad de E/S se realiza a través de instrucciones de referencia a memoria. El bus del sistema es único.




Espacios de direcciones independientes (Memoria y E/S)

• Las unidades de E/S se ubican en un espacio de direcciones diferente al de memoria.

• La interacción entre CPU y unidad de E/S se realiza a través de instrucciones específicas de E/S. La separación de espacios de direcciones puede soportarse con un bus único de uso compartido entre Memoria y E/S en función del estado de una línea de control MEM/IO:







Pero el desdoblamiento de espacios de direcciones puede responder a la existencia de dos buses independientes, uno para memoria (bus del sistema) y otro para E/S:







Funcionalmente son equivalentes, pero desde el punto de vista de la codificación de programas difieren en el uso de las instrucciones. En el caso de E/S asignada en memoria se utilizan instrucciones de referencia a memoria, mientras que para E/S aislada existe un grupo particular de instrucciones para realizar esta función.





Conclusión:


En este tema pudimos ver algo que conocemos, que usamos a diario pero que tal vez no sabíamos completamente su funcionamiento como lo son los controladores, como funciona, en que sirven, e indiferentemente de eso, como es que funciona la comunicación de estos artefactos, como se logra comunicar una computadora con el ratón o con el teclado, y como es que realmente hace eso.


También pudimos ver cómo es que actúan los softwares, que caminos usan, cuales son los diferentes métodos y procesos que utiliza para hacer que funciones.


Pareciera no ser un tema extenso pero lo es, ya que conlleva un sinfín de métodos, orden, y formas en lograr comunicarse los diferentes periféricos.

4.3 Mecanismos y funciones de los manejadores de dispositivos: Device Drivers

Estructura simple o sistema monolítico

El sistema MS-DOS es, sin duda, el mejor sistema operativo para microcomputadoras. Sin embargo, sus interfaces y niveles de funcionalidad no están bien definidos. Los programas de aplicación pueden acceder a operaciones básicas de entrada / salida para escribir directamente en pantalla o discos. Este libre acceso, hace que el sistema sea vulnerable, ya que un programa de aplicación puede eliminar por completo un disco rígido por alguna falla. Además este sistema, también está limitado al hardware sobre el que corre.
Otra estructura simple es la utilizada por la versión original de UNIX, esta consiste de dos partes separadas, el kernel y los programas de sistemas. El kernel fue posteriormente separado en manejadores (drivers) de dispositivos y una serie de interfaces. El kernel provee el sistema de archivos, la programación de CPU, el administrador de memoria y otras funciones del sistema operativo que responden a las llamadas del sistema enunciadas anteriormente.




Es una forma de relación entre el kernel y el software los sistemas operativos que usaron este sistema fueron freedbsd, unix y linux.

Estructura por capas (layers)
Las nuevas versiones de UNIX se diseñaron para hardware más avanzado. Para dar mayor soporte al hardware, los sistemas operativos se dividieron en pequeñas partes. Ahora los sistemas operativos tienen mayor control sobre el hardware y las aplicaciones que se ejecutan sobre este.
La modularizacion de un sistema se puede presentar de varias formas, la más utilizada es la de capas, la cual consiste en dividir al sistema operativo en un número de capas. La capa de menor nivel es el hardware y la de mayor nivel es la interfaz con el usuario.
La principal ventaja es que cada capa cumple con una serie de funciones y servicios que brinda a las otras capas, esto permite una mejor organización del sistema operativo y una depuración más fácil de este.
Es una estructura organizada jerárquicamente cada una construidas de menor a mayor.

Cada capa se implementa solo utilizando las operaciones provistas por la capa de nivel inferior. Una capa no necesita saber cómo se implementan estas funciones, solo necesita saber que operaciones puede realizar.

Los procesos de usuario emiten peticiones de E/S 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.

En el manejo de los dispositivos de E/S es necesario, introducir dos nuevos términos:

BUFFERING (uso de memoria interna)

Trata de mantener ocupados tanto la CPU como los dispositivos de E/S. Los datos se leen y se almacenan en un buffer, una vez que los datos se han leído y la CPU va a iniciar inmediatamente la operación con ellos, el dispositivo de entrada es introducido para iniciar inmediatamente la siguiente lectura.

