1. INTRODUCCION
A finales de los 40's el uso de computadoras estaba restringido a aquellas empresas o instituciones que podían pagar su alto precio, y no existían los sistemas operativos. En su lugar, el programador debía tener un conocimiento y contacto profundo con el hardware, y en el infortunado caso de que su programa fallara, debía examinar los valores de los registros y páneles de luces indicadoras del estado de la computadora para determinar la causa del fallo y poder corregir su programa, además de enfrentarse nuevamente a los procedimientos de apartar tiempo del sistema y poner a punto los compiladores, ligadores, etc; para volver a correr su programa, es decir, enfrentaba el problema del procesamiento serial ( serial processing ) [Stal92].
La importancia de los sistemas operativos nace históricamente desde los 50's, cuando se hizo evidente que el operar una computadora por medio de tableros enchufables en la primera generación y luego por medio del trabajo en lote en la segunda generación se podía mejorar notoriamente, pues el operador realizaba siempre una secuencia de pasos repetitivos, lo cual es una de las características contempladas en la definición de lo que es un programa. Es decir, se comenzó a ver que las tareas mismas del operador podían plasmarse en un programa, el cual a través del tiempo y por su enorme complejidad se le llamó "Sistema Operativo". Así, tenemos entre los primeros sistemas operativos al Fortran Monitor System ( FMS ) e IBSYS [Tan92].
Posteriormente, en la tercera generación de computadoras nace uno de los primeros sistemas operativos con la filosofía de administrar una familia de computadoras: el OS/360 de IBM. Fue este un proyecto tan novedoso y ambicioso que enfrentó por primera vez una serie de problemas conflictivos debido a que anteriormente las
computadoras eran creadas para dos propósitos en general: el comercial y el científico. Así, al tratar de crear un solo sistema operativo para computadoras que podían dedicarse a un propósito, al otro o ambos, puso en evidencia la problemática del trabajo en
Surge también en la tercera generación de computadoras el concepto de la
multiprogramación, porque debido al alto costo de las computadoras era necesario idear un esquema de trabajo que mantuviese a la unidad central de procesamiento más tiempo ocupada, así como el encolado (spooling ) de trabajos para su lectura hacia los lugares libres de memoria o la escritura de resultados. Sin embargo, se puede afirmar que los sistemas durante la tercera generación siguieron siendo básicamente sistemas de lote.
En la cuarta generación la electrónica avanza hacia la integración a gran escala,
pudiendo crear circuitos con miles de transistores en un centímetro cuadrado de silicón y ya es posible hablar de las computadoras personales y las estaciones de trabajo. Surgen los conceptos de interfaces amigables intentando así atraer al público en general al uso de las computadoras como herramientas cotidianas. Se hacen populares el MS-DOS y UNIX en estas máquinas. También es común encontrar clones de computadoras personales y una multitud de empresas pequeñas ensamblándolas por todo el mundo.
Para mediados de los 80's, comienza el auge de las redes de computadoras y la necesidad de sistemas operativos en red y sistemas operativos distribuidos. La red mundial Internet se va haciendo accesible a toda clase de instituciones y se comienzan a dar muchas soluciones ( y problemas ) al querer hacer convivir recursos residentes en computadoras con sistemas operativos diferentes. Para los 90's el paradigma de la programación orientada a objetos cobra auge, así como el manejo de objetos desde los sistemas operativos. Las aplicaciones intentan crearse para ser ejecutadas en una plataforma específica y poder ver sus resultados en la pantalla o monitor de otra diferente (por ejemplo, ejecutar una simulación en una máquina con UNIX y ver los resultados en otra con DOS ). Los niveles de interacción se van haciendo cada vez más profundos.
2. TIPOS DE SISTEMAS OPERATIVOS
En esta sección se describirán las características que clasifican a los sistemas operativos, básicamente se cubrirán tres clasificaciones: sistemas operativos por su estructura (visión interna), sistemas operativos por los servicios que ofrecen y, finalmente, sistemas operativos por la forma en que ofrecen sus servicios (visión externa).
2.1 Sistemas Operativos por su Estructura
Según [Alcal92], se deben observar dos tipos de requisitos cuando se construye un sistema operativo, los cuales son:
Requisitos del software: Donde se engloban aspectos como el mantenimiento, forma de operación, restricciones de uso, eficiencia, tolerancia frente a los errores y flexibilidad.
A continuación se describen las distintas estructuras que presentan los actuales sistemas operativos para satisfacer las necesidades que de ellos se quieren obtener.
2.1.1 Estructura monolítica.
Es la estructura de los primeros sistemas operativos constituídos fundamentalmente por un solo programa compuesto de un conjunto de rutinas entrelazadas de tal forma que cada una puede llamar a cualquier otra (Ver Fig. 2). Las características fundamentales de este tipo de estructura son:
Construcción del programa final a base de módulos compilados separadamente que se unen a través del ligador.
Buena definición de parámetros de enlace entre las distintas rutinas existentes, que puede provocar mucho acoplamiento.
Carecen de protecciones y privilegios al entrar a rutinas que manejan diferentes aspectos de los recursos de la computadora, como memoria, disco, etc.
Generalmente están hechos a medida, por lo que son eficientes y rápidos en su
ejecución y gestión, pero por lo mismo carecen de flexibilidad para soportar diferentes ambientes de trabajo o tipos de aplicaciones.
2.1.2 Estructura jerárquica.
A medida que fueron creciendo las necesidades de los usuarios y se perfeccionaron los sistemas, se hizo necesaria una mayor organización del software, del sistema operativo, donde una parte del sistema contenía subpartes y esto organizado en forma de niveles.
Se dividió el sistema operativo en pequeñas partes, de tal forma que cada una de ellas estuviera perfectamente definida y con un claro interface con el resto de elementos.
Dijkstra, que se utilizó con fines didácticos (Ver Fig. 3). Se puede pensar también en estos sistemas como si fueran `multicapa'. Multics y Unix caen en esa categoría. [Feld93].
