10.1.2.2.3. Gestión de Entrada/Salida

Una tarea fundamental de los SSOO es el control de los periféricos de E/S del ordenador.

10.1.2.2.3.1. Tipos de periféricos

Ya establecimos una primera clasificación de los dispositivos dependiendo de cuál sea el sentido de flujo de la información:

  • De entrada, que introducen en el sistema información externa, como un teclado o un ratón.
  • De salida, que reciben información interna del sistema con el propósito de proporcionársela al usuario, como es el caso de un monitor o una impresora.
  • De entrada/salida, en que el flujo de información es bidireccional, por lo que tanto introducen como reciben información. Es el caso de un módem o una tarjeta de red.

Hay otra clasificación que depende del modo de envío de los datos[1]:

  • Dispositivo de bloques, que es aquel que envía o recibe la información en bloques de tamaño fijo. Por ejemplo, los dispositivos de almacenamiento en que se envía y recibe la información contenida en cada sector (que típicamente es de 512 bytes).
  • Dispositivo de caracteres, que es aquel que envía o recibe la información en bytes (caracteres) individuales. Por ejemplo, el teclado.

10.1.2.2.3.2. Software relacionado

El sistema operativo tiene dedicada una parte a la gestión de los dispositivos de E/S, para lo cual es necesario que:

  • El dispositivo hardware incluya un componente lógico llamado el firmware.
  • El propio sistema operativo disponga de otro componente lógico que se comunique con él denominado driver o controlador, que logra abstraer al resto del sistema operativo y a las aplicaciones de usuarios de los detalles particulares del hardware.

De este modo, al necesitar un proceso la comunicación con un dispositivo lo hace a través de órdenes comunes a todos los dispositivos de su tipo y es el driver el encargado de traducir estas órdenes genéricas a las particulares que necesite ese hardware específico.

En consecuencia, los controladores son específicos para un sistema operativo y hardware específico, de modo que dos impresoras de distinto modelo requerirán sendos drivers para su funcionamiento[2].

Tradicionalmente, los controladores se ejecutan en modo kernel, lo cual provoca problemas cuando fallan ya que pueden dar al traste con todo el sistema operativo. Cada vez es más común, sin embargo, que se ejecuten en modo usuario.

Respecto al autor del controlador, podemos encontrar distintos tipos:

  • Genérico, que son los que vienen incorporados en el propio sistema operativo y cubren un amplio abanico de modelos y marcas, aunque pueden no explotar todas las posibilidades de un dispositivo concreto o mermar el rendimiento.
  • Oficiales, que son los desarrollados y distribuidos por el propio fabricante del software y requieren su instalación explícita. Por lo general, son los que proporcionan un mejor rendimiento.
  • Libres, que son los desarrollados por la comunidad con la colaboración o sin ayuda del propio fabricante. Su calidad depende en gran medida de la información que proporcione el fabricante sobre el diseño del dispositivo.

10.1.2.2.3.3. Interrupciones

La gestión de E/S se basa en el tratamiento de peticiones de interrupción (IRQ por sus siglas en inglés), que son señales que un dispositivo envía al procesador por una línea especial del bus de control para pedirle que interrumpa el proceso en ejecución y pase a ejecutar una rutina de tratamiento de la interrupción. Al recibir una interrupción, el sistema operativo actúa del siguiente modo:

  1. El proceso En ejecución se para y pasa al estado Listo.
  2. Se trata la interrupción que supondrá la actualización de los datos de algún proceso con los datos procedentes del periférico. Como consecuencia de ello, es posible que un proceso Bloqueado pase a estar Listo.
  3. Una vez tratada la interrupción, el proceso que decida el planificador, según el algoritmo que use, ocupará el procesador pasando de Listo a En ejecución.

El bus de control de la placa base dispone de líneas específicas para las peticiones de interrupción. Estas líneas están numeradas y cada una de ellas está dedicada a un tipo de interrupción diferente. Por ejemplo, antiguamente la IRQ2, estaba dedicada al teclado; o las IRQ3 y 4 a los puertos serie. En las placas XT sólo había 8 líneas. En las placas AT se aumentaron las líneas a 16. En los sistemas modernos que usan el controlador APIC diseñado por Intel, hay 24 líneas para interrupciones más ocho líneas extra dedicadas al encaminamiento de interrupciones, y las interrupciones son asignadas dinámicamente por el propio sistema operativo.

10.1.2.2.3.4. Transferencia

Dada que la cantidad de información que se mueve entre la memoria y los dispositivos es ingente, muchos dispositivos como tarjetas gráficas, tarjetas de sonido o dispositivos de almacenamiento, disponen de acceso directo a la memoria (DMA por sus siglas en inglés), de manera que la transferencia puede llevarse a cabo directamente desde el dispositivo a la memoria sin pasar previamente por el procesador. Gracias a ello, la transferencia puede realizarse sin sobrecargar el procesador con muchísimas interrupciones.

Además, para paliar la diferencia de velocidad entre el procesador y los dispositivos de E/S, se usan diversas técnicas:

Caching

Se almacenan datos en una memoria temporal de pequeño tamaño y acceso muy rápido de manera que

  • Cuando se necesita un dato, se comprueba antes de acudir al dispositivo si se encuentra en la memoria caché, de la cuál es más rápido obtenerlo.
  • Mientras haya espacio en la memoria caché, se almacena el dato enviado o recibido del dispositivo de E/S, por si puede ser útil en una operación posterior, y no se borrará de tal memoria hasta que no sea estrictamente necesario, porque falte memoria para almacenar otro dato.
Buffering

Esta técnica consiste en disponer áreas de almacenamiento temporal de lectura y escritura rápidas llamadas buffer (de entrada o de salida), que funcionan del siguiente modo:

  • Cuando un proceso debe enviar datos al dispositivo de salida, envía los datos a un buffer de salida, no al dispositivo, y continúa su ejecución, mientras el dispositivo puede ir obteniendo la información del buffer a su ritmo.
  • Cuando un dispositivo de entrada envía datos, los envía a un buffer de entrada, incluso adelantándose a la petición del sistema operativo. Esto propicia que, si el sistema pide esos datos, los pueda leer del buffer que es mucho más rápido.

Notas al pie

[1]En los sistemas operativos también existen dispositivos virtuales que pueden ser de bloques o de caracteres. En este caso, nos referimos exclusivamente a dispositivos físicos, esto es, periféricos.
[2]Sin perjuicio de que dos modelos muy, muy parecidos puedan compartir un driver común, porque comparten el mismo chipset.