La CPU y el dispositivo de entrada permanecen ocupados. Cuando la CPU este libre para el siguiente grupo de datos, el dispositivo de entrada habrá terminado de leerlos. La CPU podrá empezar el proceso de los últimos datos leídos, mientras el dispositivo de entrada iniciara la lectura de los datos siguientes.

SPOOLING

Esta forma de procesamiento de denomina spooling, utiliza el disco como un buffer muy grade para leer tan por delante como sea posible de los dispositivos de entrada y para almacenar los ficheros hasta que los dispositivos de salida sean capaces de aceptarlos.

Es una característica utilizada en la mayoría de los sistemas operativos.

Manejadores de interrupción

Los manejadores de interrupción se encargan de tratar las interrupciones que generan los controladores 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).

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 CPU. El Sistema Operativo generalmente trabaja con el controlador y no con el dispositivo.
Técnicas de E/S

E/S programada: El procesador emite una orden de E/S de parte de un proceso a un módulo de E/S; el proceso espera entonces a que termine la operación, antes de seguir.
E/S dirigida por interrupciones: El procesador emite una orden de E/S de parte de un proceso, continua la ejecución de las instrucciones siguientes y el módulo de E/S lo interrumpe cuan do completa su trabajo. Las instrucciones siguientes pueden ser del mismo proceso, si no es necesario para este esperar la terminación de E/S. en otro caso, el proceso se suspende a la espera de la interrupción, mientras se realiza otro trabajo.
Acceso Directo a la Memoria (DMA): un módulo de 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 se interrumpe solo cuando se ha transferido el bloque entero.

En la mayoría de los sistemas informáticos, el DMA es la forma dominante de transferencia ofrecida por el sistema operativo.









Sin interrupciones Con interrupciones

Transferencia de E/S a memoria a través del procesador E/S programada E/S dirigida por interrupciones
Transferencia de E/S directa a memoria Acceso directo a memoria (DMA)


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.

Funciones generalmente realizadas por el software independiente del dispositivo:
• Interfaz uniforme para los manejadores de dispositivos.
• Nombres de los dispositivos.
• Protección del dispositivo.
• Proporcionar un tamaño de bloque independiente del dispositivo.
• Uso de buffer.
• Asignación de espacio en los dispositivos por bloques.
• Asignación y liberación de los dispositivos de uso exclusivo.
• Informe de errores.

Las funciones básicas del software independiente del dispositivo son:
• Efectuar las funciones de e / s comunes a todos los dispositivos.
• Proporcionar una interfaz uniforme del software a nivel usuario.

El software independiente del dispositivo asocia los nombres simbólicos de los dispositivos con el nombre adecuado.
Un nombre de dispositivo determina de manera única el nodo-i de un archivo especial:
• Este nodo-i contiene el número principal del dispositivo, que se utiliza para localizar el manejador apropiado.
• El nodo-i contiene también el número secundario de dispositivo, que se transfiere como parámetro al manejador para determinar la unidad por leer o escribir.

El software independiente del dispositivo debe:
• Ocultar a los niveles superiores los diferentes tamaños de sector de los distintos discos.
• Proporcionar un tamaño uniforme de los bloques, por ej.: considerar varios sectores físicos como un solo bloque lógico.

