dso-3: drivers y procesos (v4b)

Lección 3drivers y servicios ampliados

Diseño de Sistemas Operativos

Grado en Ingeniería Informática

Grupo ARCOSUniversidad Carlos III de Madrid

Alejandro Calderón Mateos

Lecturas recomendadas

2

1. Carretero 2007:

1. Cap.7

1. Tanenbaum 2006(en):

1. Cap.3

2. Stallings 2005(en):

1. Parte tres

3. Silberschatz 2006:

1. Cap. Sistemas de E/S

Base Recomendada

ARCOS @ UC3M


1. Estudiar la teoría asociada.� Estudiar el material asociado a la bibliografía:

las transparencias solo no son suficiente.

� Crear cuestiones con sus respuestas y justificación.

2. Repasar lo visto en clase.� Realizar el cuaderno de prácticas progresivamente.

3. Ejercitar las competencias.� Realizar las prácticas progresivamente.

� Realizar todos los ejercicios posibles.

A recordar…

ARCOS @ UC3M3


Contenidos

4

� Introducción

� Periféricos

� Organización de los drivers

� Procesos

� Estructura de un driver

� Ejemplos de diseño

� Reloj: temporización y C.C.I.

ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are


Contenidos

5

� Introducción

� Periféricos


� Procesos




ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are


Ámbito de gestión

6

� Parte del sistema operativo encargada de la interaccióncon todos los posibles controladores (hardware)

� Incluye toda la comunicación de la CPU y la memoria con el resto de elementos hardware.

ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


Características por el ámbito de gestión

7

� Dependiente delsistema operativo:� Los controladores de un

sistema operativo no son fáciles de reutilizar en otro.

� Parte muy dinámica:� Se añade drivers

continuamente.

� Implementados en módulos:� Añadir/quitar sin parar.

ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


Objetivos de la E/S

8

� Ofrecer una visión lógica simplificada para:� Resto del sistema operativo

� Usuarios

� Optimizar la E/S

� Facilitar la gestión de periféricos

� Facilitar añadir soporte a nuevos dispositivos

ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


Importancia de los controladores

9

� Estadísticas del kernel de Linux (2007-2008):

� 9,2 millones de líneas de código.

� Se incrementa un 10% cada año:

� La mayor parte del código es de los drivers:

� El 55% del código son los controladores de dispositivo (o drivers)

� Software parte del sistema operativo que la CPU ejecuta para trabajar con el dispositivo asociado

� Es un código que funciona con acceso total al sistema (mismo nivel de protección que el kernel)

� El núcleo del kernel ocupa un 5% y el resto (40%) se reparte entre soporte para las distintas arquitectura, el código de red, etc.

http://cityblogger.com/archives/2008/06/16/linux-kernel-stats ARCOS @ UC3M


Contenidos

10

� Introducción

� Periféricos


� Procesos




ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


Concepto de periférico

11

� Periférico:

� Todo aquel dispositivo externo

que se conecta a una CPU a través

de la unidades o módulos de

entrada/salida (E/S).

� Permiten almacenar información o

comunicar el computador con el

mundo exterior.

Periféricos

ARCOS @ UC3M


Clasificación de periféricos (por uso)

12

� Comunicación:

� Hombre - máquina

� (Terminal) teclado, ratón, …

� (Impresa) plotter, escáner, …

� Máquina - máquina (Módem, …)

� Medio físico - máquina

� (Lectura/accionamiento) x (analógico/digital)

� Almacenamiento:

� Acceso “directo” (Discos, DVD, …)

� Acceso secuencial (Cintas)

ARCOS @ UC3M


Estructura general de un periférico

13

� Compuesto de:

� Dispositivo

� Hardware que interactúa con el entorno

� Módulo de Entrada/Salida

� También denominado controlador

� Interfaz entre dispositivo y la CPU, que le oculta las particularidades de este

Dispositivo

Módulo de E/S

Periféricos

Periférico = Dispositivo + Controlador

ARCOS @ UC3M


EjemploDisco duro

14

Dispositivo

Módulo de E/S

Periféricos

ARCOS @ UC3M


Módulo de E/S qué son

15

� Las unidades o módulos de E/Srealizan la conexión de la CPU con los dispositivos periféricos.

Dispositivo

Módulo de E/S

Memoria

…

Bus

ARCOS @ UC3M


Módulo de E/Snecesidad

16

� Son necesarios debido a:� Gran variedad de periféricos.

� Los periféricos son ‘raros’

� La velocidad de transferencia de datos de los periféricos es mucho menor que la de la memoria o el procesador.� Los periféricos son ‘muy lentos’

� Formatos y tamaños de palabra de los periféricos distintos a los del computador al que se conectan.

Dispositivo

Módulo de E/S

Periférico

ARCOS @ UC3M


Módulo de E/S estructura

17

� Interacción entre CPU y Unidad de E/S a través de 3 tipos de registros:

� Registro de control� Ordenes para el periférico

� Registro de estado� Estado desde de la última orden

� Registro de datos� Datos intercambiados CPU/periférico

ControlEstadoDatos

0x05010x05020x0503

Unidad de E/S

Lógica de E/S

Lógica dispositivo externo

Lógica dispositivo externo

…

datos

estado

controldatos

estado

control

ARCOS @ UC3M


Ejemplodispositivo USB

18

� Información de control 1

� 0: leer

� 1: escribir


� Posición de lec./esc.

� Información de estado

� 0: dispositivo ocupado

� 1: dispositivo (dato) listo

� Datos

� Dato del dispositivo

Control 1Control 2Estado

0x05000x05040x0508

Unidad de E/S

Datos0x050C

ARCOS @ UC3M


Ejemplodispositivo USB

19

Control:

out(0x504,10) ; // offset

out(0x500, 0) ; // leer

Estado:

do {

in(0x508, &status) ; // ¿listo?

} while (0 == status) ;

Datos:

in(0x50C, &datos[i]) ; // leer dato


0x05000x05040x0508

Unidad de E/S

Datos0x050C


� 0: leer

� 1: escribir






� Datos


ARCOS @ UC3M


Módulo de E/Sfuncionamiento

20

� Aspectos fundamentales:

� Direccionamiento

� Interacción computador-controlador

� Unidad de transferencia

Control:


out(0x500, 0) ; // leer

Estado:

do {

in(0x508, &status) ; // ¿listo?


Datos:

in(0x50C, &datos[i]) ; // leer dato

ARCOS @ UC3M


(1/3) Direccionamiento de E/S

21

� Espacio de memoria conjunto

� Los registros del ‘controlador’ se proyectan en memoria y usando un conjunto de direcciones de memoria se acceden a dichos registros.

� Ej: sw $a0 etiqueta_discoA

� Espacio de memoria separado (puertos)

� Con instrucciones ensamblador especiales (In/Out) se acceden a las direcciones de E/S (denominadas puertos) que representan los registros del ‘controlador’.

� Ej: out $a0 0x105A

Mem.

E/S

Mem.

E/S

ARCOS @ UC3M

out(0x504,10) ;

out(0x500, 0) ;

do {

in(0x508, &status) ;


in(0x50C, &datos[i]) ;


(2/3) Unidad de transferencia

22

� Dispositivos de bloque:

� Unidad: bloque de bytes

� Acceso: secuencial o directo

� Operaciones: leer, escribir, situarse, …

� Ejemplos: “cintas” y discos

� Dispositivos de carácter:

� Unidad: caracteres (ASCII, Unicode, etc.)

� Acceso: secuencial

� Operaciones: get, put, ….

� Ejemplo: terminales, impresoras, etc.

ARCOS @ UC3M

out(0x504,10) ;

out(0x500, 0) ;

do {





(3/3) Interacción con computador

23

� E/S programada o directa

� CPU no hace otra cosa que E/S: espera � transfiere

� E/S por interrupciones

� CPU: sólo transfiere

� E/S por DMA (acceso directo a memoria)

� CPU no transfiere solo se le avisa del fin del bloque transferido

� controlador de periférico más sofisticado

� lógica para DMA: contadores, señales de control, etc.

‘polling’

ARCOS @ UC3M

out(0x504,10) ;

out(0x500, 0) ;

do {





Contenidos

24

� Introducción

� Periféricos


� Procesos




ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


Visión lógica simplificadaLinux

25 ARCOS @ UC3M

Periférico

driver

mplayer

/dev/fb0

vfs



26 ARCOS @ UC3M

Periférico

driver

mplayer

/dev/fb0

vfs


Inventario de hardwareLinux

� Al arrancar el kernel descubre los periféricos.

� Les asocia el driver más apropiado que disponga.