En la estructura anterior se basan prácticamente la mayoría de los sistemas operativos actuales. Otra forma de ver este tipo de sistema es la denominada de anillos
concéntricos o "rings" (Ver Fig. 4).
2.1.3 Máquina Virtual.
Se trata de un tipo de sistemas operativos que presentan una interface a cada proceso, mostrando una máquina que parece idéntica a la máquina real subyacente. Estos sistemas operativos separan dos conceptos que suelen estar unidos en el resto de sistemas: la multiprogramación y la máquina extendida. El objetivo de los sistemas operativos de máquina virtual es el de integrar distintos sistemas operativos dando la sensación de ser varias máquinas diferentes.
El núcleo de estos sistemas operativos se denomina monitor virtual y tiene como misión llevar a cabo la multiprogramación, presentando a los niveles superiores tantas
máquinas virtuales como se soliciten. Estas máquinas virtuales no son máquinas extendidas, sino una réplica de la máquina real, de manera que en cada una de ellas se pueda ejecutar un sistema operativo diferente, que será el que ofrezca la máquina extendida al usuario (Ver Fig. 5).
2.1.4 Cliente-servidor ( Microkernel)
El tipo más reciente de sistemas operativos es el denominado Cliente-servidor, que puede ser ejecutado en la mayoría de las computadoras, ya sean grandes o pequeñas.
Este sistema sirve para toda clase de aplicaciones por tanto, es de propósito general y cumple con las mismas actividades que los sistemas operativos convencionales.
El núcleo tiene como misión establecer la comunicación entre los clientes y los servidores. Los procesos pueden ser tanto servidores como clientes. Por ejemplo, un programa de aplicación normal es un cliente que llama al servidor correspondiente para acceder a un archivo o realizar una operación de entrada/salida sobre un dispositivo concreto. A su vez, un proceso cliente puede actuar como servidor para otro." [Alcal92]. Este paradigma ofrece gran flexibilidad en cuanto a los servicios posibles en el sistema final, ya que el núcleo provee solamente funciones muy básicas de memoria,
usuario final o programador puede usar. Estos servidores deben tener mecanismos de seguridad y protección que, a su vez, serán filtrados por el núcleo que controla el hardware. Actualmente se está trabajando en una versión de UNIX que contempla en su diseño este paradigma.
2.2 Sistemas Operativos por Servicios
Esta clasificación es la más comúnmente usada y conocida desde el punto de vista del usuario final. Esta clasificación se comprende fácilmente con el cuadro sinóptico que a continuación se muestra en la Fig. 6.
2.2.1 Monousuarios
Los sistemas operativos monousuarios son aquéllos que soportan a un usuario a la vez, sin importar el número de procesadores que tenga la computadora o el número de procesos o tareas que el usuario pueda ejecutar en un mismo instante de tiempo. Las computadoras personales típicamente se han clasificado en este renglón.
2.2.2 Multiusuarios
procesadores en la máquina ni el número de procesos que cada usuario puede ejecutar simultáneamente.
2.2.3 Monotareas
Los sistemas monotarea son aquellos que sólo permiten una tarea a la vez por usuario. Puede darse el caso de un sistema multiusuario y monotarea, en el cual se admiten varios usuarios al mismo tiempo pero cada uno de ellos puede estar haciendo solo una tarea a la vez.
2.2.4 Multitareas
Un sistema operativo multitarea es aquél que le permite al usuario estar realizando varias labores al mismo tiempo. Por ejemplo, puede estar editando el código fuente de un programa durante su depuración mientras compila otro programa, a la vez que está recibiendo correo electrónico en un proceso en background. Es común encontrar en ellos interfaces gráficas orientadas al uso de menús y el ratón, lo cual permite un rápido intercambio entre las tareas para el usuario, mejorando su productividad.
2.2.5 Uniproceso
Un sistema operativo uniproceso es aquél que es capaz de manejar solamente un procesador de la computadora, de manera que si la computadora tuviese más de uno le sería inútil. El ejemplo más típico de este tipo de sistemas es el DOS y MacOS.
2.2.6 Multiproceso
Un sistema operativo multiproceso se refiere al número de procesadores del sistema, que es más de uno y éste es capaz de usarlos todos para distribuir su carga de trabajo. Generalmente estos sistemas trabajan de dos formas: simétrica o asimétricamente. Cuando se trabaja de manera asimétrica, el sistema operativo selecciona a uno de los procesadores el cual jugará el papel de procesador maestro y servirá como pivote para distribuir la carga a los demás procesadores, que reciben el nombre de esclavos. Cuando se trabaja de manera simétrica, los procesos o partes de ellos (threads) son enviados indistintamente a cualesquira de los procesadores disponibles, teniendo, teóricamente, una mejor distribución y equilibrio en la carga de trabajo bajo este esquema.
2.3. Sistemas Operativos por la Forma de Ofrecer sus Servicios
Esta clasificación también se refiere a una visión externa, que en este caso se refiere a la del usuario, el cómo accesa los servicios. Bajo esta clasificación se pueden detectar dos tipos principales: sistemas operativos de red y sistemas operativos distribuídos.
2.3.1 Sistemas Operativos de Red
Los sistemas operativos de red se definen como aquellos que tiene la capacidad de interactuar con sistemas operativos en otras computadoras por medio de un medio de transmisión con el objeto de intercambiar información, transferir archivos, ejecutar comandos remotos y un sin fin de otras actividades. El punto crucial de estos sistemas es que el usuario debe saber la sintaxis de un cinjunto de comandos o llamadas al sistema para ejecutar estas operaciones, además de la ubicación de los recursos que desee accesar. Por ejemplo, si un usuario en la computadora hidalgo necesita el archivo matriz.pas que se localiza en el directorio /software/codigo en la computadora morelos bajo el sistema operativo UNIX, dicho usuario podría copiarlo a través de la red con los comandos siguientes: hidalgo% hidalgo% rcp morelos:/software/codigo/matriz.pas . hidalgo% En este caso, el comando rcp que significa "remote copy" trae el archivo indicado de la computadora morelos y lo coloca en el directorio donde se ejecutó el mencionado comando. Lo importante es hacer ver que el usuario puede accesar y compartir muchos recursos.
