Gerenciamento de I/O e Interrupções

Parte 1 - Visão Geral e Mecanismos

Engenharia de Computação
Pontifícia Universidade Católica de Campinas

Prof. Dr. Denis M. L. Martins

Objetivos de Aprendizagem

Ao final desta aula, você será capaz de:

• Explicar técnicas de gerenciamento de I/O.
  • Incluindo a sequência de eventos sob técnicas síncronas e assíncronas (polling vs interrupções)
• Discutir as vantagens e desvantagens das técnicas de gerenciamento de I/O
• Explicar (interrupção) livelock e mitigação via técnica híbrida.

Questões principais

• Como podemos gerenciar I/O?
  • Solução simples: Loop para aguardar I/O Polling
  • Por que manter a CPU ocupada em um loop quando nada acontece?
  • Com multitasking, esse tempo é desperdiçado, pois, outras tarefas poderiam utilizar melhor a CPU.
• Como podemos melhorar o processamento de I/O em relação ao polling?
  • Adicionar interrupções como mecanismo de notificação de I/O.
  • Como organizar o I/O então?
  • Qual o overhead (sobrecarga) que surge?

Visão Geral

• I/O é um dos aspectos mais importantes na operação de um computador
• Desafios:
  • Dispositivos de I/O variam muito
  • Métodos diversos para controlá-los
  • Gerenciamento de desempenho
  • Novos dispositivos surgem frequentemente

Visão Geral (cont.)

• Os dispositivos de I/O são componentes que interagem com o SO (Sistema Operacional).
• Alguns recebem solicitações e entregam resultados
  • Ex.: disco, impressora, placa de rede.
• Outros geram eventos por conta própria
  • Ex.: temporizador/relógio, teclado, placa de rede.

Visão Geral (cont.)

• Função do SO: gerenciar e controlar operações e dispositivos de I/O
• Driver de dispositivo: Interface uniforme para o subsistema de I/O
  • Encapsula detalhes do hardware do dispositivo
  • Kernel do SO estruturado para usar módulos de driver de dispositivo.

Estrutura do Kernel para gerenciamento de I/O

Fonte da Imagem: A. Silberschatz et. al, Operating Systems Concepts, capítulo 13.

Estrutura Típica de Barramento em PCs

Fonte da Imagem: A. Silberschatz et. al, Operating Systems Concepts, capítulo 13.

Hardware de I/O

• Grande variedade de dispositivos de I/O:
  • Armazenamento
  • Interface humana
• Conceitos comuns:
  • Porta: ponto de conexão do dispositivo
  • Barramento: compartilhamento ou conexão em cadeia
• Exemplos:
  • Barramento PCI comum em PCs
  • PCI Express (PCIe) em servidores modernos
  • SAS (Serial Attached SCSI) para discos

Hardware de I/O (cont.)

• Controlador (adaptador de host):

  • Opera porta, barramento e dispositivo
  • Pode ser integrado ou em placa separada
  • Contém processador, microcódigo, memória privada, etc.

• Alguns controladores por dispositivo também possuem microcódigo próprio

Hardware de I/O (cont.)

• Fibre Channel (FC): controlador complexo, geralmente em adaptador separado (host-bus adapter, HBA)
• Instruções de I/O controlam dispositivos
• Dispositivos possuem registradores para comandos, endereços e dados:
  • Data-in, Data-out, Status e Controle
  • Registradores geralmente entre 1-4 bytes ou FIFO

Endereçamento de Dispositivos

• Dispositivos têm endereços utilizados por:
  • Instruções diretas de I/O
  • I/O mapeado em memória
• Memory mapping: Dados e comandos dos dispositivos são mapeados no espaço de endereçamento do processador
  • Útil para dispositivos de grande capacidade como placas gráficas

Mecanismos de gerenciamento de I/O

• Polling: SO "pergunta" continuamente por eventos ou resultados

  • Com o polling, a I/O é chamada de síncrona.
  • SO monitora a operação de I/O para verificação de conclusão.

• Interrupções: o dispositivo alerta quando ocorreu um evento ou resultado

  • Com interrupções, a I/O é chamada de assíncrona.
  • O SO inicia a operação de I/O.
  • I/O prossegue de forma assíncrona, liberando a CPU para realizar outras tarefas.
  • O dispositivo aciona uma interrupção quando a operação de I/O é concluída.
  • CPU é interrompida e o resultado da I/O é tratado pelo SO.

Polling

┌─────────────┐        Verifica Status        ┌─────────────┐
│             │<──────────────────────────────│             │
│    CPU      │                               │ I/O Device  │
│(Sistema Op.)│──────────────────────────────>│(Ex: Teclado)│
│             │        Envia Comando          │             │
└─────────────┘                               └─────────────┘
        ▲                                             │
        │                                             ▼
Enquanto status não disponível         Processa dados/Pronto para enviar
        │                                            │
        └────────────────────────────────────────────┘
              CPU espera em loop - Busy Waiting

Polling (cont.)

