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5-1.1INE5355 – Sistemas Operacionais I
Capítulo 5: Sistemas de E/S 
� Parte 1
• Hardware de E/S
• Software de E/S
• Níveis de software de E/S
� Parte 2
• Disco
5-1.2INE5355 – Sistemas Operacionais I
Hardware de E/S
� Princípios do Hardware de E/S
• Chips, ligações elétricas, componentes físicos do hardware
• Interface de software, comandos aceitos, funções e erros
� Dispositivos de E/S
• Dispositivos de bloco
• armazena informação em blocos de tamanho fixo, com 
endereço (exemplo: disco) 
• Dispositivo de caractere
• envia ou recebe fluxo de caracteres sem considerar
qualquer estrutura de blocos (exemplo: impressoras, 
interface de rede, mouse)
• Outros dispositivos: relógio
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5-1.3INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.1. Device-handling subsystem overview
5-1.4INE5355 – Sistemas Operacionais I
Hardware de E/S
Alguns dispositivos típicos e suas taxas de dados
-1963 80MB 50/100Kb/s 
-1986 765MB 2Mb/s
-1992 2GB 10Mb/s (3,75)
- 1997 29.3GB 20/40Mb/s (0,25)
- 2002 80GB 100MB/s (1,5)
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5-1.5INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.2. Hardware–software interface.
5-1.6INE5355 – Sistemas Operacionais I
Controladores de Dispositivos
� Dispositivos de E/S tem componentes:
• mecânico
• eletrônico
� O componente eletrônico é o controlador do dispositivo
• Placa controladora circuito impresso, conector para o dispositivo
• Pode tratar com múltiplos dispositivos
� Interface entre controlador e dispositivo
• Padrão oficial (ANSI,IEEE,ISO), padrão de fato
• Interface de nível baixo: unidade de disco entrega fluxo serial de 
bits (preâmbulo+4096bits(setor)+checksum-ECC) 
� Tarefas do Controlador
• converter um “stream” serial de bits em blocos de bytes
• realizar correção de erros se necessário
• tornar dados disponíveis para memória principal
• SO inicia o controlador com parâmetros
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5-1.7INE5355 – Sistemas Operacionais I
Barramento PC
5-1.8INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.3. A simple device interface with (a) interrupts disabled 
and (b) interrupts
enabled.
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5-1.9INE5355 – Sistemas Operacionais I
Hardware E/S: 
comunicação c/ dispositivos
� E/S mapeada em memória
• Cada controlador tem registradores para comunicação com 
CPU
• O SO comanda dispositivos através da escrita destes –
entregar ou receber dados, ligar, desligar executar tarefa
• O SO verifica o estado dos dispositivos através da leitura
destes
• Dispositivos também tem buffer de dados, SO pode ler ou
escrever
Questão: como a CPU se comunica com os registradores dos 
controladores e com os buffers de dados dos dispositivos?
5-1.10INE5355 – Sistemas Operacionais I
Hardware E/S: 
comunicação c/dispositivos
� Porta de E/S (IBM360)
• Registrador associado a porta (inteiro 8,16 bits)
• IN reg,porta ; OUT porta,reg
• Espaços de endereçamento diferentes (figura)
• Instruções IN r0,4 e MOV r0,4
� E/S Mapeada na memória (PDP11)
• Mapear registradores no espaço de endereçamento da
memória
• Cada registrador é associado a endereço de memória único
� Esquema híbrido(Pentium)
• Portas de E/S de 0 a 64K e endereços 640K a 1M buffers 
(dispositivos PC)
• CPU coloca endereço nas linhas de endereço do 
barramento e emite READ
• Segunda linha de sinal indica se E/S ou memória
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5-1.11INE5355 – Sistemas Operacionais I
E/S Mapeada na memória (1)
a) Espaço de E/S e memória separados
b) E/S Mapeada na memória
c) Híbrido
5-1.12INE5355 – Sistemas Operacionais I
E/S Mapeada na memória
� Vantagens da E/S mapeada
� Não precisa instruções especiais (código específico) para ler/escrever
nos registradores
� Sem necessidade de mecanismo especial de proteção, não mapear EE 
dos registradores no EEV do usuário.
� Registradores de controle são variáveis na memória, ou seja, Driver 
pode ser escrito totalmente em C
� Instruções de referencia a memória referenciam registradores
� Loop: TEST PORT_4
BEQ READY
BRANCH LOOP
READY:
� Desvantagens
� Um espaço de endereçamento para todos, módulos de memória e 
dispositivos devem examinar referencias – responder
� Barramento de memória de alta velocidade, dispositivos de E/S não
conseguem examinar
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5-1.13INE5355 – Sistemas Operacionais I
E/S Mapeada em Memoria
(a) Arquitetura unico barramento
(b) Arquitetura barramento duplo
5-1.14INE5355 – Sistemas Operacionais I
Polling e Interrupções
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5-1.15INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.3. A simple device interface with (a) interrupts disabled 
and (b) interrupts
enabled.