2.3.2 Sistemas Operativos Distribuídos
Los sistemas operativos distribuídos abarcan los servicios de los de red, logrando integrar recursos ( impresoras, unidades de respaldo, memoria, procesos, unidades centrales de proceso ) en una sola máquina virtual que el usuario accesa en forma transparente. Es decir, ahora el usuario ya no necesita saber la ubicación de los recursos, sino que los conoce por nombre y simplementa los usa como si todos ellos fuesen locales a su lugar de trabajo habitual. Todo lo anterior es el marco teórico de lo que se desearía tener como sistema operativo distribuído, pero en la realidad no se ha
posible ni eficiente mantener un control centralizado, es más, no existe capacidad de cómputo y de entrada/salida para dar servicio a los millones de operaciones por minuto. En el segundo caso, supóngase que se tienen en una gran empresa varios grupos de trabajo, cada uno necesita almacenar grandes cantidades de información en disco duro con una alta confiabilidad y disponibilidad. La solución puede ser que para cada grupo de trabajo se asigne una partición de disco duro en servidores diferentes, de manera que si uno de los servidores falla, no se deje dar el servicio a todos, sino sólo a unos cuantos y, más aún, se podría tener un sistema con discos en espejo ( mirror ) a través de la red,de manera que si un servidor se cae, el servidor en espejo continúa trabajando y el usuario ni cuenta se da de estas fallas, es decir, obtiene acceso a recursos en forma transparente.
2.3.2.1 Ventajas de los Sistemas Distribuídos
En general, los sistemas distribuídos (no solamente los sistemas operativos) exhiben algunas ventajas sobre los sistemas centralizados que se describen enseguida.
Economía: El cociente precio/desempeño de la suma del poder de los procesadores separados contra el poder de uno solo centralizado es mejor cuando están distribuídos.
Velocidad: Relacionado con el punto anterior, la velocidad sumada es muy superior.
Confiabilidad: Si una sola máquina falla, el sistema total sigue funcionando.
Crecimiento: El poder total del sistema puede irse incrementando al añadir pequeños sistemas, lo cual es mucho más difícil en un sistema centralizado y caro.
Distribución: Algunas aplicaciones requieren de por sí una distribución física.
Por otro lado, los sistemas distribuídos también exhiben algunas ventajas sobre sistemas aislados. Estas ventajas son:
Compartir datos: Un sistema distribuído permite compartir datos más fácilmente que los sistemas aislados, que tendrian que duplicarlos en cada nodo para lograrlo.
Compartir dispositivos: Un sistema distribuído permite accesar dispositivos desde cualquier nodo en forma transparente, lo cual es imposible con los sistemas aislados. El sistema distribuído logra un efecto sinergético.
Comunicaciones: La comunicación persona a persona es factible en los sistemas distribuídos, en los sistemas aislados no. _ Flexibilidad: La distribución de las cargas de trabajo es factible en el sistema distribuídos, se puede incrementar el poder de cómputo.
2.3.2.2 Desventajas de los Sistemas Distribuídos
quiénes tienen acceso a algunos recursos y quiénes no, el aplicar los mecanismos de protección y registro de permisos consume demasiados recursos. En general, las soluciones presentes para estos problemas están aún en pañales.
Otros problemas de los sistemas operativos distribuídos surgen debido a la concurrencia y al paralelismo. Tradicionalmente las aplicaiones son creadas para computadoras que ejecutan secuencialmente, de manera que el identificar secciones de código
`paralelizable' es un trabajo ardúo, pero necesario para dividir un proceso grande en sub-procesos y enviarlos a diferentes unidades de procesamiento para lograr la distribución. Con la concurrencia se deben implantar mecanismos para evitar las
condiciones de competencia, las postergaciones indefinidas, el ocupar un recurso y estar esperando otro, las condiciones de espera circulares y , finalmente, los "abrazos
mortales" (deadlocks). Estos problemas de por sí se presentan en los sistemas operativos multiusuarios o multitareas, y su tratamiento en los sistemas distribuídos es aún más complejo, y por lo tanto, necesitará de algoritmos más complejos con la inherente sobrecarga esperada.
Por otro lado, en el tema de sistemas distribuídos existen varios conceptos importantes referentes al hadware que no se ven en este trabajo: multicomputadoras,
multiprocesadores, sistemas acoplados débil y fuertemente, etc. En [Tan92] páginas 366 - 376 puede encontrarse material relacionado a estos conceptos.
3. TIPOS DE SISTEMAS DE ARCHIVOS
Un sistema de archivos ( file system ) es una estructura de directorios con algún tipo de organización el cual nos permite almacenar, crear y borrar archivos en diferenctes formatos. En esta sección se revisarán conceptos importantes relacionados a los sistemas de archivos.
3.1. Almacenamiento Físico de Datos
En un sistema de cómputo es evidente que existe la necesidad por parte de los usuarios y aplicaciones de almacenar datos en algún medio, a veces por periodos largos y a veces por instantes. cada aplicación y cada usuario debe tener ciertos derechos con sus datos, como son el poder crearlos y borrarlos, o cambialos de lugar; así como tener privacidad contra otros usuarios o aplicaciones. El subsistema de archivos del sistema operativo se debe encargar de estos detalles, además de establecer el formato físico en el cual almacenará los datos en discos duros, cintas o discos flexibles. Debe ser conocido por todos que tradicionalmente la información en los sistemas modernos se almacena en discos duros, flexibles y unidades de disco óptico, y en todos ellos se comparten
almacenamiento se les llama "cilindros", los cuales son inspeccionados al momento de lectura o escritura de datos por las respectivas unidades fisicas llamadas "cabezas". Las superficies de almacenamiento reciben el nombre de "platos" y generalmente están en movimiento rotatorio para que las cabezas accesen a las pistas que los componen. Los datos se escriben a través de los sectores en las pistas y cilindros modificando las superficies por medio de las cabezas.