4.1 Dispositivos y manejadores de dispositivos: Device Drivers

Se denomina periféricos a los aparatos o dispositivos auxiliares e independientes conectados a la unidad central de procesamiento de una computadora.
Se consideran periféricos tanto a las unidades o dispositivos a través de los cuales la computadora se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.
Se pueden clasificar en dos grandes categorías:

• Dispositivos de bloques: dispositivos que almacenan la información en bloques de tamaño fijo (discos)
• Dispositivos de caracteres: maneja la información mediante un flujo de caracteres sin estructurarlos en bloques (mouse, teclado, impresora)
Las principales características de los dispositivos de bloque son:
• La información se almacena en bloques de tamaño fijo.
• Cada bloque tiene su propia dirección.
• Los tamaños más comunes de los bloques van desde los 128 bytes hasta los 1.024 bytes.
• Se puede leer o escribir en un bloque de forma independiente de los demás, en cualquier momento.
• Un ejemplo típico de dispositivos de bloque son los discos.
Las principales características de los dispositivos de carácter son:
• La información se transfiere como un flujo de caracteres, sin sujetarse a una estructura de bloques.
• No se pueden utilizar direcciones.
• No tienen una operación de búsqueda.
• Un ejemplo típico de dispositivos de carácter son las impresoras de línea, terminales, interfaces de una red, ratones, etc.
Todos los dispositivos de E/S se pueden agrupar en tres grandes grupos:
• Dispositivos de interfaz de usuario. Se llama así a los dispositivos que permiten la comunicación entre los usuarios y la computadora. Dentro de este grupo se incluyen todos los dispositivos que sirven para proporcionar interfaz con el usuario, tanto para entrada (ratón, teclado, etc.) como para salida (impresoras, pantalla, etc.). Existen periféricos menos habituales, pero más sofisticados, tales como un escáner, lectores de huella digital, lectores de cinta magnética, instrumentos musicales digitales (MIDI), etc.
• Dispositivos de almacenamiento. Se usan para proporcionar almacenamiento no volátil de datos y memoria. Su función primordial es abastecer de datos y almacenamiento a los programas que se ejecutan en la UCP. Según su capacidad y la inmediatez con que se puede acceder a los datos almacenados en estos dispositivos, se pueden dividir en almacenamiento secundario (discos y disquetes) y terciario (cintas).
• Dispositivos de comunicaciones. Permiten conectar a la computadora con otras computadoras a través de una red. Los dos tipos de dispositivos más importantes de esta clase son los módem, para comunicación vía red telefónica, y las tarjetas de interfaz a la red, para conectar la computadora a una red de área local.

En cualquier caso, y sea como sea el controlador, su misión es convertir los datos del formato interno del dispositivo a uno externo que se ofrezca a través de una interfaz de programación bien definida. Los controladores de dispositivo se suelen agrupar en alguna de las siguientes categorías o clases:
• Adaptadores de audio (tarjetas de sonido).
• Dispositivos de comunicación (infrarrojos, módems, etc).
• Dispositivos de visualización; pantallas (displays).
• Teclados.
• Ratón (“mouse” y otros señaladores gráficos).
• Dispositivos multimedia.
• Dispositivos de Red.
• Impresoras.
• Almacenamiento
Algunos dispositivos de entrada y salida:

• Entrada:
 Teclado
 Ratón
 Joystick
 Lápiz óptico
 Micrófono
 Webcam
 Escáner
 Escáner de código de barras
• Salida:
 Monitor
 Altavoz
 Auriculares
 Impresora
 Plotter
 Proyector
• Entrada/salida (mixtos):
 Unidades de almacenamiento: CD, DVD, Blu-ray, Memory cards, Disco Duro Externo, Disco duro, Pendrive USB.
 Módem
 Router
 Pantalla táctil
 Tarjeta de red



Controladores de dispositivos
Un controlador (instaladores) de dispositivos, normalmente llamado controlador en inglés (device driver) es un programa que informático que permite al sistema operativo interactuar con un periférico, haciendo una abstracción del hardware del dispositivo y proporcionando una interfaz - posiblemente estandarizada - para usarlo. Se puede esquematizar como un manual de instrucciones que se indica al sistema operativo, cómo debe controlar y comunicarse con un dispositivo en particular. Por lo tanto es una pieza esencial, sin el cual, no se podría usar el hardware. Los controladores de dispositivos son programas añadidos al núcleo del sistema para gestionar periféricos y dispositivos oficiales.
Existen tantos tipos de controladores como tipos de periféricos y es común más de un tipo de controlador posible para el mismo dispositivo, cada uno ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades. Por ejemplo, aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la página web del fabricante se pueden encontrar también los proporcionados por el sistema operativo o también versiones no oficiales hechas por terceros.