5-1.16INE5355 – Sistemas Operacionais I
Ciclo de E/S com Interrupções
Dispositivo gera interrupção, controlador de interrupção executa 
ação adequada e coloca número nas linhas de endereço (índice do 
vetor de interrupções). Tratador de interrupção executa, confirma a 
interrupção.
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5-1.17INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.5. The interrupt mechanism. (a) Before the interrupt is
taken. (b) After the interrupt is taken.
5-1.18INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.6. Device interrupt handling and 
interrupt vectors.
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5-1.19INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.10. An example showing nested 
interrupts.
5-1.20INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.8. Direct memory access.
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5-1.21INE5355 – Sistemas Operacionais I
Ciclo de E/S com transferência por DMA
O processador precisa endereçar os controladores dos dispositivos para trocar 
dados com eles, por exemplo, requisitar dados um byte a cada vez.
Ex: leitura de disco 
5-1.22INE5355 – Sistemas Operacionais I
Princípios de Software de E/S
Metas do Software de E/S (1)
Vamos ver os objetivos do software de E/S e como a E/S pode ser 
feita do ponto de vista do SO
� Independência do dispositivo
• programas podem acessar qualquer dispositivo de E/S 
• Sem especificar o dispositivo antecipadamente : sort <input>output
· (floppy, hard drive, or CD-ROM)
� Nomeação uniforme
• nome de um arquivo ou dispositivo: string de caracteres ou numero
inteiro independente do dispositivo
• não dependente de qual máquina
� Tratamento de Erro
• Tratar o mais proximo do hardware possível, apenas se não for 
possível tratar informar camadas superiores
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5-1.23INE5355 – Sistemas Operacionais I
Metas do Software de E/S (2)
� Transferência síncrona vs. assíncrona
• Transferência bloqueante vs. orientada p/interrupção
� Utilização de buffer
• Dados vindos de um dispositivo não podem ser armazenados
diretamente em seu destino final (Ex. Pacote na rede)
� Dispositivos dedicados vs. compartilhados
• discos são compartilhados
• Fitas não deveriam ser (deadlock) 
5-1.24INE5355 – Sistemas Operacionais I
Formas de realizar E/S
� E/S Programada
• Processo fica esperando (busy-waiting) pelo término da
operação
� E/S dirigida por Interrupção
• Comando de E/S é emitido
• Processador continua executando
• Modulo de E/S envia interrupção quando termina
� E/S usando DMA
• Driver de E/S programa controlador DMA
• Processador não participa da transferência
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5-1.25INE5355 – Sistemas Operacionais I
E/S Programada (1)
Passos na impressão de um string
Monta buffer, SO copia buffer, imprime caracter 1 a 1 
5-1.26INE5355 – Sistemas Operacionais I
E/S Programada (2)
Dados são copiados para o núcleo, SO entra em laço de 
envio dos caracteres. A cada saída o processador fica
verificando se o dispositivo esta pronto para o próximo.
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5-1.27INE5355 – Sistemas Operacionais I
E/S dirigida por Interrupção
� Se impressora leva 10ms/c, processador pode chavear contexto
• Código executado quando função de impressão e chamada
• Rotina de tratamento da interrupção
5-1.28INE5355 – Sistemas Operacionais I
E/S usando DMA
� A impressão de cada caracter causa uma interrupção, alternativa
DMA 
• codigo executado na chamada
• Rotina de atendimento da interrupção
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5-1.29INE5355 – Sistemas Operacionais I
Níveis de software de E/S
Camadas de Software do Sistema de E/S
5-1.30INE5355 – Sistemas Operacionais I
Tratadores de Interrupção (1)
� Tratadores de interrupção são partedo SO, usualmente bem
escondidos
• Tendo o driver iniciado uma operação de E/S o mesmo é bloqueado até
que a operação se complete e uma interrupção ocorra
• Operações sobre semáforos, receive mensagem
� Ocorrendo a Interrupção a rotina de interrupção faz sua tarefa
• Em seguida libera o driver que iniciou a operação de E/S
• Processar uma interrupção não é apenas interceptar uma interrupção, 
sinalizar o driver e executar um IRET
• Existe trabalho adicional realizado pelo SO 
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5-1.31INE5355 – Sistemas Operacionais I
Tratadores de Interrupção (2)