El tiempo que una cabeza se tarda en ir de una pista a otra se le llama "tiempo de búsqueda" y dependerá de la distancia entre la posición actual y la distancia a la pista buscada. El tiempo que tarda una cabeza en ir del sector actual al sector deseado se le llama tiempo de latencia y depende de la distancia entre sectores y la velocidad de rotación del disco. El impacto que tiene las lecturas y escrituras sobre el sistema está determinado por la tecnología usada en los platos y cabezas y por la forma de resolver las peticiones de lectura y escritura, es decir, los algoritmos de planificación.
3.1.1. Algoritmos de planificación de peticiones
Los algoritmos de planificación de peticiones de lectura y escritura a discos se encargan de registrar dichas peticiones y de responderlas en un tiempo razonable. Los algoritmos más comunes para esta tarea son:
Primero en llegar, primero en ser servido ( FIFO ): Las peticiones son encoladas de acuerdo al orden en que llegaron y de esa misma forma se van leyendo o escribiendo las mismas. La ventaja de este algoritmo es su simplicidad y no causa sobrecarga, su desventaja principal es que no aprovecha para nada ninguna característica de las peticiones, de manera que es muy factible que el brazo del disco se mueva muy ineficientemente, ya que las peticiones pueden tener direcciones en el disco unas muy alejadas de otras. Por ejemplo, si se están haciendo peticiones a los sectores 6,10,8,21 y 4, las mismas serán resueltas en el mismo orden. _ Primero el más cercano a la posición actual: En este algoritmo las peticiones se ordenan de acuerdo a la posición actual de la cabeza lectora, sirviendo primero a aquellas peticiones más cercanas y reduciendo, así, el movimiento del brazo, lo cual constituye la ventaja principal de este algoritmo. Su desventaja consiste en que puede haber solicitudes que se queden esperando para siempre, en el infortunado caso de que existan peticiones muy alejadas y en todo momento estén entrando peticiones que estén más cercanas. Para las peticiones 6,10,8,21 y 4, las mismas serán resueltas en el orden 4,6,8,10 y 21.
Por exploración circular: Es una variación del algoritmo anterior, con la única diferencia que al llegar a la parte central, el brazo regresa al exterior sin resolver ninguna petición, lo cual proveerá un tiempo de respuesta más cercana al
promedio para todas las peticiones, sin importar si están cercas del centro o del exterior.
3.1.2. Asignación del espacio de almacenamiento
El subsistema de archivos se debe encargar de localizar espacio libre en los medios de almacenamiento para guardar archivos y para después borrarlos, renombrarlos o agrandarlos. Para ello se vale de localidades especiales que contienen la lista de
archivos creados y por cada archivo una serie de direcciones que contienen los datos de los mismos. Esas localidades especiales se llaman directorios. Para asignarle espacio a los archivos existen tres criterios generales que se describen enseguida.
Asignación contigua: Cada directorio contiene la los nombres de archivos y la dirección del bloque inicial de cada archivo, así como el tamaño total de los mismos. Por ejemplo, si un archivo comienza en el sector 17 y mide 10 bloques, cuando el archivo sea accesado, el brazo se moverá inicialmente al bloque 17 y de ahí hasta el 27. Si el archivo es borrado y luego creado otro más pequeño, quedarán huecos inútiles entre archivos útiles, lo cual se llama fragmentación externa.
Asignación encadenada: Con este criterio los directorios contienen los nombres de archivos y por cada uno de ellos la dirección del bloque inicial que compone al archivo. Cuando un archivo es leído, el brazo va a esa dirección inicial y encuentra los datos iniciales junto con la dirección del siguiente bloque y así sucesivamente. Con este criterio no es necesario que los bloques estén contiguos y no existe la fragmentación externa, pero en cada "eslabón" de la cadena se desperdicia espacio con las direcciones mismas. En otras palabras, lo que se crea en el disco es una lista ligada.
Asignación con índices ( indexada ): En este esquema se guarda en el directorio un bloque de índices para cada archivo, con apuntadores hacia todos sus bloques constituyentes, de mabnera que el acceso directo se agiliza notablemente, a cambio de sacrificar varios bloques para almacenar dichos apuntadores. Cuando se quiere leer un archivo o cualquiera de sus partes, se hacen dos accesos: uno al bloque de índices y otro a la dirección deseada. Este es un esquema excelente para archivos grandes pero no para pequeños, porque la relación entre bloques destinados para índices respecto a los asignados para datos es incosteable..
3.1.3. Métodos de acceso en los sistemas de archivos
Los métodos de acceso se refiere a las capacidades que el subsistema de archivos provee para accesar datos dentro de los directorios y medios de almacenamiento en general. Se ubican tres formas generales: acceso secuencial, acceso directo y acceso directo
indexado.
de almacenamiento. Este tipo de acceso se usa comunmente en cintas y cartuchos.
Acceso directo: Permite accesar cualquier sector o registro inmediatamente, por medio de llamadas al sistema como la de seek. Este tipo de acceso es rápido y se usa comúnmente en discos duros y discos o archivos manejados en memoria de acceso aleatorio. _ Acceso directo indexado: Este tipo de acceso es útil para grandes volúmenes de información o datos. Consiste en que cada arcivo tiene una tabla de apuntadores, donde cada apuntador va a la dirección de un bloque de índices, lo cual permite que el archivo se expanda a través de un espacio enorme. Consume una cantidad importante de recursos en las tablas de índices pero es muy rápido.
3.1.4. Operaciones soportadas por el subsistema de archivos
Independientemente de los algoritmos de asignación de espacio, de los métodos de acceso y de la forma de resolver las peticiones de lectura y escritura, el subsistema de archivos debe proveer un conjunto de llamadas al sistema para operar con los datos y de proveer mecanismos de protección y seguridad. Las operaciones básicas que la mayoría de los sistemas de archivos soportan son:
Crear ( create ) : Permite crear un archivo sin datos, con el propósito de indicar que ese nombre ya está usado y se deben crear las estructuras básicas para soportarlo.
Borrar ( delete ): Eliminar el archivo y liberar los bloques para su uso posterior.
