4.1 Dispositivos y manejadores de dispositivos: Device Drivers

Se denomina periféricos a los aparatos o dispositivos auxiliares e independientes conectados a la unidad central de procesamiento de una computadora.

Se consideran periféricos tanto a las unidades o dispositivos a través de los cuales la computadora se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

Se pueden clasificar en dos grandes categorías:

• Dispositivos de bloques: dispositivos que almacenan la información en bloques de tamaño fijo (discos)
• Dispositivos de caracteres: maneja la información mediante un flujo de caracteres sin estructurarlos en bloques (mouse, teclado, impresora)

Las principales características de los dispositivos de bloque son:

• La información se almacena en bloques de tamaño fijo.
• Cada bloque tiene su propia dirección.
• Los tamaños más comunes de los bloques van desde los 128 bytes hasta los 1.024 bytes.
• Se puede leer o escribir en un bloque de forma independiente de los demás, en cualquier momento.
• Un ejemplo típico de dispositivos de bloque son los discos.

Las principales características de los dispositivos de carácter son:

• La información se transfiere como un flujo de caracteres, sin sujetarse a una estructura de bloques.
• No se pueden utilizar direcciones.
• No tienen una operación de búsqueda.
• Un ejemplo típico de dispositivos de carácter son las impresoras de línea, terminales, interfaces de una red, ratones, etc.

Todos los dispositivos de E/S se pueden agrupar en tres grandes grupos:

• Dispositivos de interfaz de usuario. Se llama así a los dispositivos que permiten la comunicación entre los usuarios y la computadora. Dentro de este grupo se incluyen todos los dispositivos que sirven para proporcionar interfaz con el usuario, tanto para entrada (ratón, teclado, etc.) como para salida (impresoras, pantalla, etc.). Existen periféricos menos habituales, pero más sofisticados, tales como un escáner, lectores de huella digital, lectores de cinta magnética, instrumentos musicales digitales (MIDI), etc.
• Dispositivos de almacenamiento. Se usan para proporcionar almacenamiento no volátil de datos y memoria. Su función primordial es abastecer de datos y almacenamiento a los programas que se ejecutan en la UCP. Según su capacidad y la inmediatez con que se puede acceder a los datos almacenados en estos dispositivos, se pueden dividir en almacenamiento secundario (discos y disquetes) y terciario (cintas).
• Dispositivos de comunicaciones. Permiten conectar a la computadora con otras computadoras a través de una red. Los dos tipos de dispositivos más importantes de esta clase son los módem, para comunicación vía red telefónica, y las tarjetas de interfaz a la red, para conectar la computadora a una red de área local.

En cualquier caso, y sea como sea el controlador, su misión es convertir los datos del formato interno del dispositivo a uno externo que se ofrezca a través de una interfaz de programación bien definida. Los controladores de dispositivo se suelen agrupar en alguna de las siguientes categorías o clases:

• Adaptadores de audio (tarjetas de sonido).
• Dispositivos de comunicación (infrarrojos, módems, etc).
• Dispositivos de visualización; pantallas (displays).
• Teclados.
• Ratón (“mouse” y otros señaladores gráficos).
• Dispositivos multimedia.
• Dispositivos de Red.
• Impresoras.
• Almacenamiento

Algunos dispositivos de entrada y salida

•    Entrada:

Ø  Teclado

Ø  Ratón

Ø  Joystick

Ø  Lápiz óptico

Ø  Micrófono

Ø  Webcam

Ø  Escáner

Ø  Escáner de código de barras

• Salida:

Ø  Monitor

Ø  Altavoz

Ø  Auriculares

Ø  Impresora

Ø  Plotter

Ø  Proyector

• Entrada/salida (mixtos):

Ø  Unidades de almacenamiento: CD, DVD, Blu-ray, Memory cards, Disco Duro Externo, Disco duro, Pendrive USB.

Ø  Módem

Ø  Router

Ø  Pantalla táctil

Ø  Tarjeta de red

Controladores de dispositivos

Un controlador (instaladores) de dispositivos, normalmente llamado controlador en inglés (device driver) es un programa que informático que permite al sistema operativo interactuar con un periférico, haciendo una abstracción del hardware del dispositivo y proporcionando una interfaz - posiblemente estandarizada - para usarlo. Se puede esquematizar como un manual de instrucciones que se indica al sistema operativo, cómo debe controlar y comunicarse con un dispositivo en particular. Por lo tanto es una pieza esencial, sin el cual,  no se podría usar el hardware. Los controladores de dispositivos son programas añadidos al núcleo del sistema para gestionar periféricos y dispositivos oficiales.