� Hotplugging (Inserción en caliente de hardware)

ARCOS @ UC3M27

alejandro@tesla:~$ lspci

00:00.0 Host bridge: Intel Corporation Xeon E3-1200 v2/3rd Gen Core processor DRAM Controller (rev 09)

00:01.0 PCI bridge: Intel Corporation Xeon E3-1200 v2/3rd Gen Core processor PCI Express Root Port (rev 09)

00:02.0 VGA compatible controller: Intel Corporation Xeon E3-1200 v2/3rd Gen Core processor Graphics Controller (rev 09)

00:1a.0 USB controller: Intel Corporation 6 Series/C200 Series Chipset Family USB Enhanced Host Controller #2 (rev 05)

00:1b.0 Audio device: Intel Corporation 6 Series/C200 Series Chipset Family High Definition Audio Controller (rev 05)

…

alejandro@tesla:~$ lsusb

Bus 002 Device 004: ID 046d:c52b Logitech, Inc. Unifying Receiver

Bus 002 Device 005: ID 046d:082b Logitech, Inc.

Bus 002 Device 003: ID 04cc:1521 ST-Ericsson USB 2.0 Hub

Bus 002 Device 002: ID 8087:0024 Intel Corp. Integrated Rate Matching Hub

Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub

…

alejandro@tesla:~$ lshw

…


Gestión básica de driversLinux

28 ARCOS @ UC3M

lsmod

/proc/modules

kmod

modprobe <x>

/lib/modules/<version>/modules.dep

depmod -ainsmod </a/x>

rmmod </a/x>

kernel



29 ARCOS @ UC3M

Periférico

driver

mplayer

/dev/fb0

vfs


Representación de los dispositivosLinux

� Habitualmente como ficheros de /dev: /dev/xxxx

� Puede existir ficheros para dispositivos virtuales ydispositivos para los que no hay fichero: Tarjeta de red, entrada o salida estándar, etc.

30http://sopa.dis.ulpgc.es/ii-dso/leclinux/drivers/i0/io.pdf ARCOS @ UC3M

alejandro@tesla:~$ ls -las /dev/

total 4

0 crw------- 1 root root 5, 1 feb 16 12:59 console

0 crw-rw---- 1 root video 29, 0 feb 16 12:59 fb0

0 crw-r----- 1 root kmem 1, 1 feb 16 12:59 mem

0 crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 feb 16 12:59 null

0 crw------- 1 root root 10, 1 feb 16 12:59 psaux

0 brw-rw---- 1 root disk 1, 0 feb 16 12:59 ram0

0 crw-rw-rw- 1 root root 1, 8 feb 16 12:59 random

0 crw------- 1 root root 254, 0 feb 16 12:59 rtc0

0 brw-rw---- 1 root disk 8, 0 feb 16 12:59 sda

0 brw-rw---- 1 root disk 8, 1 feb 16 12:59 sda1


0 crw-rw-rw- 1 root tty 5, 0 feb 20 20:30 tty

0 crw-rw-rw- 1 root root 1, 9 feb 16 12:59 urandom

0 crw-rw-rw- 1 root root 1, 5 feb 16 12:59 zero

…



� Se identifican con:

� Major number (driver) + minor number (“dispositivo”)



total 4















…



� Gestionado mediante:

� mkdev (obsoleto): script para creación de todos los posibles ficheros

� devfs (obsoleto): sistema de ficheros con todos los posibles dispositivos

� udev: sistema de ficheros dinámico (hot-plug/unplug, triggers, etc.)



total 4















...



� Es posible manualmente crear un nuevo fichero de dispositivo:

� Nombre del fichero

� Tipo: bloque o carácter

� Major & minor number

33 ARCOS @ UC3M

alejandro@tesla:~$ mknod /dev/sensor1 c 12 1

alejandro@tesla:~$ ls sensor1

0 crw-r--r-- 1 root root 12, 1 feb 21 13:46 sensor1

alejandro@tesla:~$ cat sensor1

cat: /dev/sensor1: No existe el dispositivo o la dirección

alejandro@tesla:~$ udevadm info -a -n /dev/sda | grep DRIVER

DRIVERS=="sd"

DRIVERS=="ata_piix“



34 ARCOS @ UC3M

Periférico

driver

mplayer

/dev/fb0

vfs


Arquitectura del sistema de E/S

35

Sistema de ficheros

Controladordispositivo


Drivers de caracteresDrivers de bloque

Interfaz del Sistema Operativo

BufferCache

Sockets

Protocolos de red

Drivers de red


ARCOS @ UC3M


Estructura genérica del sistema de E/S

36

Sistema de ficheros

Controladordispositivo (1)

Controladordispositivo (n)



… Específico 1 Específico n…carga

Específico 1 Específico n…

carga


BufferCache

…

Servicio ampliado (A)

cargacarga


carga

…

ARCOS @ UC3MAlejandro Calderón Mateos

Driver bloque (1)

interfaz

Driver caracteres (1)

interfaz

S. ampliado (X)

interfaz

…



37

Sistema de ficheros







carga


BufferCache

…


cargacarga


carga

…


Driver bloque (1)

interfaz


interfaz

S. ampliado (X)

interfaz

…


Estructura genérica del sistema de E/Sclasificación de drivers

� Los drivers se clasifican según el grupo de dispositivos a los que trata.

� Si dos drivers tratan un mismo tipo de dispositivo entonces la interfaz es similar

� Parte de la implementación del driver es común (se ahorra código)

� De forma clásica hay tres tipos:

� Dispositivos de caracteres: teclado, módem, etc.

� Dispositivos de bloques: discos, cintas, etc.

� Dispositivos de red: tarjetas de red

38 ARCOS @ UC3M







carga Driver bloque (1)

interfaz


interfaz

…



39

Sistema de ficheros







carga


BufferCache

…


cargacarga


carga

…


Driver bloque (1)

interfaz


interfaz

S. ampliado (X)

interfaz

…


Estructura genérica del sistema de E/Sservicios ampliados

� Servicio ampliado:

• Módulo que extiende un driver para añadirle algún tipo de funcionalidad.

• Son apilables entre sí.

� Tiene, al menos, dos interfaces:

� La interfaz del servicio que ofrece:

� Interfaz de llamadas al sistema

� Interfaz de un S. Ampliado superior

� La interfaz del recurso que utiliza:

� Interfaz de un driver

� Interfaz de un S. Ampliado inferior

40



Sistema de ficheros


…


carga

S. ampliado (X)

carga

interfaz

ARCOS @ UC3M


carga Driver bloque (1)

interfaz


Servicios ampliadosLinux

� Ejemplo de servicio ampliado:

� md (multiple disks)

� Combina varios discos duros, o particiones (o volúmenes) en un único disco virtual.� mdadm --create /dev/md0

--level=1 --raid-devices=2 /dev/sda1 /dev/sdb1

41

/dev/sda1 /dev/sdb2

/dev/md0

ARCOS @ UC3M


Jerarquía de driversLinux

� La jerarquía del modelo se muestra en la figura:

� Buses en el nivel inferior

� Dispositivos en el nivel intermedio

� Clases en el nivel más alto

� Acceso a través de sysfs:

� /sys/block: disp. de bloques (cualquier bus)

� /sys/bus: buses del sistema (disp. están aquí)

� /sys/devices: dispositivos organizados por buses

� /sys/class: clases de dispositivos (audio, de red, ...)

� /sys/module: drivers registrados en el núcleo

� /sys/power: manejo del estado de energía

� /sys/firmware: manejo de firmware (en ciertos disp.)




43 ARCOS @ UC3M

Periférico

driver

mplayer

/dev/fb0

vfs


Contenidos

44

� Introducción

� Periféricos


� Procesos




ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


Introducción

� Concepto de proceso

� Modelo ofrecido

� Implicaciones en S.O.

ARCOS @ UC3M45

Proceso

kernel


Introducción


ARCOS @ UC3M46

Proceso


Concepto de proceso

� Proceso

� Programa en ejecución

� Unidad de procesamiento gestionada por el S.O.

ARCOS @ UC3M47

1

2

Disco

CPU

Memoria

App 1


Introducción


� Modelo ofrecido

ARCOS @ UC3M48

Proceso


Modelo ofrecido

� Recursos asociados

� Zonas de memoria

� Al menos: código, datos y pila

� Archivos abiertos

� Señales

ARCOS @ UC3M49

Disco

CPU

Memoria


Modelo ofrecido

� Multiprogramación

� Tener varias aplicaciones en memoria

� Si una aplicación se bloquea por E/S, entoncesse ejecuta mientras otra hasta que quede bloqueada

� Cambio de contexto voluntario (C.C.V.)

