SISTEMAS OPERATIVOS

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Ing. M. Coral

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Introducción a los Sistemas

Operativos

Sistema informático Memoria Programas y datos Software del sistema operativo Procesador Procesador Controlador de E/S Controlador de E/S Controlador de E/S

Dispositivos de E/S

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• Programa que controla la ejecución de los programas de aplicación:

Acceso eficiente a recursos compartidos limitados

• Actúa como interfaz entre las

aplicaciones del usuario y el hardware • _{Ofrece servicios a los programas de}

aplicación

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Objetivos de los sistemas

operativos

• Comodidad:

– Hace que un computador sea más cómodo de utilizar.

Abstracción, Servicios establecidos, Factores humanos

• Eficiencia:

– Permite un uso eficiente de los recursos de un sistema informático.

Concurrencia, memoria, etc.

• Capacidad de evolución:

– Permite el desarrollo efectivo, la verificación y la introducción de nuevas funciones en el sistema sin interferir en los servicios.

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Niveles de un sistema

informático

Usuario final

Progra-mador Programas de aplicación

Utilidades

Hardware del computador Sistemaoperativo

Diseñador del sistema

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Servicios que ofrece el

sistema operativo (I)

• _{Creación de programas:}

– _{Editores, compiladores y depuradores}

(debuggers).

• _{Ejecución de programas.}

• _{Acceso ordenado a los dispositivos de E/} S.

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Servicios que ofrece el

sistema operativo (II)

• _{Detección y respuesta a errores:}

– _{Errores internos y externos del hardware.}

• Error de memoria.

• Fallo de dispositivos.

– Errores de software.

• Desbordamiento aritmético.

• Acceso a una posición prohibida de memoria.

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Servicios que ofrece el

sistema operativo (III)

• _{Contabilidad:}

– _{Recoger estadísticas.}

– _{Supervisar su rendimiento.}

– _{Utilizado para anticiparse a las mejoras}

futuras. Adaptabilidad: interfaces adaptativas.

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El Sistema Operativo

• _{Funciona de la misma manera que el} software normal de un computador.

– _{Es un programa ejecutado por el procesador.}

• _{El sistema operativo abandona el control} del procesador para ejecutar otros

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Núcleo

• Parte del sistema operativo que se encuentra en la

memoria principal.

• Incluye las funciones utilizadas con más frecuencia.

• Carece de estructura

• También denominado kernel (DOS, Windows , Unix).

• Microkernel o micronúcleo (WNT,W2K): En este

caso, el S.O. se ocupa sólo de unas pocas funciones

(gestión de memoria, procesos, IPC Inter-process

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Evolución de un sistema

operativo

• _{Actualizaciones del hardware y nuevos} tipos de hardware.

• _{Nuevos servicios.}

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Evolución

- La historia de los SO’s esta ligada a la rápida evolución del hardware ($ decreciente, con el nivel de integración) y a

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Evolución de los sistemas

operativos

• _{Proceso en serie (Open Shop):}

– _{No había sistema operativo.}

– Las operación con estas máquinas era desde una

consola consistente en unos indicadores luminosos, unos conmutadores, un dispositivo de entrada y

una impresora. PROBLEMAS:

– Planificación, temporización.

– La preparación incluía cargar un compilador, un

programa fuente, salvar el programa compilado y, por último, cargar y montar.

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Evolución de los sistemas

operativos

• Sistemas sencillos de proceso por lotes.

– Monitores:

• El monitor residente que siempre reside en

memoria. Software que maneja

automáticamente los trabajos y que se carga al encender la máquina.

• Los trabajos se agrupaban por lotes, que eran

cargados y extraidos en/de la memoria por el monitor

• El programa volvía al monitor al terminar su

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Lenguaje de control de

trabajos (JCL)

• Cada usuario entregaba al operador las tarjetas de programa con otras tarjetas de control que codificaban las acciones requeridas.

• _{Tipo especial de lenguaje de programación.} • Empleado para dar instrucciones al monitor:

– Qué compilador utilizar.

– Dónde copiar el objeto compilado

– Qué datos utilizar.

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Ejemplo (JCL)

$ USER $ JOB

$ FTN/ $ASM

-$ LOAD $ RUN

-$ END

}

Instrucciones en Fortran

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Características del hardware

• _{Protección de memoria:}

– _{No permite modificar la zona de memoria}

en la que está el monitor.

• _{Temporizador:}

– _{Previene que un solo trabajo monopolice el}

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Problemas

• _{Falta de interacción con el proceso}

– _{Dificultad para}_debugging_.(localizar el error)

• _{Ineficiencia en el uso de los recursos del} sistema:

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Monoprogramación

• _{Antes de continuar, el procesador debe} esperar hasta que la instrucción de E/S termine.