Passos para cada byte de I/O:

1. Ler bit de ocupado do registrador de status até ser 0
2. Configurar bits de leitura/escrita
3. Copiar dados para registrador se for escrita
4. Ativar bit de comando-pronto
5. Controlador configure bit de ocupado e executa a transferência
6. Controlador limpa bits ao finalizar

• Passo 1 é um ciclo busy-wait para aguardar I/O do dispositivo.
  • Razoável se o dispositivo for rápido. Mas ineficiente se o dispositivo for lento.
  • A CPU muda para outras tarefas? Os dados pode ser sobrescritos/perdidos.

Polling (cont.)

• Vantagens:

  • Fácil de programar
  • Rápido: resultado processado assim que estiver disponível
  • Sem overhead

• Desvantagem:

  • Busy waiting: CPU espera a ocorrência de um evento
    • Desperdício de CPU
    • Ruim se o período de espera é muito longo

Interrupções

• Alternativa ao polling para eficiência
• Gerada externamente à CPU:
  • SO inicia a operação de I/O no dispositivo.
  • CPU fica livre para fazer outra coisa assincronamente durante a execução da I/O.
  • Em momento posterior, a operação de I/O é concluída e o dispositivo aciona uma interrupção.
  • O manipulador de interrupções do SO age de acordo.
  • CPU é interrompida e salta (muda o registrador PC) para o interrupt handler
• CPU não precisa esperar I/O ser completada: sem busy waiting
  • Interrupt handler (tratador de interrupções) manipula evento

Ciclo de I/O Baseado em Interrupção

• Dispositivo de I/O aciona interrupção da CPU.
• O gerenciador (handler) de interrupções recebe a interrupção.
• Um vetor de interrupção é usado para despachar a interrupção para o gerenciador (handler) correto.
  • Troca de contexto no início e no fim, baseada na prioridade.
  • Encadeamento de interrupções se mais de um dispositivo estiver na mesma interrupção.
• Fonte da Imagem: A. Silberschatz et. al, Operating Systems Concepts, capítulo 13.

Interrupções (cont.)

• O SO especifica um manipulador para cada tipo de interrupção e exceção.
  • Handler = função
  • O tipo de interrupção é determinado pelo número.
• Exemplo em processadores x86:
  • Os endereços dos handlers são armazenados pelo SO em uma tabela na memória, a Interrupt Descriptor Table (IDT).
    • Tabela de Vetor de Interrupção
    • Cada entrada da tabela aponta para um handler/função.
• Núcleo de CPU contém o Interrupt Descriptor Table Register (IDTR).
  • SO inicializa o IDTR com o endereço de início da IDT

Tabela de vetores de eventos do processador Pentium da Intel.
Fonte da Imagem: A. Silberschatz et. al, Operating Systems Concepts, capítulo 13.

Interrupções (cont.)

Ao receber uma interrupção do tipo n:

• Ocorre uma mudança de contexto, e (no modo kernel) a CPU:
  • Salva o estado da execução atual,
  • Usa o IDTR para acessar a IDT,
  • Consulta a entrada n na IDT e invoca o handler/função correspondente.
• Posteriormente, o estado é restaurado e a execução anterior continua.
• A troca de contexto acarreta uma sobrecarga (overhead).

Interrupções (Cont.)

• Também usadas para exceções e chamadas de sistema
• Em sistemas multi-CPU, interrupções podem ser processadas simultaneamente
• Usadas para processamento sensível a tempo

Interface de I/O para Aplicações

• Chamadas de sistema encapsulam comportamentos de dispositivos
• Drivers escondem diferenças entre controladores
• Novos dispositivos usando protocolos existentes não exigem mudanças no SO

Fonte da Imagem: Anotações de JungJae Lee

Representação de Dispositivos de I/O no Linux

Linux abstrai um dispositivo de I/O como um arquivo especial (diretório /dev). Fonte da Imagem: OS Team - OS OER

Características de I/O Devices

Fonte da Imagem: A. Silberschatz et. al, Operating Systems Concepts, capítulo 13.

Conclusão

• As operações de entrada/saída (I/O) são caras por várias razões:

  • Dispositivos lentos e links de comunicação lentos
  • Concorrência proveniente de múltiplos processos.
  • O I/O é tipicamente suportado através de chamadas de sistema e tratamento de interrupções, que são lentas.

• Abordagens para melhorar o desempenho:

  • Aumentar o número de dispositivos para reduzir a concorrência por um único dispositivo e, assim, melhorar a utilização da CPU.
  • Aumentar a memória física para reduzir o tempo de paginação e, portanto, melhorar a utilização da CPU.

Leitura adicional

• Capítulo 5 do livro Sistemas Operacionais Modernos, de A. TANENBAUM
• Capítulo 13 do livro: Operating Systems Concepts, de A. Silberchatz et. al.

Dúvidas e Discussão