� Eficiencia en el uso del procesador

� Grado de multiprogramación = número de aplicaciones en RAM

ARCOS @ UC3M50

CPU

Memoria

App 1

App 2

App 3

App1

App2

App3


Modelo ofrecido

� Protección / Compartición

� El espacio de direcciones privado por aplicación, pero

� Posibilidad de comunicar datos entre dos aplicaciones

� Paso de mensajes

� Compartición de memoria

ARCOS @ UC3M51

CPU

Memoria

App 1

App 2

App 3


Modelo ofrecido

� Jerarquía de procesos

� Creación de proceso

� Como copia de otro proceso existente

� A partir del programa en disco

� Como proceso en el arranque

� Grupo de procesos que comparten mismo tratamiento

ARCOS @ UC3M52

CPU

Memoria

App 1

App 2

App 3App1 App2

App3

App0


Modelo ofrecido

� Multitarea

� Cada proceso se ejecuta un quantum de tiempo (Ej.: 5 ms) yse rota el turno para ejecutar procesos no bloqueados

� Cambio de contexto involuntario (C.C.I.)

� Reparto del uso del procesador

� Parece que todo se ejecuta a la vez

ARCOS @ UC3M53

CPU

Memoria

App 1

App 2

App 3

App1 App2 App3


Modelo ofrecido

� Multiproceso

� Se dispone de varios procesadores (multicore/multiprocesador)

� Además del reparto de cada CPU (multitarea) hay paralelismo real entre varias tareas (tantas como procesadores)

� Se suele usar planificador y estructuras de datos separadas por procesador con algún mecanismo de equilibrio de carga

ARCOS @ UC3M54

Memoria

App 1

App 2

App 3

App1 App2 App3

CPU


Introducción


� Modelo ofrecido


ARCOS @ UC3M55

Proceso

kernel


Implicaciones en el sistema operativo

ARCOS @ UC3M56

Requisitos Información (en estructuras de datos) Funciones (internas, servicio y API)

Recursos• Zonas de memoria (código, datos y pila)• Archivos abiertos• Señales activas

• Diversas funciones internas• Diversas funciones de servicio para

memoria, ficheros, etc.

Multiprogramación• Estado de ejecución• Contexto: registros de CPU…• Lista de procesos

• Int. hw/sw de dispositivos• Planificador• Crear/Destruir/Planificar proceso

o Protección / Compartición

• Paso de mensajes• Cola de mensajes de recepción

• Memoria compartida• Zonas, locks y conditions

• Envío/Recepción mensaje y gestiónde la cola de mensaje

• API concurrencia y gestión de estructuras de datos

o Jerarquía de procesos

• Relación de parentesco• Conjuntos de procesos relacionados• Procesos de una misma sesión

• Clonar/Cambiar imagen de proceso• Asociar procesos e indicar proceso

representante

Multitarea• Quantum restante• Prioridad

• Int. hw/sw de reloj• Planificador• Crear/Destruir/Planificar proceso

Multiproceso • Afinidad• Int. hw/sw de reloj• Planificador• Crear/Destruir/Planificar proceso

1. Estructuras de datos



1. Estructuras de datos

ARCOS @ UC3M57

kernel



ARCOS @ UC3M58















representante




2. Funciones: de gestión internas



2. Funciones: de gestión internas

ARCOS @ UC3M59

kernel

� Estados y cambios de contexto

� Colas de procesos

� Planificación

� Etc.



3. Funciones: de servicio

ARCOS @ UC3M60

kernel


� Destrucción de proceso

� Cambio de imagen

� Espera por el fin de otro proceso

� Etc.



� Planificación

� Etc.



3. Funciones: API de servicio

ARCOS @ UC3M61

kernel


� Destrucción de proceso

� Cambio de imagen

� Espera por el fin de otro proceso

� Etc.



� Planificación

� Etc.

� fork, exit, exec, wait, …

� pthread_create, pthread…


Introducciónresumen


� Modelo ofrecido


ARCOS @ UC3M62

Proceso

kernel

� …

� …

� …� …

� …� …


Principales estructuras de datos

ARCOS @ UC3M63

kernel

� …

� …

� …� …

� …� …


Información en el sistema operativo

ARCOS @ UC3M64

Memoria física

App 1

App 2

App 3

Tabla de procesos

Tabla de memoria

Tabla de E/S

Tabla de ficheros

Tablas del S.O.


Información para un proceso

ARCOS @ UC3M65

Memoria física

App 1

App 2

App 3

Tabla de procesos

Tabla de memoria

Tabla de E/S

Tabla de ficheros

Tablas del S.O.

Tabla de procesos

BCP

(1)

BCP

(2)

BCP

(3)

…


BCP: entrada de la tabla de procesos

� Gestión de proceso

� Registros generales

� Contador de programa

� Registro de estado

� Puntero de pila

� Identificador del proceso

� Proceso padre

� Grupo de proceso

� Prioridad

� Parámetros del planificador

� Señales

� Instante inicio de ejecución

� Tiempo de uso de CPU

� Tiempo hasta siguiente alarma

ARCOS @ UC3M66

est

ad

oId

.g

est

ión

� Process Control Block (PCB / BCP)

� Estructura de datos con la información necesaria para gestionar un proceso en particular

� Manifestación de un proceso en el kernel

� Thread Control Block (TCB / BCT)

� Similar al BCP para cada hilo de un proceso

Tabla de procesos

BCP

(1)

BCP

(2)

BCP

(3)

…


BCP: entrada de la tabla de procesos





� Puntero de pila


� Proceso padre


� Prioridad


� Señales




ARCOS @ UC3M67

est

ad

oId

.g

est

ión

� Process Identification (PID)

� Identificador de cara a los usuarios

� Número positivo de 16 bits (32767) dinámicamente asignado, reusado no de forma inmediata

� Address of process descriptor (APD)

� Identificación dentro del kernel

� Existe mecanismo PID -> APD (Ej.: hash)

Tabla de procesos

BCP

(1)

BCP

(2)

BCP

(3)

…


Dónde: información del proceso

ARCOS @ UC3M68

Tabla de procesos

Tabla de memora

Tabla de E/S

Tabla de ficheros

Tabla de procesos

BCP

(1)

BCP

(2)

BCP

(3)

…

� La información de cada proceso está en el BCP…

� Información fuera del BCP:

� Por razones de eficiencia

� Para compartir información entre procesos

� Ejemplos:

� Tabla de segmentos y páginas de memoria

� Tabla de punteros de posición de ficheros

� Lista de peticiones a dispositivos


Dónde: información del proceso

� Tabla de punteros de posición de ficheros:

� Describe la posición de lectura/escritura de los ficheros abiertos

� La compartición de estado del fichero entre procesos obliga a que sea externa al BCP

� El BCP contiene el índice del elemento de la tabla que contiene la información del fichero abierto: el i-nodo y la posición de lectura/escritura.

ARCOS @ UC3M69

Tabla deficheros

Tabla deficheros

Tabla deficheros

BCP 4 BCP 7 BCP 23

23 23

24456IDFF PP

0

544563 4563

34512 2345

63356 56

28 5566

53684 4

34512 10000

33678 2

0 0 01 1

1

12 2

2

23 3

3

34 4

4

4

fd

0

fd fd

Sistemas operativos: una visión aplicada


Información del proceso





� Puntero de pila


� Proceso padre


� Prioridad


� Señales




ARCOS @ UC3M70

� Gestión de memoria

� Puntero al segmento de código

� Puntero al segmento de datos

� Puntero al segmento de pila

� Gestión de ficheros

� Directorio raíz

� Directorio de trabajo

� Descriptores de ficheros

� Identificador de usuario

� Identificador de grupo

est

ad

oId

.g

est

ión

BCP


Información del procesoLinux

ARCOS @ UC3M71

task_struct (Process Descriptor)

tty_struct (communications)

signal_struct (signals)

fs_struct (directory name space)

files_struct (Open Files)

stack + thread_info (low_level scheduling)

mm_struct (memory)

sighand_struct (signal handers)

Understanding the Linux Kernel (O'Really)

http://www.eecs.harvard.edu/~margo/cs161/videos/sched.h.html

process hierarchy info

…

state (runability)

stack

pid hash table

scheduling info

debugging support

state (exit status)

pid and tgid

mm

credentialsfs

files

signal

sighand


Servicios del sistema operativoinicialización y finalización de procesos

ARCOS @ UC3M72

kernel

� …

� …

� …� …

� …� …


Creación de procesos

� Un proceso se crea:

� Durante el arranque del sistema� Hilos del kernel + primer proceso (Ej.: init, swapper, etc.)