Programa A Esperar Ejecutar Esperar

(a) Monoprogramación

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Multiprogramación

• Cuando un trabajo necesite esperar una E/S, el procesador puede cambiar al otro trabajo. Programa A Programa B Combinados X W W X X W W X X W W X

X X W X X X W X

X: programa en ejecución W: programa en espera

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Tiempo compartido

• _{Utiliza la multiprogramación para} gestionar varias tareas interactivas.

• _{El tiempo del procesador se comparte} entre los diversos usuarios.

• _{Múltiples usuarios acceden}

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PARA MEMORIZAR

- “Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons” (los ordenadores del futuro no pesarán más de 1 tonelada y media) Popular Mechanics (1949)

- “I think there is a world market for maybe five computers” (me parece que la demanda mundial de ordenadores será de no más de 5 máquinas). Thomas Watson. CEO de IBM (1943)

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Logros principales

• _{Los procesos.}

• La gestión de memoria.

• _{La seguridad y la protección de la} información.

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Procesos

• Un programa en ejecución.

• Una instancia de un programa funcionando en un computador.

• La entidad que puede ser asignada al procesador y ejecutada por él.

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Proceso

• _{Formado por tres componentes:}

– _{Un programa ejecutable.}

– _{Los datos asociados necesarios para el}

programa.

– _{El contexto de ejecución del programa.}

• _{Toda la información que el sistema operativo}

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Proceso

Memoria principal Registros del procesador Lista de procesos Proceso A Proceso B

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Gestión de memoria

• _{Aislamiento del proceso.}

• Asignación y gestión automáticas.

• _{Soporte para la programación modular.} • _{Protección y control de acceso.}

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Memoria virtual

• _{Permite a los programas direccionar la} memoria desde un punto de vista lógico. • _{No existirá un espacio muerto entre la}

ejecución de los procesos sucesivos, mientras un proceso se envía al

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Sistema de archivos

• _{Incorpora un almacenamiento a largo} plazo.

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Sistema de paginación

• Permite que los procesos estén formados por varios bloques de tamaño fijo,

denominados páginas.

• La dirección virtual está formada por un número de página y un deplazamiento dentro de la página.

• Cada página puede estar ubicada en un lugar cualquiera de la memoria principal. • La dirección real o dirección física se

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Disco Memoria principal

Figura 2.9. Conceptos de memoria virtual.

La memoria principal está formada por un número de marcos de longitud fija del tamaño de una página. Para ejecutar un programa, algunas o todas sus páginas tienen que estar en el operativo de la memoria principal.

La memoria secundaria (disco) puede almacenar muchas páginas de longitud fija. Un programa de usuario está formado por varias páginas. Las páginas de todos los programas, incluso los del sistema están en el disco, en forma de archivos.

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Direccionamiento de la

memoria virtual

Dirección de disco Dirección real Dirección de disco Dirección virtual

Unidad de gestión de memoria Memoria secundari a Procesador Memoria principal

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Seguridad y protección de la

información

• _{Control de acceso:}

– Regula el acceso del usuario al sistema. • _{Control del flujo de información:}

– Regula el flujo de datos dentro del sistema y su distribución a los usuarios.

• _{Certificación:}

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Planificación y gestión de

recursos

• Equidad:

– _{Otorga un acceso igual y equitativo a todos los}

procesos.

• _{Sensibilidades diferenciales:}

– _{Discrimina entre las diferentes clases de}

trabajos.

• _Eficiencia:

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Elementos principales de un

sistema operativo

Sistema operativo Cola a corto plazo Cola de E/S Cola a largo plazo Planificador a corto plazo (código) Gestor de interrupciones (código) Gestor de peticiones de servicio (código) Interrupción de un proceso

Interrupción de E/S Petición de servicio

de un proceso

Pasar el control al proceso

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LLAMADAS A SISTEMA

Los procesos se comunican con el SO a través de llamadas al

sistema. Cada llamada al sistema desde un lenguaje de alto nivel se corresponde normalmente con un procedimiento que lee los parámetros de la llamada y los pasa al SO, con el control,

mediante un TRAP.

Llamada a P(a,b,c) (a,b,c) OK/ERROR TRAP(P) PROGRAMA DE USUARIO PROCEDIMIENTO DE RESPUESTA A LA LLAMADA P

RETURN FROM TRAP(P)

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Estructura del sistema

• Se puede contemplar el sistema como una serie de niveles.