Abrir ( open ): Antes de usar un archivo se debe abrir para que el sistema conozca sus atributos, tales como el dueño, la fecha de modificación, etc. _ Cerrar ( close ): Después de realizar todas las operaciones deseadas, el archivo debe cerrarse para asegurar su integridad y para liberar recursos de su control en la memoria.
Leer o Escribir ( read, write ): Añadir información al archivo o leer el caracter o una cadena de caracteres a partir de la posición actual. _ Concatenar ( append ): Es una forma restringida de la llamada `write', en la cual sólo se permite añadir información al final del archivo. _ Localizar ( seek ): Para los archivos de acceso directo se permite posicionar el apuntador de lectura o escritura en un registro aleatorio, a veces a partir del inicio o final del archivo.
Leer atributos: Permite obtener una estructura con todos los atributos del archivo especificado, tales como permisos de escritura, de borrado, ejecución, etc.
Poner atributos: Permite cambiar los atributos de un archivo, por ejemplo en UNIX, donde todos los dispositivos se manejan como si fueran archivos, es posible cambiar el comportamiento de una terminal con una de estas llamadas.
Renombrar ( rename ): Permite cambiarle el nombre e incluso a veces la posición en la organización de directorios del archivo especificado. Los subsistemas de archivos también proveen un conjunto de llamadas para operar sobre directorios, las más comunies son crear, borrar, abrir, cerrar, renombrar y leer. Sus funcionalidades son obvias, pero existen también otras dos operaciones no tan comunes que son la de `crear una liga' y la de `destruir la liga'. La
operación de crear una liga sirve para que desde diferentes puntos de la
El directorio real es eliminado hasta que la llmada a `destruir liga' se realiza sobre él.
3.1.5. Algunas facilidades extras de los sistemas de archivos
Algunos sistemas de archivos proveen herramientas al administrador del sistema para facilitarle la vida. Las más notables es la facilidad de compartir archivos y los sistemas de `cotas'.
La facilidad de compartir archivos se refiere a la posibilidad de que los permisos de los archivos o directorios dejen que un grupo de usuarios puedan accesarlos para diferentes operaciones" leer, escribir, borrar, crear, etc. El dueño verdadero es quien decide qué permisos se aplicarán al grupo e, incluso, a otros usuarios que no formen parte de su grupo. La facilidad de `cotas' se refiere a que el sistema de archivos es capaz de llevar un control para que cada usuario pueda usar un máximo de espacio en disco duro. Cuando el usuario excede ese límite, el sistema le envía un mensaje y le niega el permiso de seguir escribiendo, obligándolo a borrar algunos archivos si es que quiere almacenar otros o que crezcan. La versión de UNIX SunOS contiene esa facilidad.
3.2. Sistemas de Archivos Aislados
Los sistemas de archivos aislados son aquellos que residen en una sola computadora y no existe la posibilidad de que, aún estando en una red, otros sistemas puedan usar sus directorios y archivos. Por ejemplo, los archivos en discos duros en el sistema MS-DOS clásico se puede ver en esta categoría.
3.3. Sistemas de Archivos Compartidos o de Red
Estos sistemas de archivos es factible accesarlos y usarlos desde otros nodos en una red. Generalmente existe un `servidor' que es la computadora en donde reside el sistema de archivos físicamente, y por otro lado están los `clientes', que se valen del servidor para ver sus archivos y directorios de manera como si estuvieran localmente en el cliente. Algunos autores les llaman a estos sistemas de archivos `sistemas de archivos distribuídos' lo cual no se va a discutir en este trabajo.
Los sistemas de archivos compartidos en red más populares son los provistos por Netware, el Remote Filke Sharing ( RFS en UNIX ), Network File System ( NFS de Sun Microsystems ) y el Andrew File System ( AFS ). En general, lo que proveen los servidores es un medio de que los clientes, localmente, realicen peticiones de
operaciones sobre archivos los cuales con `atrapadas' por un `driver' o un `módulo' en el núcleo del sistema operativo, el cual se comunica con el servidor a través de la red y la operación se ejecuta en el servidor. Existen servidores de tipo "stateless y no-stateless". Un servidor "stateless" no registra el estado de las operaciones sobre los archivos, de manera que el cliente se encarga de todo ese trabajo. La ventaja de este esquema es que si el servidor falla, el cliente no perderá información ya que ésta se guarda en memoria localmente, de manera que cuando el servidor reanude su servicio el cliente proseguirá como si nada hubiese sucedido. Con un servidor "no-stateless", esto no es posible.
un mensaje de error y posiblemente se envíe un registro al subsistema de `seguridad' para informar al administrador del sistema de dicho intento de violación.
En la práctica, el conjunto de permisos que cada usuario tiene sobre el total de archivos se almacena en estructuras llamadas `listas de acceso' ( access lists ).
3.4. Tendencias actuales
Con el gran auge de las redes de comunicaciones y su incremento en el ancho de banda, la proliferación de paquetes que ofrecen la compartición de archivos es común. Los esquemas más solicitados en la industria es el poder accesar los grandes volúmenes de información que residen en grandes servidores desde las computadoras personales y desde otros servidores también. Es una realidad que la solución más socorrida en las empresas pequeñas es usar Novell Netware en un servidor 486 o superior y accesar los archivos desde máquinas similares.
A veces se requieren soluciones más complejas con ambientes heterogéneos:
diferentes sistemas operativos y diferentes arquitecturas. Uno de los sistemas de archivos más expandidos en estaciones de trabajo es el NFS, y prácticamente todas las versiones de UNIX traen instalado un cliente y hasta un servidor de este servicio. Es posible así que una gran cantidad de computadoras personales (de 10 a 80 ) accesen grandes volúmenes de información o paquetería (desde 1 a 8 Gygabytes ) desde una sola estación de trabajo, e incluso tener la flexibilidad de usar al mismo tiempo servidores de Novell y NFS. Soluciones similares se dan con algunos otros paquetes comerciales, pero basta ya de `goles'. Lo importante aquí es observar que el mundo se va moviendo poco a poco hacia soluciones distribuídas, y hacia la estandarización que, muchas veces, es `de facto'.
