Acesso ao disco

Este projeto faz parte do PPOS v2.

Este projeto tem por objetivo implementar operações de entrada/saída (leitura e escrita) de blocos de dados sobre um disco rígido virtual. A execução dessas operações estará a cargo de uma tarefa gerente de disco, que cumpre a função de driver (piloto) de acesso ao disco.

O disco virtual simula o comportamento lógico e temporal de um disco rígido real, com as seguintes características:

• O conteúdo do disco virtual é mapeado em um arquivo UNIX com nome default disk.dat. O conteúdo do disco virtual é persistente, ou seja, é mantido de uma execução para outra.
• O disco contém N blocos de mesmo tamanho. O número de blocos do disco dependerá do tamanho do arquivo subjacente no sistema real.
• As operações de leitura/escrita são feitas sempre com um bloco de cada vez. Não é possível ler ou escrever bytes isolados, parte de um bloco, ou vários blocos ao mesmo tempo.
• Os pedidos de leitura/escrita de blocos são assíncronos, ou seja, apenas registram a operação solicitada e retornam imediatamente, sem bloquear a tarefa. A finalização de cada operação de leitura/escrita é indicada mais tarde pelo disco através de uma interrupção virtual, que deve ser capturada e tratada.
• O disco só trata uma leitura ou escrita por vez. Enquanto o disco está tratando uma solicitação, ele fica em um estado ocupado (busy); tentativas de acesso a um disco ocupado retornam um código de erro.
• O tempo de resposta do disco é proporcional à distância entre a posição atual da cabeça de leitura do disco e a posição da operação solicitada. Inicialmente a cabeça de leitura está posicionada sobre o bloco inicial (zero).

O código que simula o disco está em hardware/disk.c e sua interface de acesso está definida em hardware/disk.h; estes arquivos não devem ser modificados.

O acesso ao disco pelas tarefas é feito através das funções definidas em kernel/block.h e implementadas (pelo aluno) em kernel/block.c, usando a interface oferecida pelo disco virtual em hardware/disk.h:

void block_init(char *disk_image);

Esta função, chamada na inicialização do PPOS (em kernel/ppos.c) inicia o subsistema de acesso ao disco. Ela recebe como parâmetro o nome do arquivo que armazena o conteúdo do disco virtual.

int block_size();
 
int block_blocks();

Estas duas funções retornam respectivamente o tamanho de cada bloco do disco virtual (em bytes) e o número de blocos do mesmo.

As tarefas podem ler e escrever blocos de dados no disco virtual através das seguintes chamadas:

int block_read  (int block, void* buffer) ;
 
int block_write (int block, void* buffer) ;

Parâmetros:

• block: número do bloco a ler ou escrever no disco (entre 0 e número de blocos - 1);
• buffer: endereço do buffer com os dados a escrever no disco, ou onde devem ser colocados os dados lidos do disco; esse buffer deve ter capacidade para block_size bytes.
• retorno: 0 em caso de sucesso ou -1 em caso de erro.

Estas funções são bloqueantes: cada tarefa que solicita uma leitura/escrita no disco deve ser suspensa até que a operação solicitada seja completada, liberando o processador para outras tarefas.

As requisições de acesso ao disco são mantidas em uma fila específica, gerenciada por uma tarefa “gerente de disco”. Essa tarefa submete as requisições ao disco e trata as interrupções geradas pelo mesmo ao concluir cada operação.

Neste projeto, as solicitações de leitura/escrita devem ser atendidas na ordem em que foram feitas, de acordo com a política de escalonamento de disco FCFS (First Come, First Served).

Este projeto consiste em implementar no arquivo kernel/block.c:

• Uma tarefa gerente do disco;
• Uma função para tratar as interrupções virtuais geradas pelo disco (vide hardware/cpu.h), acordando a tarefa gerente de disco quando necessário;
• Uma fila de pedidos de acesso ao disco; cada pedido na fila indica a tarefa solicitante, o tipo de pedido (leitura ou escrita), o bloco desejado e o endereço do buffer de dados;
• As funções de leitura/escrita oferecidas às tarefas (block_read e block_write);
• As demais funções definidas em kernel/block.h.

Os seguintes arquivos são relevantes para este projeto:

• hardware/disk.h: interface de acesso ao disco virtual.
• hardware/cpu.h: funções de tratamento de IRQs.
• hardware/disk.dat: conteúdo inicial do disco virtual, que tem 256 blocos de 64 bytes cada (b₀, b₁, …, b₂₅₅), totalizando 16.384 bytes. Para facilitar a visualização, o conteúdo inicial de cada bloco é o número do bloco e alguns caracteres de enchimento para completar os 64 bytes.
• kernel/block.h: interface de do subsistema de blocos.
• kernel/block.c: implementação do subsistema de blocos.
• test/pingpong-disco.c: programa de teste simples: uma tarefa única, que lê os blocos do disco em sequência e imprime seu conteúdo na tela. Em seguida, ela escreve nos blocos em sequência, com caracteres aleatórios.
• test/pingpong-disco-stress.c: várias tarefas leem e escrevem no disco simultaneamente, com o objetivo de inverter a ordem dos blocos do mesmo (b₂₅₅, b₂₅₄, …, b₀). O conteúdo final do disco deve ser igual ao contido em hardware/disk-final.dat.
• test/pingpong-disco*.txt: saídas esperadas dos programas de teste.

As funções block_read e block_write devem seguir +/- o seguinte comportamento:

block_read / block_write
{
    monta um pedido de acesso ao disco
    insere o pedido na fila de pedidos
    acorda o gerente de disco
    suspende a tarefa atual
}

A função de tratamento da interrupção do disco deve ser acionada a cada ocorrência da IRQ do disco; seu comportamento é bem simples:

trata_irq_disco
{
    ocorreu_irq = true
    acorda o gerente de disco
}

A tarefa gerente de disco é responsável por tratar os pedidos de leitura/escrita das tarefas e as operações concluídas pelo disco. Ela deve ser acordada (com task_awake) sempre que alguma tarefa pedir uma operação de leitura/escrita no disco ou quando o disco gerar uma IRQ informando que a última operação solicitada foi concluída.

Ela é uma tarefa de sistema, similar ao dispatcher, e tem o seguinte comportamento:

disk_manager_body
{
    repetir
    {
        se ocorreu_irq
        {
            ocorreu_irq = false
            acorda a tarefa cujo pedido foi atendido
        }
 
        se o disco estiver livre e houver pedidos na fila
        {
            retira um pedido da fila (usando FCFS)
            submete o pedido ao disco
        }
 
        suspende a tarefa atual
    }
}

• Duração estimada: 8 horas.
• Dependências:
  • Tarefas cooperativas
  • Despachante de tarefas
  • Preempção por Tempo
  • Tarefas que esperam
  • Tarefas que dormem
  • Spinlocks e semáforos