Las unidades de e / s generalmente constan de:
• Un componente mecánico.
• Un componente electrónico, el controlador del dispositivo o adaptador.
Muchos controladores pueden manejar más de un dispositivo. El S. O. generalmente trabaja con el controlador y no con el dispositivo.
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:
o Comienza con un preámbulo.
o Sigue con una serie de bits (de un sector de disco, por ej.).
o Concluye con una suma para verificación o un código corrector de errores.
• El preámbulo:
o Se escribe al dar formato al disco.
o Contiene el número de cilindro y sector, el tamaño de sector y otros datos similares.
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.

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.
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.


Cada controlador posee uno o más registros de dispositivos:
• Se utilizan para darle los comandos.
• Los manejadores de dispositivos proveen estos comandos y verifican su ejecución adecuada.
La labor de un manejador de dispositivos es la de:
• Aceptar las solicitudes abstractas que le hace el software independiente del dispositivo.
• Verificar la ejecución de dichas solicitudes.
Si al recibir una solicitud el manejador está ocupado con otra solicitud, agregara la nueva solicitud a una cola de solicitudes pendientes.
La solicitud de e / s, por ej. Para un disco, se debe traducir de términos abstractos a términos concretos:
• Estimar el lugar donde se encuentra en realidad el bloque solicitado.
• Verificar si el motor de la unidad funciona.
• Verificar si el brazo está colocado en el cilindro adecuado, etc.
• Resumiendo: debe decidir cuáles son las operaciones necesarias del controlador y su orden.
• Envía los comandos al controlador al escribir en los registros de dispositivo del mismo.
• Frecuentemente el manejador del dispositivo se bloquea hasta que el controlador realiza cierto trabajo; una interrupción lo libera de este bloqueo.
• Al finalizar la operación debe verificar los errores.
• Si todo está bien transferirá los datos al software independiente del dispositivo.
• Regresa información de estado sobre los errores a quien lo llamo.
• Inicia otra solicitud pendiente o queda en espera.

unidad 4 Administracion de entrada/salida

Vamos a señalar las funciones que debe realizar un computador para ejecutar trabajos de entrada/salida:

     - Direccionamiento o selección del dispositivo que debe llevar a cabo la operación de E/S.
     - Transferencia de los datos entre el procesador y el dispositivo (en uno u otro sentido).
     - Sincronización y coordinación de las operaciones.
Esta ultima función es necesaria debido a la deferencia de velocidades entre los dispositivos y la CPU y a la independencia que debe existir entre los periféricos y la CPU (por ejemplo, suelen tener relojes diferentes). 

Se define una transferencia elemental de información como la transmisión de una sola unidad de información (normalmente un byte) entre el procesador y el periférico o viceversa. Para efectuar una transferencia elemental de información son precisas las siguientes funciones:

    - Establecimiento de una comunicación física entre el procesador y el periférico para la transmisión de la unidad de         información.
    - Control de los periféricos, en que se incluyen operaciones como prueba y modificación del estado del periférico. Para         realizar estas funciones la CPU gestionara las líneas de control necesarias. 

Definiremos una operación de E/S como el conjunto de acciones necesarias para la transferencia de un conjunto de datos (es decir, una transferencia completa de datos). Para la realización de una operación de E/S se deben efectuar las siguientes funciones:

    - Recuento de las unidades de información transferidas (normalmente bytes) para reconocer el fin de operación.
    - Sincronización de velocidad entre la CPU y el periférico.
    - Detección de errores (e incluso corrección) mediante la utilización de los códigos necesarios (bits de paridad, códigos de        redundancia cíclica, etc.)
    - Almacenamiento temporal de la información. Es más eficiente utilizar un buffer temporal específico para las operaciones        de E/S que utilizan el área de datos del programa.
    - Conversión de códigos , conversión serie/paralelo, etc.