6. PRINCIPIOS EN EL MANEJO DE ENTRADA -
SALIDA
El código destinado a manejar la entrada y salida de los diferentes periféricos en un sistema operativo es de una extensión considerable y sumamente complejo. Resuelve la necesidades de sincronizar, atrapar interrupciones y ofrecer llamadas al sistema para los programadores. En esta sección se repasarán los principios más importantes a tomar en cuenta en este módulo del sistema operativo.
6.1 Dispositivos de Entrada - Salida
de posicionamiento sobre el dispositivo. Los dispositivos más comunes orientados a bloques son los discos duros, la memoria, discos compactos y, posiblemente, unidades de cinta. Por otro lado, los dispositivos orientados a caracteres son aquellos que trabajan con secuencias de byes sin importar su longitud ni ningúna agrupación en especial. No son dispositivos direccionables. Ejemplos de estos dispositivos son el teclado, la pantalla o display y las impresoras.
La clasificación anterior no es perfecta, porque existen varios dispositivos que generan entrada o salida que no pueden englobarse en esas categorías. Por ejemplo, un reloj que genera pulsos. Sin embargo, aunque existan algunos periféricos que no se puedan categorizar, todos están administrados por el sistema operativo por medio de una parte electrónica - mecánica y una parte de software. [Tan92].
6.2 Controladores de Dispositivos ( Terminales y
Discos Duros)
Los controladores de dispositivos (también llamados adaptadores de dispositivos) son la parte electrónica de los periféricos, el cual puede tener la forma de una tarjeta o un circuito impreso integrado a la tarjeta maestra de la computadora. Por ejemplo, existen controladores de discos que se venden por separado y que se insertan en una ranura de la computadora, o existen fabricantes de computadoras que integran esa funcionalidad en la misma tarjeta en que viene la unidad central de procesamiento (tarjeta maestra).
Los controladores de dispositivos generalmente trabajan con voltajes de 5 y 12 volts con el dispositivo propiamente, y con la computadora a través de interrupciones. Estas interrupciones viajan por el 'bus' de la computadora y son recibidos por el CPU el cual a su vez pondrá en ejecución algún programa que sabrá qué hacer con esa señal. A ese programa se le llama 'manejador de disposito' (device driver). Algunas veces el mismo controlador contiene un pequeño programa en una memoria de solo lectura o en memoria de acceso aleatoria no volátil y re-escribible que interactúa con el
correspondiente manejador en la computadora. En la figura 6.1 se muestra un esquema simple de dispositivos orientados a bloques y otros a caracteres.
Por ejemplo, la terminal (CRT) tiene un 'chip' que se encarga de enviar cadenas de bits por medio de un cable serial que a su vez son recibidos por un controlador de puerto serial en la computadora. Este 'chip' también se encarga de leer secuencias de bits que agrupa para su despiegue en la pantalla o para ejecutar algunas funciones de control. Lo importante en todos estos dispositivos es que se debe ejercer un mecanismo para
Para intercambiar datos o señales entre la computadora y los controladores, muchas veces se usan registros o secciones predefinidas de la memoria de la computadora. A este esquema se le llama 'manejo de entrada - salida mapeado por memoria' (memory mapped I/O). Por ejmplo, para una IBM PC se muestran los vectores de interrupción y las direcciones para la entrada -salida en la tabla 6.1.
Controlador Dirección(Hex) Vector de Interrupción
Reloj 040 - 043 8
Teclado 060 - 063 9
Disco Duro 320 - 32F 13
Impresora 378 - 37F 15
Monitor Mono 380 - 3BF
-Monitor Color 3D0 - 3DF
-Disco Flexible 3F0 - 3F7 14
Tabla 6.1 Direcciones de Mapeo de Entrada - Salida
6.3 Acceso Directo a Memoria (DMA)
El acceso directo a memoria se inventó con el propósito de liberar al CPU de la carga de atender a algunos controladores de dispositivos. Para comprender su funcionamiento vale la pena revisar cómo trabaja un controlador sin DMA. Cuando un proceso requiere algunos bloques de un dispositivo, se envia una señal al controlador con la dirección del bloque deseado. El controlador lo recibe a través del 'bus' y el proceso puede estar esperando la respuesta (trabajo síncrono) o puede estar haciendo otra cosa (trabajo asíncrono). El controlador recibe la señal y lee la dirección del bus. Envía a su vez una o varias señales al dispositivo mecánico (si es que lo hay) y espera los datos. Cuando los recibe los escribe en un buffer local y envía una señal al CPU indicándole que los datos están listos. El CPU recibe esta interrupción y comienza a leer byte por byte o palabra por palabra los datos del buffer del controlador (a través del device driver) hasta terminar la operación.
Como se ve, el CPU gasta varios ciclos en leer los datos deseados. El DMA soluciona ese problema de la manera siguiente. Cuando un proceso requiere uno o varios bloques de datos, el CPU envía al controlador la petición junto con el número de bytes deseados y la dirección de en dónde quiere que se almacenen de regreso. El DMA actuará como un 'cpu secundario' [Stal92] en cuanto a que tiene el poder de tomar el control del 'bus' e indicarle al verdadero CPU que espere. Cuando el controlador tiene listos los datos, el DMA 'escucha' si el 'bus' está libre aprovechando esos ciclos para ir leyendo los datos del buffer del controlador e ir escribiéndolos en el área de memoria que el CPU le indicó. Cuando todos los datos fueron escritos, se le envía una interrupción al CPU para que use los datos. El ahorro con el DMA es que el CPU ya no es interrumpido (aunque sí puede ser retardado por el DMA) salvando así el 'cambio de contexto' y además el DMA aprovechará aquellos ciclos en que el 'bus' no fue usado por el CPU.
El hecho de que los controladores necesiten buffers internos se debe a que conforme ellos reciban datos de los dispositivos que controlan, los deben poder almacenar temporalmente, ya que el CPU no está listo en todo momento para leerlos.