� Cuando un proceso existe hace una llamada al sistema para crear otro: � Cuando el sistema operativo comienza un nuevo trabajo

� Cuando un usuario arranca un nuevo programa

� Cuando durante la ejecución de un programa se necesite

ARCOS @ UC3M73 CS 6560 Operating System Design (clase 4: procesos)


Finalización de procesos

� Un proceso termina:

� De forma voluntaria:� Finalización normal

� Finalización con error

� De forma involuntaria: � Finalizado por el sistema (Ej.: excepción, sin recursos necesarios)

� Finalizado por otro proceso (Ej.: a través de llamada al sistema)

� Finalizado por el usuario (Ej.: control-c por teclado)

ARCOS @ UC3M74 CS 6560 Operating System Design (clase 4: procesos)

� En Unix/Linux se usan señales como mecanismo� Se pueden capturar y tratar (salvo SIGKILL) para evitar finalizar involuntariamente


Creación y terminación de procesosLlamadas al sistema

� Linux

� Windows

ARCOS @ UC3M75 Sistemas operativos: una visión aplicada

clone()

exec() exit()

wait()

padre

hijo

CreateProcess()

ExitProcess()

GetExitCodeProcess()

padre

hijo


Creación de procesosLinux: clone

ARCOS @ UC3M76

Copiar PCB del padre

clone:

Duplicar mapa de M del

padre (incluyendo pilas)

Estado listo

Contexto end_fork()

PCB en cola de listos

Otras actualizaciones:

p.ej., limpiar señales,

eventos y mensajes

pendientes

Devuelve PID al

padre

Devuelve 0 al

hijo

“Clona al proceso padre

y da una nueva

identidad al hijo”

Obtener entrada libre en Tabla de Procesos

Apila PC inicial

*


Cambio de imagen de un procesoLinux: exec

ARCOS @ UC3M77

exec:

“Cambia la imagen de

memoria de un proceso

usando como

‘recipiente’ uno previo”

Liberar imagen de M

del proceso

Leer ejecutable

Crear nueva imagen

M � BCP

Cargar secciones

.texto y .datos

Crear pila inicial U

Crear pila S: dir.

principio programa

Inicio BCP: regs.;

PC dir SO: RETI

Otras acciones:

gestión de señales,

SETUID, etc


Terminación de procesosLinux: exit

ARCOS @ UC3M78

exit:

“Termina la ejecución

de un proceso y libera

los recursos”

Finaliza todos los hilos menos uno

Limpia operaciones asíncronas,

temporizadores y señales pendientes

Cierra todos los descriptores de archivo

Libera semáforos y cerrojos activos

Reasigna huérfanos a init

Estado proceso <- zombie

Trata de enviar señal SIGCLD al padre:

si responde:

freeproc(): libera P y MNO responde:

mantener señal


Creación de procesosWindows: CreateProcess

ARCOS @ UC3M79 http://flylib.com/books/en/4.491.1.52/1/

crea EPROCESScrea esp. M inicial proc.crea KPROCESScrea PEB

crea pila threadcrea contexto threadcrea thread y queda suspendido

Kernel32.dll: mensaje a Win32: manejadores; flags; PID padre

≈ activa el primer thread del proceso

[IW2K: 315]: 12 pasos

thread inicial: comienza ejecución en contexto nuevo proceso

construye: contexto y pila inicial del thread:-IRQL APC-- encola APC: loader, heap manager, etc--baja a IRQL 0: hace APC--...-- se pone en modo U


Multiprogramación (datos y funciones)

ARCOS @ UC3M80

kernel

� …

� …

� …� …

� …� …





Multiprogramación

ARCOS @ UC3M81


� Si una aplicación se bloquea por E/S, entoncesse ejecuta otra (hasta que quede bloqueada)


Memoria

App 1

App 2

App 3

App1

App2

App3


Multiprogramación (datos)Estados de un proceso (c.c.v.)

ARCOS @ UC3M82

finalizaciónRunning

Ready Blockedfin E/Screación




Memoria

App 1

App 2

App 3

App1

App2

App3

BCP5


Multiprogramación (datos)Estados de un proceso (c.c.v.)

ARCOS @ UC3M83



� En ejecución: con CPU asignada

� Listo para ejecutar: no procesador disponible para él

� Bloqueado: esperando un evento

� Suspendido y listo: expulsado pero listo para ejecutar

� Suspendido y bloqueado: expulsado y esperando evento

BCP5


Multiprogramación (datos)Lista/Colas de procesos (c.c.v.)

ARCOS @ UC3M84






Memoria

App 1

App 2

App 3

App1

App2

App3

BCP1 BCP3 BCP4BCP7 BCP2

BCP5


Multiprogramación (datos)Lista/Colas de procesos (c.c.v.)

ARCOS @ UC3M85




BCP5

� Cola de listos: procesos esperando a ejecutar en CPU

� Cola de bloqueados por recurso: procesos a la espera de finalizar una petición bloqueante al recurso asociado

o Un proceso solo puede estar en una cola (como mucho)


Implementación de las colas de procesos

ARCOS @ UC3M86

Estado del proceso

Límites de memoria

Lista de ficheros abiertos

Registros

. . .

Tabla de procesos

Proceso 0

Estado del proceso

Límites de memoria


Registros

. . .

Estado del proceso

Límites de memoria


Registros

. . .

…

Proceso 1 Proceso n

cola

cabezaCola de listos

cola

cabezaCola de …

� Cola de listos: procesos esperando a ejecutar en CPU

� Cola de bloqueados por recurso: procesos a la espera de finalizar una petición bloqueante al recurso asociado

o Un proceso solo puede estar en una cola (como mucho)


Multiprogramación (datos)Contexto de un proceso

ARCOS @ UC3M87






Memoria

App 1

App 2

App 3

App1

App2

App3



Multiprogramación (datos)Contexto de un proceso

ARCOS @ UC3M88



BCP7 BCP2

� Registros generales: PC, RE, etc.

� Registros específicos: Registros de coma flotante, etc.

� Referencias a recursos: puntero a código, datos, etc.

BCP1 BCP3 BCP4


Multiprogramación: ejemplo de ejecución

ARCOS @ UC3M89

proceso P0 proceso P1sistema operativo

listo

ejecutando



ARCOS @ UC3M90


listo

ejecutando

llamada bloqueante1



ARCOS @ UC3M91


listo

ejecutando

salvar estado en el BCP0



ARCOS @ UC3M92


listo

ejecutando


bloqueado



ARCOS @ UC3M93


listo

ejecutando


cargar estado en el BCP1

bloqueado

ejecutando



ARCOS @ UC3M94


listo

ejecutando



listo

bloqueado

interrupción2ejecutando



ARCOS @ UC3M95


listo

ejecutando



listo

bloqueado

3 llamada bloqueante (petición de lectura a disco, esperar en

una pipe, etc.)

ejecutando



ARCOS @ UC3M96


listo

ejecutando

listo





bloqueado

ejecutando



ARCOS @ UC3M97


listo

ejecutando

ejecutando

listo





bloqueado

bloqueado

ejecutando



ARCOS @ UC3M98


listo

ejecutando

ejecutando

listo





bloqueado

bloqueado

ejecutando

1

2

3

llamada bloqueante

interrupción

llamada bloqueante


Teclado_LeerTecla()

• Si (no hay tecla)• procesoActual->estado = BLOQUEADO;• Insertar(Teclado_Procesos, procesoActual);• proceso = procesoActual;

• procesoActual = planificador();• procesoActual->estado = EJECUCION;

• cambio_contexto( &(proceso->contexto), &(procesoActual->contexto));

• return extraer(Teclado_Teclas) ;

Pseudocódigo de ejemplo (P0)

ARCOS @ UC3M99

salvar estado en BCP0

cargar estado en BCP1

Running

Blocked

BCP7 BCP2

BCP1 BCP3

planificador()

• return extraer(CPU_Listo);

1


Teclado_Interrupción_Software ()

• proceso = primero (Teclado_Procesos);• SI (proceso != NULL)

• eliminar (Teclado_Procesos);• proceso->estado = LISTO;• insertar (CPU_Listos, proceso);

• return ok;


ARCOS @ UC3M100

BlockedReadyfin E/S

BCP7 BCP2

Teclado_Interrupción_Hardware ()

• T = in (TECLADO_HW_ID);• proceso = insertar (T, Teclado_Teclas);• Insertar (Teclado_interrupción_software); • Activar_Interrupción_Software();

2


Teclado_Interrupción_Software ()

• proceso = primero (Teclado_Procesos);• SI (proceso != NULL)

• eliminar (Teclado_Procesos);• proceso->estado = LISTO;• insertar (CPU_Listos, proceso);

• return ok;


ARCOS @ UC3M101

BlockedReadyfin E/S

BCP7 BCP2

Teclado_Interrupción_Hardware ()

• T = in (TECLADO_HW_ID);• proceso = insertar (T, Teclado_Teclas);• Insertar (Teclado_interrupción_software); • Activar_Interrupción_Software();

• Un proceso solo puede estar en una cola (como mucho):[correcto] eliminar + insertar

[incorrecto] insertar + eliminar

2


Teclado_LeerBloqueDisco()

• Si (no hay bloque en caché)• procesoActual->estado = BLOQUEADO;• Insertar(Disco_Procesos, procesoActual);• proceso = procesoActual;



• return extraer(Disco_caché, bloque) ;


ARCOS @ UC3M102



Running

Blocked

BCP7 BCP2

BCP1 BCP3

planificador()


3


Teclado_LeerTecla()