Existen tantos tipos de controladores como tipos de periféricos y es común más de un tipo de controlador posible para el mismo dispositivo, cada uno ofreciendo un nivel distinto de funcionalidades. Por ejemplo, aparte de los oficiales (normalmente disponibles en la página web del fabricante se pueden encontrar también los proporcionados por el sistema operativo o también versiones no oficiales hechas por terceros.

Las unidades de e / s generalmente constan de:

• Un componente mecánico.
• Un componente electrónico, el controlador del dispositivo o adaptador.

Muchos controladores pueden manejar más de un dispositivo. El S. O. generalmente trabaja con el controlador y no con el dispositivo.

La interfaz entre el controlador y el dispositivo es con frecuencia de muy bajo nivel:

• La comunicación es mediante un flujo de bits en serie que:
• Comienza con un preámbulo.
• Sigue con una serie de bits (de un sector de disco, por ej.).
• Concluye con una suma para verificación o un código corrector de errores.
• El preámbulo:
• Se escribe al dar formato al disco.
• Contiene el número de cilindro y sector, el tamaño de sector y otros datos similares.

El controlador debe:

• Convertir el flujo de bits en serie en un bloque de bytes.
• Efectuar cualquier corrección de errores necesaria.
• Copiar el bloque en la memoria principal.

Cada controlador posee registros que utiliza para comunicarse con la CPU:

• Pueden ser parte del espacio normal de direcciones de la memoria: e / s mapeada a memoria.
• Pueden utilizar un espacio de direcciones especial para la e / s, asignando a cada controlador una parte de él.

El S. O. realiza la e/s al escribir comandos en los registros de los controladores; los parámetros de los comandos también se cargan en los registros de los controladores.
Al aceptar el comando, la CPU puede dejar al controlador y dedicarse a otro trabajo.

Al terminar el comando, el controlador provoca una interrupción para permitir que el S. O.:

• Obtenga el control de la CPU.
• Verifique los resultados de la operación.

Manejadores de dispositivos

Cada dispositivo de E/S, o cada clase de dispositivos, tiene un manejador asociado en el sistema operativo.

Dicho manejador incluye: código independiente del dispositivo para proporcionar al nivel superior del sistema operativo una interfaz de alto nivel y el código dependiente del dispositivo necesario para programar el controlador del dispositivo a través de sus registros y datos. La tarea de un manejador de dispositivo es aceptar peticiones en formato abstracto, de la parte del código de E/S independiente del dispositivo, traducir dichas peticiones a términos que entienda el controlador, enviar al mismo las órdenes adecuadas en la secuencia correcta y esperar a que se cumplan.

Todos los manejadores tienen una lista de peticiones pendientes por dispositivo donde se encolan las peticiones que llegan de niveles superiores.

·         El manejador explora la lista de peticiones, extrae una petición pendiente y ordena su ejecución.

·         La política de extracción de peticiones de la lista es dependiente de manejador y puede ser FIFO.

·         Una vez enviada la petición al controlador, el manejador se bloquea o no, dependiendo de la velocidad del dispositivo. Para los lentos (discos) se bloquea esperando una interrupción. Para los rápidos (pantalla, discos RAM, etcétera) responde inmediatamente.

·         Después de recibir el fin de operación, controla la existencia de errores y devuelve al nivel superior el estado de terminación de la operación. Si tiene operaciones pendientes en la cola de peticiones, atiende a la siguiente, en caso de que le toque ejecutar después de la operación de E/S. En caso contrario se bloquea.

Cada controlador posee uno o más registros de dispositivos:

• Se utilizan para darle los comandos.
• Los manejadores de dispositivos proveen estos comandos y verifican su ejecución adecuada.

La labor de un manejador de dispositivos es la de:

• Aceptar las solicitudes abstractas que le hace el software independiente del dispositivo.
• Verificar la ejecución de dichas solicitudes.

Si al recibir una solicitud el manejador está ocupado con otra solicitud, agregara la nueva solicitud a una cola de solicitudes pendientes. 
La solicitud de e / s, por ej. Para un disco, se debe traducir de términos abstractos a términos concretos:

·         Estimar el lugar donde se encuentra en realidad el bloque solicitado.

·         Verificar si el motor de la unidad funciona.

·         Verificar si el brazo está colocado en el cilindro adecuado, etc.

·         Resumiendo: debe decidir cuáles son las operaciones necesarias del controlador y su orden.

·         Envía los comandos al controlador al escribir en los registros de dispositivo del mismo.

·         Frecuentemente el manejador del dispositivo se bloquea hasta que el controlador realiza cierto trabajo; una interrupción lo libera de este bloqueo.

·         Al finalizar la operación debe verificar los errores.

·         Si todo está bien transferirá los datos al software independiente del dispositivo.

·         Regresa información de estado sobre los errores a quien lo llamo.

·         Inicia otra solicitud pendiente o queda en espera.