Los principios de software en la entrada - salida se resumen en cuatro puntos: el software debe ofrecer manejadores de interrupciones, manejadores de dispositivos, software que sea independiente de los dispositivos y software para usuarios.
6.4.1 Manejadores de interrupciones El primer objetivo referente a los manejadores de interrupciones consiste en que el programador o el usuario no debe darse cuenta de los manejos de bajo nivel para los casos en que el dispositivo está ocupado y se debe suspender el proceso o sincronizar algunas tareas. Desde el punto de vista del proceso o usuario, el sistema simplemente se tardó más o menos en responder a su petición.
6.4.2 Manejadores de disposisitivos El sistema debe proveer los manejadores de dispositivos necesarios para los periféricos, así como ocultar las peculiaridades del manejo interno de cada uno de ellos, tales como el formato de la información, los medios mecánicos, los niveles de voltaje y otros. Por ejemplo, si el sistema tiene varios tipos diferentes de discos duros, para el usuario o programador las diferencias técnicas entre ellos no le deben importar, y los manejadores le deben ofrecer el mismo conjunto de rutinas para leer y escribir datos.
6.4.3 Software independiente del dispositivo Este es un nivel superior de
independencia que el ofrecido por los manejadores de dispositivos. Aquí el sistema operativo debe ser capaz, en lo más posible, de ofrecer un conjunto de utilerías para accesar periféricos o programarlos de una manera consistente. Por ejemplo, que para todos los dispositivos orientados a bloques se tenga una llamada para decidir si se desea usar 'buffers' o no, o para posicionarse en ellos.
6.4.4 Software para usuarios La mayoría de las rutinas de entrada - salida trabajan en modo privilegiado, o son llamadas al sistema que se ligan a los programas del usuario formando parte de sus aplicaciones y que no le dejan ninguna flexibilidad al usuario en cuanto a la apariencia de los datos. Existen otras librerías en donde el usuario si tiene poder de decisión (por ejemplo la llamada a "printf" en el lenguaje "C"). Otra facilidad ofrecida son las áreas de trabajos encolados (spooling areas), tales como las de
impresión y correo electrónico.
6.5 Relojes
Los relojes son esenciales para el buen funcionamiento de cualquier sistema porque juegan un papel decisivo en la sincronización de procesos, en la calendarización de trabajos por lote y para la asignación de turnos de ejecución entre otras tareas
relevantes. Generalmente se cuenta con dos relojes en el sistema: uno que lleva la hora y fecha del sistema y que oscila entre 50 y 60 veces por segundo y el reloj que oscila entre 5 y 100 millones de veces por segundo y que se encarga de enviar interrupciones al CPU de manera periódica. El reloj de mayor frecuencia sirve para controlar el tiempo de ejecución de los procesos, para despertar los procesos que están 'durmiendo' y para lanzar o iniciar procesos que fueron calendarizados.
decrementa con cada ciclo del reloj, y cuando llega a cero se dispara un proceso que ejecutará las operaciones necesarias (escoger un nuevo proceso en ejecución, verificar el funcionamiento del motor del
8. CASO DE ESTUDIO: UNIX
Unix es uno de los sistemas operativos más ampliamente usados en computadoras que varían desde las personales hasta las macro. Existen versiones para máquinas
uniprocesador hasta multiprocesadores. Debido a su historia, que evoluciona en los Laboratorios Bell de AT&T con un simulador de un viaje espacial en el sistema solar, pasando por su expansión en universidades y la creación de las versiones más
importantes que son la de la Universidad de Berkeley y el Sistema V de la misma AT&T.
8.1 Estandarización de UNIX
Debido a las múltiples versiones en el mercado de UNIX, se comenzaron a publicar estándares para que todas la s versiones fuesen 'compatibles'. La primera de ellas la lanzó AT&T llamada SVID (System V Interface Definition) que defininía cómo deberían ser las llamadas al sistema, el formato de los archivos y muchas cosas más, pero la otra versión importante, la de Bekeley (Berkeley Software Distribution o BSD) simplemente la ignoró. Después la IEEE usó un algoritmo consistente en revisar las llamadas al sistema de ambas versiones (System V y BSD) y aquellas que eran iguales las definió como estándares surgiendo así la definición 'Portable Operating System for UNIX' o POSIX, que tuvo buen éxito y que varios fabricantes adoptaron rápidamente. El estándard de POSIX se llama 1003.1 Posteriormente los institutos ANSI e ISO se interesaron en estandarizar el lenguaje 'C' y conjuntamente se publicaron definiciones estándares para otras áreas del sistema operativo como la interconectividad, el intérprete de comandos y otras. En la tabla 8.1 se muestran las definiciones de POSIX. [Tan92].
Estándard Descripción
1003.0 Introducción y repaso. 1003.1 Llamadas al sistema. 1003.2 Intérprete y comandos. 1003.3 Métodos de prueba.
1003.4 Extensiones para tiempo real. 1003.5 Lenguaje Ada.
1003.6 Extensiones para la seguridad 1003.7 Administración del Sistema. 1003.8 Acceso transparente a archivos. 1003.9 Lenguaje Fortran.
1003.10 Supercómputo.
Tabla 8.1 Los Estándares de POSIX
versión de UNIX llamada OSF/1 (de Open Software Fundation). Lo bueno fue que su versión tenía como objetivo cumplir con todas los estándares del IEEE, además de un sistema de ventanas (el X11), una interfaz amigable para los usuarios (MOTIF) y las definiciones para cómputo distribuido (DCE) y administración distribuida (DME). La idea de ofrecer una interfaz amigable en UNIX no fue original de OSF, ya en la versión 3.5 de SunOS de Sun Microsystems se ofrecía una interfaz amigable y un conjunto de librerías para crear aplicaciones con interfaz gráfica técnicamente eficiente y poderosa llamada SunWindows o SunVIEW. Esta interfaz junto con sus librerías estaban
evolucionando desde la versión para máquinas aisladas hacia una versión en red, donde las aplicaciones podían estarse ejecutando en un nodo de la red y los resultados gráficos verlos en otro nodo de la red, pero Sun tardó tanto en liberarlo que le dio tiempo al MIT de lanzar el X11 y ganarle en popularidad.