ARCOS @ UC3M103

3


Planificador y activador

� Planificador: Selecciona el proceso a ser ejecutado entre los que están listos para ejecutar

� Activador: Da control al proceso que elplanificador ha seleccionado(cambio de contexto - restaurar)

ARCOS @ UC3M104


Ready Blockedfin E/S

Ready & Suspend

Blocked & Blocked & Suspend

creación

cola

cabeza

registros

BCP7

…

registros

BCP2

…


Teclado_LeerTecla()


• procesoActual = planificador ();• procesoActual->estado = EJECUCION;• activador ( &(proceso->contexto),

&(procesoActual->contexto));


Planificador y activador

ARCOS @ UC3M105

planificador ()



Colas/Listas de procesosLinux

ARCOS @ UC3M106

"sched.c"

struct rq runqueues

"current.h"

task_struct *current

…

"wait.h"

DEFINE_WAIT(wq1)

…

"sched.h"

task_struct init_task…



ARCOS @ UC3M107

runqueueskernel/sched.c

struct rq

current

…

init_tasksched.h

task_struct…

sched.h

task_struct

a. atomic_t is_blocking_mode = ATOMIC_INIT(0);DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(dso_wq1);

b. atomic_set(&is_blocking_mode, 0);wait_event_interruptible(dso_wq1,

(atomic_read(&is_blocking_mode) == 1));

c. atomic_set(&is_blocking_mode, 1);wake_up_interruptible(&dso_wq1);

"wait.h"

DEFINE_WAIT(wq1)

…



ARCOS @ UC3M108

runqueueskernel/sched.c

struct rq

current

…

init_tasksched.h

task_struct…

sched.h

task_struct

a. atomic_t is_blocking_mode = ATOMIC_INIT(0);DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(dso_wq1);

b. atomic_set(&is_blocking_mode, 0);wait_event_interruptible(dso_wq1,

(atomic_read(&is_blocking_mode) == 1));

c. atomic_set(&is_blocking_mode, 1);wake_up_interruptible(&dso_wq1);

• DEFINE_WAIT, DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(wq)• wq->flags &= ~WQ_FLAG_EXCLUSIVE

wq->flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE

"wait.h"

DEFINE_WAIT(wq1)

…

wake_up, wake_up_nr, wake_up_all, wake_up_interruptible, wake_up_interruptible_nr, wake_up_interruptible_all, wake_up_interruptible_sync, wake_up_locked(queue)

wait_event, wait_event_interruptible (wq, condition)wait_event_timeout, wait_event_interruptible_timeout (wq, condition, timeout)



109 ARCOS @ UC3M

Periférico

driver

mplayer

/dev/fb0

vfs


Contenidos

110

� Introducción

� Periféricos


� Procesos




ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


Organización básica de un driver/s.a.drivers basados en módulos del kernel

� No todos los drivers/ss.aa. son necesarios en todo momento:

� Hay dispositivos que se conectan/desconectan sin apagar el ordenador (hot-plug)

� Hay dos métodos (combinables) para la selección de drivers/ss.aa. a usar:

� Elegirlos al compilar el kernel.

� En el arranque del sistema operativo se crean los drivers/ss.aa. elegidos.

� Elegirlos mientras el kernel está ejecutando (enlace dinámico).

� Se crean en algún punto de la ejecución del sistema operativo.

111

Driver de tipo (1)

Servicio ampliado (X)



…


ARCOS @ UC3M


Módulos para ampliar el kernel

� Los módulos se utilizan no solo para los drivers de los dispositivos, actualmente también se utilizan para añadir otro tipos de funcionalidad:

� Sistemas de ficheros, protocolos de red, llamadas al sistema extras, etc.

112

Sistema de ficheros

DriverDriver

kernel

……

ARCOS @ UC3M


Organización básica de un driver/s.a.partes internas de un módulo driver

113

Driver de tipo (1)




…


/* modulo_teclado.c (Javier Fernández Muñoz) */

#include <string.h>#include <stdlib.h>#include "minikernel.h"

/* Tipo con atributos específicos del dispositivo de teclado */

typedef struct {TipoBufferCaracteres bufferCaracteres;TipoListaBCP listaProcesosBloqueados;

} TipoDatosPropiosDispositivo_teclado;

/* Descriptor de fichero de teclado */int cerrarFichero_teclado (int descFichero) ;int abrirFichero_teclado (int descFichero, char *nombr e, int flags) ;int leerFichero_teclado (int descFichero, char *buffer, int tamanyo) ;

/* Dispositivo de teclado */int interrupcionHW_teclado (int descDispositivo) ;void interrupcionSW_teclado (int descDispositivo) ; int peticionCaracter_teclado (int descDispositivo,

char *caracter, int operacion) ;

/* Cargar y descarga de módulos */int cargarModulo_teclado () ;int crearDispositivo_teclado (int descDriver,

char *nombreDispositivo, int hardwareID) ;int destruirDriver_teclado (int descDriver) ;int crearDescFicheroDispositivo_teclado (int descDispo sitivo,

TipoTablaDescFicheros tablaDescFicheros) ;int mostrarDispositivo_teclado (int descDispositivo,

char *buffer, int bytesLibres) ;

ARCOS @ UC3M



114




…


carga

interfaz

carga

interfaz

/* modulo_teclado.c (Javier Fernández Muñoz) */

#include <string.h>#include <stdlib.h>#include "minikernel.h"

/* Tipo con atributos específicos del dispositivo de teclado */

typedef struct {TipoBufferCaracteres bufferCaracteres;TipoListaBCP listaProcesosBloqueados;

} TipoDatosPropiosDispositivo_teclado;

/* Descriptor de fichero de teclado */int cerrarFichero_teclado (int descFichero) ;int abrirFichero_teclado (int descFichero, char *nombr e, int flags) ;int leerFichero_teclado (int descFichero, char *buffer, int tamanyo) ;

/* Dispositivo de teclado */int interrupcionHW_teclado (int descDispositivo) ;void interrupcionSW_teclado (int descDispositivo) ; int peticionCaracter_teclado (int descDispositivo,

char *caracter, int operacion) ;

/* Cargar y descarga de módulos */int cargarModulo_teclado () ;int crearDispositivo_teclado (int descDriver,

char *nombreDispositivo, int hardwareID) ;int destruirDriver_teclado (int descDriver) ;int crearDescFicheroDispositivo_teclado (int descDispo sitivo,

TipoTablaDescFicheros tablaDescFicheros) ;int mostrarDispositivo_teclado (int descDispositivo,

char *buffer, int bytesLibres) ;

interfaz

específico X

carga

Driver de tipo (1)


ARCOS @ UC3M



1. Registro de driver

2. Interfaz para llamadas al sistema

3. Petición al controlador de dispositivo

4. Planificación de E/S en el driver

5. Inicialización y finalización del driver

115




Driver de tipo (1)


carga

interfaz


carga

interfazinterfaz

21

34-5

interfaz

2

3

1

4-5

…

ARCOS @ UC3M


Organización básica1. registro de drivers

� Tabla con los drivers cargados:

� Funciones para registrar drivers.

� cargar el módulo asociado al driver.

� Funciones para borrar drivers.

� Tabla con dispositivos detectados:

� Funciones para registrar el dispositivo en el driver, y dar de alta sus estructuras/funciones particulares.

� Desde el driver se tiene acceso a la lista de dispositivos que maneja.

� Funciones para buscar y dar de baja un dispositivo.

116



Driver de tipo (1)


carga

interfaz

ARCOS @ UC3M


Estructuras principales de gestiónLinux

117 ARCOS @ UC3M

init_module()

cleanup_module()

open()

close()

read()

write()

ioctl()

request()

int_hw()

int_sw()

insmod

rmmod

Module Kernel core

register_capability()

unregister_capability()

printk()

…()

http://www.xml.com/ldd/chapter/book/ch02.html

Function call

Function pointer

Data pointer

fs

file

fd_array

f_op

files

files_struct

task_struct

files_operations

read

write

…

…


#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int hello_init (void) {

printk("<1> Test1 cargado…\n");return 0;

}

static void hello_exit (void){

printk("<1> Test1 descargado.\n");}

module_init (hello_init );module_exit (hello_exit );

Proceso de registroLinux

118

dso/test1.c

ARCOS @ UC3M


Proceso de registroLinux

119

obj-m := test1.o

dso/Makefile

ARCOS @ UC3M

make -C /usr/src/linux M=`pwd` modulesinsmod test1.kolsmoddmesgrmmod test1


Organización básica2. interfaz para llamadas al sistema

� Interfaz para llamadas al sistema:

• Conjunto de funciones que proporciona un driver para acceder al dispositivo.

� Características:

� Estandarización:

� Si un dispositivos hardware es válido para una tarea, el programa de usuario o servicio del SO que la realiza debe poder utilizarlo sin modificar su código.

� Uso de interfaces comunes y reducidas de llamadas al sistema:

� Crear una nueva llamada es más costoso que reutilizar llamadas ya existentes.

