Entrada/saída, interrupções e drivers

A CPU executa bilhões de operações por segundo; um disco responde em milissegundos, um teclado em centenas de milissegundos entre teclas. Além disso, cada dispositivo fala um "dialeto" próprio de registradores e comandos. Se cada aplicação tivesse de conhecer cada controladora, programar seria um inferno.

O subsistema de E/S do SO esconde essa diversidade e essa lentidão. Ele oferece uma interface uniforme (open/read/write) e cuida de esperar o hardware sem desperdiçar a CPU. Como ele faz isso — polling, interrupção ou DMA — é o coração desta aula.

Subimos da controladora física até a abstração de arquivo, passando pelas três formas de mover dados e pela peça que conhece cada dispositivo: o driver.

A CPU acessa os registradores da controladora de dois modos. No I/O mapeado em memória (MMIO), os registradores aparecem como endereços de memória comuns — ler/escrever neles controla o dispositivo. No I/O por portas (x86), instruções especiais (in/out) acessam um espaço de endereçamento separado.

Em ambos, o diálogo é: a CPU escreve um comando no registrador de comando, consulta o registrador de status para saber quando terminou, e troca dados pelo registrador de dados. A pergunta central é: como a CPU descobre que o dispositivo terminou? É aí que entram polling, interrupção e DMA.

O polling parece simples — um laço que lê o status até o dispositivo ficar pronto. O problema é a espera ocupada (busy-wait): a CPU queima ciclos sem fazer nada útil enquanto espera. Para um disco lento, isso desperdiça milhões de ciclos por operação.

A interrupção resolve: o dispositivo avisa quando termina, liberando a CPU para outros processos no meio-tempo. Porém, cada interrupção tem custo (salvar contexto, executar a ISR, restaurar). Em rajadas de eventos muito frequentes — uma placa de rede de 10 Gb/s, por exemplo —, o excesso de interrupções (interrupt storm) pode sufocar a CPU; daí técnicas como coalescência de interrupções e polling adaptativo.

Entre a aplicação e o dispositivo, o SO interpõe áreas de memória que melhoram desempenho e desacoplamento:

• Buffering: acumula dados para casar velocidades diferentes (a aplicação produz rápido, o disco grava devagar) e para transferir em blocos maiores e eficientes.
• Caching: mantém na RAM blocos de disco recentes (cache de páginas), evitando reler do dispositivo.
• Spooling: enfileira trabalhos para um dispositivo que não pode ser compartilhado simultaneamente, como a impressora.

Por isso, agrupar E/S em poucas operações grandes (com buffers) é muito mais eficiente que muitas operações pequenas, cada uma com seu custo de syscall e de troca de modo.

Parece contraintuitivo: interrupção não é sempre melhor que polling? Em sistemas de tempo real, nem sempre. Uma interrupção introduz latência de entrada (tempo até a CPU atender) e, pior, jitter (variação dessa latência), pois pode chegar enquanto outra ISR roda ou enquanto interrupções estão desabilitadas.

Para um laço de controle que lê um sensor a 1 kHz com prazo apertado, fazer polling sincronizado por um timer dá latência fixa e previsível, sem o overhead de salvar/restaurar contexto de cada interrupção. Determinismo, de novo, vencendo a eficiência média.

A E/S costura várias aulas:

• As interrupções retomam o tema da Aula 2 (vetor, ISR) e sustentam a preempção (Aula 5).
• O DMA e o buffering apoiam o swap (Aula 9) e o sistema de arquivos (Aula 11).
• A latência de interrupção é métrica central do tempo real (Aula 12).
• Drivers em modo núcleo ligam-se ao isolamento e segurança (Aula 13).