� Passos que devem ser realizados em software depois da interrupção ser 
completada
1. Salvar regs ainda não salvos por hardware
2. Inicializar contexto para rotina de interrupção(TLB, MMU, tab. páginas)
3. Inicializar pilha para rotina de interrupção
4. Atender controlador de interrupções, reabilitar interrupções
5. Copiar registradores de onde foram salvos (pilha) para tabela de 
processos
6. Executa rotina de tratamento, extrai informações dos registradores do 
controlador do dispositivo que está interrompendo
7. Escolhe próximo processo a executar. 
8. Estabelece contexto MMU para próximo processo
9. Carrega registradores do próximo processo (PSW)
10. Inicia execução do processo
5-1.32INE5355 – Sistemas Operacionais I
� Posicionamento lógico dos drivers de dispositivos
� Comunicações entre os drivers e os controladores dos dispositivos
acontece através do barramento
Tipos:
Bloco 
Caracter
Interface padrão
Kernel / usuário
Estáticos/dinâmicos
Programação do 
dispositivo
Reentrantes
Interação com o SO 
Drivers de Dispositivos
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5-1.33INE5355 – Sistemas Operacionais I
Software Independente de dispositivo
� Interface uniforme para os drivers dos dispositivos
• Padrão de interface para o SO
• Nomes dos dispostivos : /dev/disk0
• Padrão de proteção (rwx)
� Armazenamento em Buffer
• Dispositivos de bloco – manter até bloco inteiro ser escrito 
• Dispositivos de caracter – escrita + rápida que saída, 
entrada chega antes 
� Relatório de erros
• Erros reportados independente do dispositivo
� Alocação e liberação de dispositivos dedicados
� Tamanho de bloco independente de dispositivo
• Nem todos os discos tem o mesmo tamanho de setor
5-1.34INE5355 – Sistemas Operacionais I
Software Independente de dispositivo (2)
(a) Sem uma interface padrão do driver
(b) Com uma interface padrão do driver
Tamanho de bloco
independente de dispositivo
Alocação e liberação de 
dispositivos dedicados
Relatório de erros
Armazenamento em Buffer
Interface uniforme para os
drivers dos dispositivos
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5-1.35INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3.13. I/O buffers.
5-1.36INE5355 – Sistemas Operacionais I
Software de E/S no espaço
do usuário
• Bibliotecas de E/S - write(fd,buffer,nbytes), printf(“....”), scanf, ..
• sppoling (daemon) – gerencia dispositivos dedicados 
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5-1.37INE5355 – Sistemas Operacionais I
Camadas do sistema de E/S e as funções principais de cada
camada. 
Ex: leitura de arquivo (bloco)
5-1.38INE5355 – Sistemas Operacionais I
UNIX SVR4 E/S
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5-1.39INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3-16. Two ways of structuring user-
system communication.
5-1.40INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 3-18. Outline of the main procedure of 
an I/O device driver.
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5-1.41INE5355 – Sistemas Operacionais I
Figure 2-46. (a) Worst case for reading a block requires eleven 
messages. (b) Best case for reading a block requires four 
messages.
5-1.42INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Input and Output
� Linux splits all devices into three classes:
• block devices allow random access to completely 
independent, fixed size blocks of data
• character devices include most other devices; they don’t 
need to support the functionality of regular files.
• network devices are interfaced via the kernel’s networking 
subsystem
Silberschatz, Galvin and Gagne 2002
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5-1.43INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device-Driver Block Structure
Silberschatz, Galvin and Gagne 2002
5-1.44INE5355 – Sistemas Operacionais I
Block Devices
� Provide the main interface to all disk devices in a system.
� The block buffer cache serves two main purposes:
• it acts as a pool of buffers for active I/O
• it serves as a cache for completed I/O
� The request manager manages the reading and writing of 
buffer contents to and from a block device driver.
Silberschatz, Galvin and Gagne 2002
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5-1.45INE5355 – Sistemas Operacionais I
Character Devices
� A device driver which does not offer random access to 
fixed blocks of data.
� A character device driver must register a set of functions 
which implement the driver’s various file I/O operations.
� The kernel performs almost no preprocessing of a file 
read or write request to a character device, but simply 
passes on the request to the device.
� The main exception to this rule is the special subset of 
character device drivers which implement terminal 
devices, for which the kernel maintains a standard 
interface.
Silberschatz, Galvin and Gagne 2002
5-1.46INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� Each time the device is given a command, for example 
``move the read head to sector 42 of the floppy disk'' the 
device driver has a choice as to how it finds out that the 
command has completed. 
� Two basic approaches to device management in Linux
are available:
• Use Polling to determine when a device has completed an
operation. 
• Use interrupts.
Gary Nutt 2001
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5-1.47INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� Polling case, the user process performs an I/O request
(read()) at the system call interface. This cause the
device driver to start the device.The task polls the device
to determine when the operation is completed. 