120



Driver de tipo (1)


carga

interfazinterfaz

ARCOS @ UC3M


Interfaz para llamadas al sistemaLinux

� Llamadas para establecer el acceso al dispositivo:

� Open (nombre, flags, modo)

� Close (descriptor)

� Llamadas para intercambiar datos con el dispositivo:

� Read (descriptor, buffer, tamaño)

� Write (descriptor, buffer, tamaño)

� Lseek (descriptor, desplazamiento, origen)

� Llamadas especificas del dispositivo:

� Ioctl (descriptor, num_operacion, puntero_parametros)

� Permite la ejecución de cualquier servicio con cualquier parámetros.

� Las operaciones debe hacerse públicas de alguna forma para que no haya conflictos entre distintos drivers.

121 ARCOS @ UC3M



122 ARCOS @ UC3M

init_module()

cleanup_module()

open()

close()

read()

write()

ioctl()

request()

int_hw()

int_sw()

insmod

rmmod

Module Kernel core



printk()

…()

http://www.xml.com/ldd/chapter/book/ch02.html

Function call

Function pointer

Data pointer

fs

file

fd_array

f_op

files

files_struct

task_struct

files_operations

read

write

…

…


#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h> /* printk() */#include <linux/fs.h> /* everything... */#include <linux/errno.h> /* error codes */#include <linux/types.h> /* size_t */#include <linux/proc_fs.h>#include <linux/fcntl.h> /* O_ACCMODE */

#include <asm/uaccess.h> /* copy_from/to_user */

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");


123

dso/test2.c

ARCOS @ UC3M


int test2_open (struct inode *inode, struct file *filp); int test2_release (struct inode *inode, struct file *filp); ssize_t test2_read (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos); ssize_t test2_write (struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos);

struct file_operations test2_fops = {open: test2_open ,release: test2_release, /* AKA close */read: test2_read ,write: test2_write

};

void test2_exit (void); int test2_init (void);

module_init (test2_init );module_exit (test2_exit );


124

dso/test2.c

ARCOS @ UC3M


int test2_major = 60;

int test2_init (void) {int result;

result = register_chrdev (test2_major , ”test2", &test2_fops );if (result < 0) {

printk("<1> test2: error on register_chrdev\n”);return result;

}

printk("<1>test2: inserted…\n"); return 0;

}

void test2_exit (void) {unregister_chrdev (test2_major , ”test2");printk("<1> test2: removed. \n");

}


125

dso/test2.c

ARCOS @ UC3M


int test2_open (struct inode *inode, struct file *filp) {

/* * Once the associate file is open, increment the usage count* Three column from the lsmod output*/

try_module_get (THIS_MODULE) ;return SUCCESS;

}

int test2_release (struct inode *inode, struct file *filp) {

/* * Decrement the usage count.*/

module_put (THIS_MODULE) ;return 0;

}


126

dso/test2.c

ARCOS @ UC3M


char test2_buffer = ‘a’;

ssize_t test2_read (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {

if (*f_pos > 1024) {return 0;

}

copy_to_user (buf, &test2_buffer , 1);*f_pos+=1; return 1;

}

ssize_t test2_write ( struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos ) {

copy_from_user (&test2_buffer , buf,1);return 1;

}


127

dso/test2.c

ARCOS @ UC3M



128

obj-m := test1.o test2.o

dso/Makefile

ARCOS @ UC3M

make -C /usr/src/linux M=`pwd` modulesinsmod test2.kodmesg

mknod /dev/test2 c 60 0chmod 777 /dev/test2echo –n ‘b’ > /dev/test2cat /dev/test2

rm –fr /dev/test2rmmod test2 test2.o

echo/cat

/dev/test2

2

vfs

3

1



� Llamadas para establecer el acceso al dispositivo:

� Open (nombre, flags, modo)

� Close (descriptor)

� Llamadas para intercambiar datos con el dispositivo:

� Read (descriptor, buffer, tamaño)

� Write (descriptor, buffer, tamaño)

� Lseek (descriptor, desplazamiento, origen)

� Llamadas especificas del dispositivo:

� Ioctl (descriptor, num_operacion, puntero_parametros)

� Permite la ejecución de cualquier servicio con cualquier parámetros.

� Las operaciones debe hacerse públicas de alguna forma para que no haya conflictos entre distintos drivers.

129

+ IreadIwriteWaitReady

http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/ ARCOS @ UC3M


Interfaz para llamadas al sistemaResumen de los modos básicos de E/S en Linux

130http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/

Blocking Non-blocking

Synchronous

Asynchronous

Read/write

I/O multiplexing(select/poll)

AIO

Read/write(O_NONBLOCK)

ARCOS @ UC3M


Interfaz para llamadas al sistemaResumen de los modos básicos de E/S en Linux

131http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/

Síncrono(petición)

Asíncrono(petición)

NO-bloqueante(notificación)

Bloqueante(notificación)

ARCOS @ UC3M


Organización básica3. petición al controlador de dispositivo

� Requiere implementar hasta dos funciones:

� Función para solicitar la operación

� Solicitada por un servicio del S.O.

� Función para manejar la interrupción del dispositivo (al finalizar la operación)

� Se ejecuta al recibir la interrupción.

� Necesario adaptar al tipo de controlador hardware del dispositivo:� Dispositivos rápidos o dispositivos real-time

� D. con peticiones dependientes o independientes

� Dispositivos proactivos o reactivos

132



Driver de tipo (1)


carga

interfaz

ARCOS @ UC3M



133 ARCOS @ UC3M

init_module()

cleanup_module()

open()

close()

read()

write()

ioctl()

request()

int_hw()

int_sw()

insmod

rmmod

Module Kernel core



printk()

…()

http://free-electrons.com/doc/books/ldd3.pdf

Function call

Function pointer

Data pointer

fs

file

fd_array

f_op

files

files_struct

task_struct

files_operations

read

write

…

…


Módulo de E/Sresumen de las características fundamentales

134

� Unidad de transferencia� De bloques

� De caracteres

� Direccionamiento � Proyectados en memoria

� Mediante puertos

� Interacción computador-controlador� E/S programada o directa


� E/S por DMA

ControlEstadoDatos

0x05010x05020x0503

Unidad de E/S

…

ARCOS @ UC3M




� E/S por DMA

Interacción computador-controlador

135 ARCOS @ UC3M


EjemploE/S programada

136

Memoria

Bus

E/SE/SE/SE/S

ARCOS @ UC3M



137

petición: for (i=0; i<100;i++)

{

// pedir leer a partir de la posición 10

out(0x504,10) ;

out(0x500,0) ;

// bucle de espera

do {

in(0x508,&status) ; // ¿listo?


// leer dato

in(0x50C,&(datos[i])) ;

}


0x05000x05040x0508

Unidad de E/S

Datos0x050C


� 0: leer

� 1: escribir






� Datos


ARCOS @ UC3M



138

out(0x504,10) ;

out(0x500,0) ;

for (i=0; i<100;i++) {

do {

in(0x508,&status) ;


in(0x50C,&datos[i]) ;

}

k

// read(fichero,offset,100) ;…

P1


P1

ARCOS @ UC3M




� E/S por DMA


139 ARCOS @ UC3M


EjemploE/S por interrupciones

140

Memoria

Bus

INTE/SE/SE/SE/S

ARCOS @ UC3M



141

petición:

// lectura a partir de posición 10

p.neltos = 100; p.contador = 0;


out(0x500,0) ; // leer

// cambio de contexto voluntario (C.C.V.)

INT_05: in(0x508,&status) ; // leer estado

in(0x50C,&p.datos[p.contador]) ; // leer dato

if (p.contador < p.neltos) {

out(0x504,10+p.contador) ; // offset

out(0x500,0) ; // leer

p.contador++ ;

} else { // poner proceso peticionario a listo }

ret_int # restore registers & return


0x05000x05040x0508

Unidad de E/S

Datos0x050C


� 0: leer

� 1: escribir






� Datos


ARCOS @ UC3M


P2


142

// pedir datos (out)

// proceso peticionario a dormir

// ejecutar otro proceso listo


k

…P2

INT_05: // leer dato (in)

INT_05: // leer último dato

// peticionario a listo

k

k


P1

INT_05: // leer dato (in)k

P2

P1

…

ARCOS @ UC3M




� E/S por DMA


143 ARCOS @ UC3M


EjemploE/S por DMA

144

Memoria

Bus

INT

E/SE/Scon DMA

BUSACK

BUSRQ

Coordinación entre CPU y Módulos de E/S para acceder a memoria

ARCOS @ UC3M


EjemploE/S por DMA

145

Memoria

Bus

INT

E/SE/Scon DMA

BUSACK

BUSRQ

Cada dato transferido a memoria supone:• Pedir permiso para acceder a memoria (BUSRQ)• Esperar el permiso (BUSACK)• Transfiere a memoria• Desactiva petición de permiso (BUSRQ)

ARCOS @ UC3M


EjemploE/S por DMA

146

Memoria

Bus

INT

E/SE/Scon DMA

BUSACK

BUSRQ

Una vez transferido todos los datos:• Generar una interrupción (INT) para avisar a la CPU

ARCOS @ UC3M


EjemploE/S por DMA

147

petición:

// Programar la petición del bloque

out(0x500,0) ; // leer

out(0x500,datos) ; // dirección vector

out(0x500,100) ; // nº elementos

out(0x504,10) ; // posición lec./esc.