• _{Cada nivel lleva a cabo un determinado} subconjunto de funciones.

• _{Cada nivel se basa en el nivel inferior para} llevar a cabo funciones más primitivas.

• _{De este modo, se descompone un problema} en un número de subproblemas más

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I. SISTEMAS MONOLÍTICOS

- Estructura (o falta de ella) más común (MS-DOS, UNIX)

- SO es un conjunto de procedimientos que pueden llamarse mutuamente.

- Compilación individual/enlace en un único objeto.

- No hay modos usuario/núcleo (el hardware no lo permite)

- PROBLEMAS: No hay ocultación de datos dificil de modificar y depurar.

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- MS-DOS nació con limitaciones de espacio (memoria), tiempo

de desarrollo y hardware (8088 no tenía modo usuario/núcleo ni protección de memoria). Consecuencia: INESTABILIDAD

(corrupción de procesos y dispositivos)

Dispositivos

Aplicaciones de usuario

SO residente (Shell + núcleo)

drivers MS-DOS

BIOS (ROM)

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Aplicaciones de usuario

Interfaz entre el shell y el núcleo (kernel)

Interfaz entre el kernel y el hardware

Intérprete de comandos (shell) compiladores y librerias del sistema

Manejo de señales Sistema de E/S Drivers terminal

Sistema de ficheros Swapping

Drivers del disco

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- Ejemplo, THE (1968)

Controlador de terminal, discos y cintas, memoria terminal, discos y cintas, memoria física

5. Programas de Usuario

4. Control de E/S

3. Comunicación Operador-proceso

2. Administrador de memoria y disco

1. Temporización de procesos y multiprogramación

0. Dispositivos

- Problema: distribución de tareas en capas, baja eficiencia - Solución: arquitecturas mixtas (OS/2,NT 4.0)

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Jerarquía de diseño de un

sistema operativo

Nivel Nombre Objetos Ejemplos de operaciones

13 Shell Entorno de programación Sentencias de un lenguaje de usuario de shell

12 Procesos de usuario Procesos de usuario Salir, eliminar, suspender,

reanudar

11 Directorios Directorios Crear, destruir, conectar, desconectar, buscar, listar

10 Dispositivos Dispositvos externos tales Abrir, cerrar, leer, escribir como impresoras, pantallas

y teclados

9 Sistema de archivos Archivos Crear, destruir, abrir, cerrar, leer, escribir

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Jerarquía de diseño de un

sistema operativo

Nivel Nombre Objetos Ejemplos de operaciones

7 Memoria virtual Segmentos, páginas Leer, escribir, traer (fetch) 6 Almacenamiento Bloques de datos, Leer, escribir, asignar, liberar

secundario local canales de dispositivos

5 Procesos primitivos Procesos primitivos, Suspender, reanudar, esperar, semáforos, colas de señalizar

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Jerarquía de diseño de un

sistema operativo

Nivel Nombre Objetos Ejemplos de operaciones

4 Interrupciones Programas de tratamiento Invocar, enmascarar, de interrupciones desenmascarar, reintentar

3 Procedimientos Procedimientos, pila de Marcar la pila, llamar, llamadas, visualización retornar

2 Conjunto de Evaluación de la pila, Cargar, almacenar, sumar,

instrucciones intérprete de microprogramas, restar, bifurcar vectores de datos y escalares

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Características de los sistemas

operativos modernos

• _{Arquitectura micronúcleo:}

– _{Asigna solamente una pocas funciones}

esenciales al núcleo.

• Espacios de direcciones.

• Comunicación entre procesos (IPC).

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Características de los sistemas

operativos modernos

• _Multihilos:

– _{El proceso se divide en hilos que pueden}

ejecutarse concurrentemente. • _Hilo:

– _{Unidad de trabajo que se puede expedir para}

su ejecución.

– _{Se ejecuta secuencialmente y es interrumpible.}

• _Proceso:

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Características de los sistemas

operativos modernos

• _{Multiproceso simétrico (}_SMP_):

– _{Existencia de múltiples procesadores.} – _{Estos procesadores comparten la misma}

memoria principal y dispositivos de E/S.

– _{Todos los procesadores pueden ejecutar las}

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Características de los sistemas

operativos modernos

• _{Sistema operativo distribuido:}

– _{Proporciona la ilusión de un único espacio}

de memoria principal y un único espacio de memoria secundaria.

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Características de los sistemas

operativos modernos

• _{Diseño orientado a objetos:}

– _{Añade extensiones modulares a un pequeño}

núcleo.

– Permite a los programadores personalizar un sistema operativo sin romper la