Mecanismos de Entrada/Salida y Gestión de Dispositivos en Sistemas Operativos

Fundamentos de la Gestión de Dispositivos y Entrada/Salida (E/S)

Abstracción en la Gestión de Dispositivos

El gestor de dispositivos es el componente del sistema operativo responsable de operar con el hardware. Para ello, utiliza instrucciones privilegiadas que solo pueden ejecutarse en modo núcleo. Por esta razón, cualquier programa debe solicitar permiso al sistema operativo (SO) a través de llamadas al sistema para poder utilizar los dispositivos de E/S.

Una de sus funciones clave es ocultar las complejidades y diferencias entre los distintos controladores de hardware detrás de una interfaz de software común y estandarizada para todos los tipos de dispositivos, conocida como interfaz de dispositivos. Gracias a esta abstracción, los programas de aplicación pueden invocar operaciones de E/S de manera uniforme, solicitando que el SO realice funciones específicas sobre los dispositivos sin necesidad de conocer los detalles de bajo nivel.

El Rol del Manejador o Driver

Un driver (o manejador) es un código específico, generalmente escrito por el fabricante del hardware, diseñado para controlar un dispositivo de E/S concreto. Se incluye junto con el dispositivo y es fundamental, ya que cada sistema operativo necesita sus propios drivers para ser compatible.

Cada controlador de dispositivo exporta una interfaz de hardware específica al software, la cual puede ser compleja. El driver utiliza esta interfaz para implementar las operaciones abstractas de E/S, que a su vez son invocadas a través de la interfaz de llamadas al sistema.

El driver es una parte integral del SO y debe ejecutarse en modo núcleo. Para facilitar su integración, los sistemas operativos modernos permiten incorporar drivers dinámicamente, sin necesidad de reconfigurar o recompilar el núcleo del sistema.

Técnicas Fundamentales para Realizar la E/S

Existen tres técnicas principales para gestionar las operaciones de E/S, diferenciadas por el nivel de participación de la CPU en el proceso:

1. E/S programada o directa: La CPU es la única encargada de la operación, lo que implica que no hay concurrencia.
2. E/S dirigida por interrupciones: Permite un cierto nivel de concurrencia, liberando a la CPU de la espera activa.
3. Acceso Directo a Memoria (DMA): Ofrece un alto grado de concurrencia. Requiere un controlador de hardware específico (el controlador DMA) que transfiere datos directamente entre el dispositivo y la memoria, sin la intervención de la CPU.

E/S Programada

En esta técnica, la CPU es la responsable directa de la transferencia de datos entre el controlador del dispositivo y la memoria principal. Mientras la CPU se encarga de esta transferencia, no puede realizar ninguna otra tarea, bloqueando la ejecución de otros procesos.

Ventajas y Desventajas

• Desventaja principal: Consume una gran cantidad de recursos de la CPU, ya que esta debe esperar activamente (polling) hasta que los datos estén disponibles en el dispositivo.
• Ventaja principal: La implementación es simple y no hay sobrecarga de tiempo asociada a la gestión de interrupciones.

Casos de Uso

Este método es recomendable en sistemas embebidos o situaciones donde se necesita un control muy preciso y en tiempo real sobre los datos, y la dedicación exclusiva de la CPU no es un inconveniente.

E/S por Interrupciones

Este método mejora la eficiencia al eliminar los tiempos de espera activa de la CPU. El procesador no tiene que sondear constantemente al periférico para saber si los datos están listos.

Funcionamiento

El proceso es el siguiente: la CPU inicia una operación de E/S enviando una señal al periférico y, en lugar de esperar, se dedica a ejecutar otras tareas. Cuando el dispositivo tiene los datos listos o ha completado la operación, envía una señal de interrupción a la CPU. En ese momento, la CPU interrumpe su tarea actual, atiende la interrupción para gestionar la transferencia de datos y, una vez finalizada, reanuda el proceso que estaba ejecutando.

El sistema operativo es el encargado de asignar y gestionar qué rutina de servicio de interrupción se ejecuta para cada dispositivo.

Ventajas y Desventajas

• Ventaja principal: Aumenta significativamente la concurrencia y el aprovechamiento de la CPU, ya que esta puede realizar otras tareas mientras el dispositivo de E/S trabaja.
• Desventaja principal: Introduce una sobrecarga (overhead) debido al tiempo que la CPU invierte en el cambio de contexto y la gestión de las interrupciones.