// Cambio de contexto voluntario (C.C.V.)

INT_05: // leer estado y datos


in(0x50C, &status) ;

// poner proceso peticionario a listo

ret_int # restore registers & return


0x05000x05040x0508

Unidad de E/S

Datos0x050C


� 0: leer

� 1: escribir






� Datos


ARCOS @ UC3M


EjemploE/S por DMA

148

// pedir datos (out)

// proceso peticionario a dormir

// ejecutar otro proceso listo


k

P1

…

P2

INT_05: // fin DMA

// peticionario a listo

k


P1

ARCOS @ UC3M


#include <linux/init.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/workqueue.h>#include <linux/interrupt.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");MODULE_DESCRIPTION("DSO Device Driver Demo");

struct wq1_work {

struct work_struct work ;unsigned char status ;

char scancode ;};

static struct workqueue_struct *wq1 ;

Comunicación con el controlador Linux

149

dso/test3.c

ARCOS @ UC3M


static void got_char (struct work_struct *work) {struct wq1_work *_w;

_w = container_of (work, struct wq1_work, work);printk (KERN_INFO ” test3: scan Code %x %s.\n”,

(int)(_w->scancode) & 0x7F, (_w->scancode) & 0x80 ? "Released" : "Pressed");}

irqreturn_t irq_handler (int irq, void *dev_id) {static int initialised = 0;static struct wq1_work task;

task.status = inb (0x64);task.scancode = inb (0x60);if (initialised == 0)

{ INIT_WORK (&(task.work), got_char); }else { PREPARE_WORK (&(task.work), got_char); }initialised = 1;queue_work (wq1 , &(task.work));return IRQ_HANDLED;

}


150

dso/test3.c

ARCOS @ UC3M


int test3_init (void) {printk (KERN_INFO “ test3: inserting the new irq-hander…\n"); wq1 = create_workqueue ("WQsched.c");return request_irq (1,

irq_handler, IRQF_SHARED, "test3",(void *)(irq_handler));

}

void test3_exit (void) {printk (KERN_INFO “ test3: removing the new irq-hander…\n");free_irq (1, (void *)(irq_handler));

}

module_init (test3_init );module_exit (test3_exit );


151

dso/test3.c

ARCOS @ UC3M



152

obj-m := test1.o test2.o test3.o

dso/Makefile

ARCOS @ UC3M

make -C /usr/src/linux M=`pwd` modulestail –f /var/log/syslog &insmod test3.kolsrmmod test3


Organización básica4. planificación de E/S en el driver

� Cuando hay varias peticiones a un dispositivo, estas se mantienen en una cola de peticiones. El driver suele disponer de un planificador de E/S que permite planificar las peticiones de manera que se minimice el tiempo de atención a las mismas

� Los bloques de disco se planifican para minimizar el tiempo gastado en mover las cabezas del disco.

� El planificador de E/S suele realizar, al menos, dos operaciones básicas:

� Ordenación: las peticiones se insertan en una lista según algún criterio

� Fusión: dos peticiones pequeñas consecutivas se transforman en una única petición.

153



Driver de tipo (1)


carga

interfaz

ARCOS @ UC3M


Planificación de E/S en el driver

Enviar mandatosal controlador

Operacionessobre datos

Contestación ala petición

Traducir a formatodel controlador

Prepararrespuestade error

Extraer peticiónE/S de la lista

Peticiones de E/S del dispositivo

Bloqueo

Error

Esperarinterrupción

Programación delcontrolador

Si

Si

No

No

Interrupción

Leer registrosestado delcontrolador

154 Sistemas operativos: una visión aplicada ARCOS @ UC3M


Flujo de una operación de E/S AplicaciónSubsistema

o DLL

Manejadorde

dispositivo

Manejador deinterrupción

Gestor dearchivos

Gestor debloques

Gestor decache

Servicios

Controlador

Dispositivo(disco)

Copia en elsistema operativo

Copia enmemoria delusuarioModo usuario

Modo núcleo

Proceso

de usuario

SW de E/S

independiente

de dispositivo

SW de E/S

independiente

de dispositivo

SW de E/S

dependiente

de dispositivo

Hardware

Software

Bloque deldispositivo

Copia en elcontrolador

155 Sistemas operativos: una visión aplicada ARCOS @ UC3M


Organización básica5. inicialización y finalización del driver

� Cuando se está utilizando un driver necesita una serie de recursos asociados (IRQ, buffer de memoria, etc.)

� Para controlar la asignación de recursos se puede seguir el siguiente esquema:

� Un contador mantiene el número de procesos que van a trabajar con un dispositivo.

� Cada vez que un nuevo proceso opera con un dispositivo se incrementa el contador, y cuando deja de operar se decrementa.

� Cuando el contador pasa a 1 se realiza la asignación de recursos al driver.

� Cuando el contador pasa a 0 se libera todos los recursos.

156



Driver de tipo (1)


carga

interfaz

ARCOS @ UC3M


Organización básicaresumen

1. Interfaz para llamadas al sistema

2. Petición al controlador de dispositivo

3. Registro de drivers

4. Planificación de E/S en el driver

5. Inicialización y finalización del driver

157




Driver de tipo (1)


carga

interfaz


carga

interfazinterfaz

13

24-5

interfaz

1

2

3

4-5

…

ARCOS @ UC3M


Windows 2000rutinas en un driver

Inside Microsoft Windows 2000 (Microsoft Programming Series) – 539 a 541

Start I/O routine

Interruptservice routine

DPC routine

I/Osystem

Initializationroutine

Dispatchroutines

Add-deviceroutine

ARCOS @ UC3M


Estructuras de datosLinux

159 http://blog.csdn.net/vhghhd/article/details/6853550 ARCOS @ UC3M


Contenidos

160

� Introducción

� Periféricos


� Procesos




ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


Organización básicaEjemplos con distintos tipos de dispositivos

� Dispositivo rápido

� Dispositivo lento

� Peticiones independientes

� Peticiones compartidas

161 ARCOS @ UC3M


� Petición de datos:

� Escribir los datos en un buffer

� Manejador de interrupción del dispositivo:

Petición al controlador de dispositivorápido (salida)

162

Pantalla






� Ticks = Ticks + 1

Petición al controlador de dispositivorápido (entrada)

163

Reloj





� Crear una petición

� Si no imprimiendo datos

� Poner a imprimir petición

� Dormir + ejecutar otro proceso


� Despertar proceso

� Si hay datos a imprimir

� Poner a imprimir siguiente petición

Petición al controlador de dispositivolento / independiente (salida)

164

Impresora



peticiones

procesos bloqueados(1 por petición)




� Crear una petición

� Si scanner libre

� Poner a escanear petición

� Dormir + Ejecutar otro proceso

� Leer los datos de un buffer


� Insertar datos en buffer

� Despertar proceso

� Si hay más peticiones

� Poner a escanear siguiente petición

Petición al controlador de dispositivolento / independiente (entrada)

165

Scanner



peticiones

procesos bloqueados(1 por petición)




� Si NO hay datos

� Dormir + Ejecutar otro proceso

� Leer los datos de un buffer



� Si hay procesos dormidos

� Despertar al primero

Petición al controlador de dispositivolento / independiente (entrada)

166

Teclado



datos

procesos bloqueados(si no hay datos)



Petición al controlador de dispositivolento / compartidas (salida)


� Si otro proceso realizó la petición

� Actualizar los datos

� Dormir por esa petición

� En caso contrario

� Construir una nueva petición

� Encolar la petición

� Dormir en esa petición


� Despertar a todos los procesos dormidos por la petición completada

� Si hay peticiones pendientes

� Ir pidiendo la siguiente petición

167

peticiones

Disco



procesos bloqueados(n por petición)



Petición al controlador de dispositivolento / compartidas (entrada)


� Si otro proceso realizó la petición

� Actualizar los datos

� Dormir por esa petición

� En caso contrario

� Construir una nueva petición

� Encolar la petición

� Dormir en esa petición

� Copiar los datos leídos



� Despertar a todos los procesos dormidos por la petición completada

� Si hay peticiones pendientes

� Ir pidiendo la siguiente petición

168

peticiones

CDROM



procesos bloqueados(n por petición)