Gary Nutt 2001
5-1.48INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� Interrupts - An interrupt driven device driver is one where the hardware 
device being controlled will raise a hardware interrupt whenever it needs 
to be serviced. For example, an ethernet device driver would interrupt 
whenever it receives an ethernet packet from the network. The Linux 
kernel needs to be able to deliver the interrupt from the hardware device 
to the correct device driver. This is achieved by the device driver 
registering its usage of the interrupt with the kernel. It registers the 
address of an interrupt handling routine and the interrupt number that it 
wishes to own. 
� You can see which interrupts are being used by the device drivers, as 
well as how many of each type of interrupts there have been, by looking 
at /proc/interrupts: 
• 0: 727432 timer 
• 1: 20534 keyboard 
• 2: 0 cascade 
• 3: 79691 + serial 
• 4: 28258 + serial 
• 5: 1 sound blaster 
• 11: 20868 + aic7xxx 
• 13: 1 math error 
• 14: 247 + ide0 
• 15: 170 + ide1 
� http://www.tldp.org/LDP/tlk/tlk.html
Gary Nutt 2001
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5-1.49INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� A device driver, IRQ, ISR, and a device bottom half might
be involved in carrying out the operation.
� When a process issues an I/O request to the kernel the
device driver checks the status of the device and, if the
device is available, starts it on the I/O operation.
� The task blocks in state TASK_INTERRUPTIBLE
� Meanwhile, the device operates until it completes the
operation, at which time it issues an IRQ to the CPU 
Gary Nutt 2001
5-1.50INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� The IRQ causes the ISR that is associted with the IRQ to 
be executed
� The ISR performs a minimum of the processing tasks
associated wth the completion of the operation and marks
its bottom half for later processing if needed.
Gary Nutt 2001
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5-1.51INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� Once the ISR, and all other ISRs that might have
interrupted the original ISR, have completed, the
ret_from_sys_call code block is executed.
�It is also run when any system call is completed, runs all
marked bottom halves, marks the completed processes 
as ready (TASK_RUNNING), and then calls the
scheduler.
Gary Nutt 2001
5-1.52INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� The Device Driver
• Device drivers and devices are referenced by using major 
and minor numbers.
• If you issue the ls –l command, you’ll see two number. 
These numbers are the major and minor device number for 
the particular device.
Gary Nutt 2001
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5-1.53INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� Major number
• Traditionally, the major number identifies the driver
associated with the device. For example, /dev/null and
/dev/zero are both managed by driver 1, whereas virtual 
consoles and serial terminals are managed by driver 4; 
similarly, both vcs1 and vcsa1 devices are managed by
driver 7. Modern Linux kernels allow multiple drivers to 
share major numbers, but most devices that you will see are 
still organized on the one-major-one-driver principle. When
one instance of an ISR might get interrupted by a second
instance of the same ISR, parts of the ISR work can be
relegated to a bottom half.
� Minor number
• The minor number is used by the kernel to determine 
exactly which device is being referred to.
Gary Nutt 2001
5-1.54INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� Classes of Devices
• UNIX devices are classically divided into block devices and
character devices.
• The APIs for the two classes are different – the functions
implemented in a block device driver differ from those in a 
character device driver. 
• When a machine is booted, the device divers are usually
registered with the OS. A kernel function is called to register
a device. 
• It requires the major number, device name, and a list of type
struct file_operations that identify the entry point for each
device operation supported by the driver.
• This registration process saves the device driver name and
file operations in either the chrdevs[ ] or blkdevs[ ] kernel
tables, using the major number as the table index. 
Gary Nutt 2001
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5-1.55INE5355 – Sistemas Operacionais I
chrdevs[ ]
5-1.56INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� Handling Interrupts
• The ISR is associated with a particular IRQ via an explicit
kernel function, request_irq() .
• Arguments of this function to specify the IRQ: for fast or
slow interrupt, entry point of the ISR, 
• If the IRQ already has a ISR associated with it, then the
request fails.
• A computer contains a limited number of IRQ identifiers, as 
determined by the hardware. So, if two different devices
must use the same IRQ, a master ISR must demultiplex
IRQs to a collection of ISRs.
• It does this by polling the hardware to determine which
device actually caused the IRQ, and then i selects the
proper ISR from the collection.
Gary Nutt 2001
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5-1.57INE5355 – Sistemas Operacionais I
Linux Device Management
� Handling Interrupts
• The ISR can be constructed to perform any work that is 
needed to complete the I/O operation after the devices
finishes.
• For example, it might check the device status to ensure
that the operation completed sucessfully. For a read
operation, it might also transfer data from the device
buffer to primary memory. 
• When one instance of an ISR might get interrupted by a 
second instance of the same ISR, parts of the ISR work can
be relegated to a bottom half.
• When ret_from_sys_call runs , it will detect the marked
bottom half and run it before calling the scheduler.
• A maximum of 32 different bottom halves can be marked for 
execution.
Gary Nutt 2001