Contenidos

169

� Introducción

� Periféricos


� Procesos




ARCOS @ UC3M

Periféricos

kernel

Servicios

ShellProcesos

Usuarios

Sistemaoperativo

Har

dwar

eS

oftw

are

drivers


El reloj: tratamiento mínimo

ARCOS @ UC3M170

proceso P0 sistema operativo

ejecutando

interrupción o llamada al sistema



Reloj_Interrupción_Hardware ()

• Ticks++


• Ticks++


• Ticks++


TemporizaciónLinux

ARCOS @ UC3M171

• void process_timeout (unsigned long __data) {wake_up_process((task_t *)__data);

}

• timespec t;unsigned long expire;struct timer_list timer;

Understanding the Linux kernel (250)

"timer.h"

timer_list

…

…


TemporizaciónLinux

ARCOS @ UC3M172

"timer.h"

timer_list

…

• expire = timespec_to_jiffies(&t) + 1 + jiffies;init_timer(&timer);timer.expires = expire;timer.data = (unsigned long) current;timer.function = process_timeout;add_timer(&timer);current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;schedule(); /* ejecutar mientras otro proceso */del_singleshot_timer_sync(&timer);

Understanding the Linux kernel (250)

…


Curiosidad: Timer Coalescing en MacOS 10.9.x

ARCOS @ UC3M173http://appleinsider.com/articles/13/06/18/os-x-mavericks-new-app-nap-timer-coalescing-features-target-battery-efficiency



ARCOS @ UC3M174 http://www.apple.com/osx/advanced-technologies/

SIN Timer Coalescing



ARCOS @ UC3M175 http://www.apple.com/osx/advanced-technologies/

CON Timer Coalescing


Multitarea (datos y funciones)

ARCOS @ UC3M176















representante





Estados de un proceso

ARCOS @ UC3M177





C.C.V.

C.C.V. + C.C.I.


El reloj: tratamiento con c.c.v. + c.c.i.

ARCOS @ UC3M178

proceso P0 sistema operativo

ejecutando






listo

proceso P1

ejecutando

listo



Reloj_Planificar_Rodaja ()

• pActual->rodaja = pActual->rodaja - 1;• SI (pActual->rodaja == 0)

• pActual->estado = LISTO;• insertar (CPU_Listos, pActual);• proceso = pActual;

• pActual = planificador();• pActual->estado = EJECUCIÓN;• cambio_contexto(

&(proceso->contexto), &(pActual->contexto));

• return ok;


ARCOS @ UC3M179

Running

Ready

BCP7 BCP2


• Ticks++;• Insertar (Reloj_Planificar_Rodaja); • Activar_Interrupción_Software();

BCP2 BCP5



planificador()



Estados de un procesoLinux

ARCOS @ UC3M180

Ready

Stopped

Executing ZombieScheduling

Signal

Termination

Signal

Creation

Uninterruptible

Event Event

Interruptible


Multiproceso

ARCOS @ UC3M181















representante





Multiproceso

� Afinidad:� Los procesos tienen ‘afinidad’ (affinity) a una CPU: «mejor volver a la misma CPU»

� Simetría:� Los procesos se ejecutan en la CPU que tienen unas capacidades específicas

ARCOS @ UC3M182


Planificación de procesosniveles de planificación

� A largo plazo

� añadir procesos a ejecutar

� Invocado con baja frecuencia

� puede ser algo lento

� A medio plazo

� añadir procesos a RAM

� A corto plazo

� qué proceso tiene la UCP

� Invocado frecuentemente

� rápido

ARCOS @ UC3M183


Ready Blockedfin E/S

Ready & Suspend

Blocked & Suspend

creación

Planificación a medio plazo

Planificación a corto plazo

Planificación a largo plazo

Sistemas operativos: una visión aplicada


Planificación de procesosobjetivos de los algoritmos de planificación (según sistema)

� Todos los sistemas:

� Equitativo – ofrece a cada proceso una parte equitativa de la CPU

� Expeditivo – cumplimiento de la política emprendida de reparto

� Balanceado – mantener todas las partes del sistema ocupadas

� Sistemas batch:

� Productividad – maximizar el número de trabajos por hora

� Tiempo de espera – minimizar el tiempo entre emisión y terminación del trabajo

� Uso de CPU – mantener la CPU ocupada todo el tiempo

� Sistemas Interactivos:

� Tiempo de respuesta – responder a las peticiones lo más rápido posible

� Ajustado – satisfacer las expectaciones de los usuarios

� Sistemas de tiempo real:

� Cumplimiento de plazos – evitar la pérdida de datos

� Predecible – evitar la degradación de calidad en sistemas multimedia

ARCOS @ UC3M184


Planificación de procesoscaracterísticas de los algoritmos de planificación (1/2)

� Preemption:

� Sin expulsión:

� El proceso conserva la CPU mientras desee.

� Cambios de contexto voluntarios (C.C.V.)

� [v/i] Un proceso puede bloquear al resto pero solución fácil a la compartición de recursos

� Windows 3.1, Windows 95 (16 bits), NetWare, MacOS 9.x.

� Con expulsión:

� Exige un reloj que interrumpe periódicamente:

� cuando pasa el quantum de un proceso se cambia a otro

� (Se añade) Cambios de contexto involuntarios (C.C.I.)

� [v/i] Mejora la interactividad pero precisa de mecanismos para condiciones de carrera

� AmigaOS (1985), Windows NT-XP-Vista-7, Linux, BSD, MacOS X

ARCOS @ UC3M185


Planificación de procesoscaracterísticas de los algoritmos de planificación (2/2)

� Clasificación de elementos en las colas:

� Por prioridad

� Por tipo

� CPU-bound (más ‘rachas’ –burst– de tiempo usando CPU)

� IO-bound (más ‘rachas’ de tiempo esperando E/S)

� CPU-aware:

� Afinidad:

� Los procesos tienen ‘afinidad’ (affinity) a una CPU: «mejor volver a la misma CPU»

� Simetría:

� Los procesos se ejecutan en la CPU que tienen unas capacidades específicas a dicha CPU

ARCOS @ UC3M186

A B C D


Planificación de procesosprincipales algoritmos de planificación (1/3)

� Cíclico o Round Robin:

� Asignación rotatoria del procesador

� Se asigna un tiempo máximo de procesador (rodaja o quantum)

� Equitativo pero interactivo:

� Mejor por UID que por proceso

� En Linux:

� Aparición en 11/2010 de un parche para el kernel que automáticamente crea un grupo de tareas por TTY para mejorar la interactividad en sistemas cargados.

� Son 224 líneas de código que modifican el planificador del kernel que en las primeras pruebas muestra que la latencia media cae a una 60 veces (1/60).

� Uso en sistemas de tiempo compartido

ARCOS @ UC3M187 http://www.phoronix.com/scan.php?page=article&item=linux_2637_video&num=1

A B C D B C D A

• Grande:

• menos cambios de contexto

• Peor reactividad



� Por prioridad:

� Asignación a procesos más prioritarios el procesador

� Se puede combinar con cíclica. Ejemplo con tres clases de prioridad


� Uso de prioridades fijas: problema de inanición

� No fijas: uso de algún algoritmo de envejecimiento

� Uso en sistemas de tiempo compartido con aspectos de tiempo real

ARCOS @ UC3M188

Prioridad 2

Prioridad 1

Prioridad 3



� Primero el trabajo más corto:� Dado un conjunto de trabajo del que se sabe la duración total de la ejecución

de cada uno de ellos, se ordenan de la menor a la mayor duración.


� [v] Produce el menor tiempo de respuesta (medio)

� [i] Penaliza los trabajos largos.

� Uso en sistemas batch.

� FIFO:� Ejecución por el estricto orden de llegada.


� [v] Simple de implantar.

� [i] Penaliza los trabajos prioritarios.

� Uso en sistemas batch.

ARCOS @ UC3M189


Política vs mecanismo

� Separación de lo qué se puede hacer de cómo se puede hacer

� Normalmente, un proceso conoce cuál es el hilo más prioritario, el que más E/S necesitará, etc.

� Uso de algoritmos de planificación parametrizados

� Mecanismo en el kernel

� Parámetros rellenados por los procesos de usuarios

� Política establecida por los procesos de usuario

ARCOS @ UC3M190


Planificación multipolíticaWindows 2000 y Linux


31-1616 niveles de RT

15 niveles variables 15-1

1 nivel del sistema

0-99

100-139

Prioridades de RT

Prioridades procs. convencionales

Windows 2000 Linux

CPU

I/O

CPU

I/O

0


Planificación multipolíticaWindows 2000


31-1616 niveles de RT

15 niveles variables 15-1

1 nivel del sistema

Windows 2000

CPU

I/O

0

Lección 3drivers y servicios ampliados

Diseño de Sistemas Operativos

Grado en Ingeniería Informática

Grupo ARCOSUniversidad Carlos III de Madrid

dso-3: drivers y procesos (v4b)

Education