AT&T formó, junto con Sun Microsystems y otras compañias UNIX International y su versión de UNIX, provocando así que ahora se manejen esas dos corrientes principales en UNIX.
8.2 Filosofía de UNIX
Las ideas principales de UNIX fueron derivadas del proyecto MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service) del MIT y de General Electric. Estas ideas son:
Todo se maneja como cadena de bytes: Los dispositivos periféricos, los archivos y los comandos pueden verse como secuencias de bytes o como entes que las producen. Por ejemplo, para usar una terminal en UNIX se hace a través de un archivo (generalmente en el directorio /dev y con nombre ttyX).
Manejo de tres descriptores estándares: Todo comando posee tres descriptores por omisión llamados 'stdin', 'stdout' y 'stderr', los cuales son los lugares de donde se leen los datos de trabajo, donde se envían los resultados y en donde se envían los errores, respectivamente. El 'stdin' es el teclado, el 'stdout' y el 'stderr' son la pantalla por omisión (default).
Capacidades de 'entubar' y 'redireccionar': El 'stdin', 'stdout' y el 'stderr' pueden usarse para cambiar el lugar de donde se leen los datos, donde se envían los resultados y donde se envían los errores, respectivamente. A nivel comandos, el símbolo de 'mayor que' (>) sirve para enviar los resultados de un comando a un archivo. Por ejemplo, en UNIX el comando 'ls' lista los archivos del directorio actual (es lo mismo que 'dir' en DOS). Si en vez de ver los nombres de archivos en la pantalla se quieren guardar en el archivo 'listado', el redireccionamiento es útil y el comando para hacer la tarea anterior es 'ls > listado'. Si lo que se desea es enviar a imprimir esos nombres, el 'entubamiento' es útil y el comando sería 'ls | lpr', donde el símbolo "|" ( pipe) es el entubamiento y 'lpr' es el comando para imprimir en UNIX BSD.
Crear sistemas grandes a partir de módulos: Cada instrucción en UNIX está diseñada para poderse usar con 'pipes' o 'redireccionamiento', de manera que se pueden crear sistemas complejos a través del uso de comandos simples y elegantes. Un ejemplo sencillo de esto es el siguiente. Suponga que se tienen cuatro comandos separados A,B,C y D cuyas funcionalidades son:
A: lee matrices checando tipos de datos y formato.
C: recibe una matriz y le pone encabezados 'bonitos'
D: manda a la impresora una matriz cuidando el salto de página, etc.
Como se ve, cada módulo hace una actividad específica, si lo que se quiere es un pequeño sistema que lea un sistema de ecuaciones y como resultado se tenga un listado 'bonito', simplemente se usa el entubamiento para leer con el módulo A la matriz, que su resultado lo reciba el B para obtener la solución, luego esa
solución la reciba el módulo C para que le ponga los encabezados 'bonitos' y finalmente eso lo tome el módulo D y lo imprima, el comando completo sería ' A | B | C | D '. ø Fácil no ?
8.3 Sistema de Archivos en UNIX
El sistema de archivos de UNIX, desde el punto de vista del usuario, tiene una organización jerárquica o de árbol invertido que parte de una raíz conocida como "/" (diagonal). Es una diagonal al revés que la usada en DOS. Internamente se usa un sistema de direccionamiento de archivos de varios niveles, cuya estructura más primitiva se le llama 'information node' (i-node) cuya explicación va más allá de este trabajo. El sistema de archivos de UNIX ofreceun poderoso conjunto de comandos y llamadas al sistema. En la tabla 8.2 se muestran los comandos más útiles para el manejo de archivos en UNIX vs. VMS.
Comando en UNIX Comando en VMS Utilidad
rm delete borra archivos cpb copy copia archivos mv rename renombra archivos ls dir lista directorio mkdir create/directory crea un directorio rmdir delete borra directorio ln - crea una 'liga simbolica'
chmod set protection maneja los permisos chown set uic cambia de dueño
Tabla 8.2 Manejo de Archivos en UNIX y VMS
La protección de archivos en UNIX se maneja por medio de una cadena de permisos de nueve caracteres. Los nueve caracteres se dividen en tres grupos de tres caracteres cada uno.
RWX RWX RWX 1 2 3
El primer grupo (1) especifica los permisos del dueño del archivo. El segundo grupo especifica los permisos para aquellos usuarios que pertenecen al mismo grupo de trabajo que el dueño y finalmente el tercer grupo indica los permisos para el resto del mundo. En cada grupo de tres caracteres pueden aparecer las letras RWX en ese orden
(READ). Las llamadas al sistema más útiles en UNIX son 'open', 'close' e 'ioctl'. Sirven para abrir, cerrar archivos; y establecer las características de trabajo. Por ejemplo, ya que en UNIX las terminales se accesan a través de archivos especiales, el 'ioctl' (input output control) sirve para establecer la velocidad, paridad, etc; de la terminal.
El núcleo de UNIX
El núcleo de UNIX (kernel) se clasifica como de tipo monolítico, pero en él se pueden encontrar dos partes principales [Tan92]: el núcleo dependiente de la máquina y el núcleo independiente. El núcleo dependiente se encarga de las interrupciones, los manejadores de dispositivos de bajo nivel (lower half) y parte del manejo de la
memoria. El núcleo independiente es igual en todas las plataformas e incluye el manejo de llamadas del sistema, la planificación de procesos, el entubamiento, el manejo de sentilde;ales, la paginación e intercambio, el manejo de discos y del sistema de archivos.
8.5 Los procesos en UNIX
El manejo de procesos en UNIX es por prioridad y round robin. En algunas versiones se maneja también un ajuste dinámico de la prioridad de acuerdo al tiempo que los
procesos han esperado y al tiempo que ya han usado el CPU. El sistema provee facilidades para crear 'pipes' entre procesos, contabilizar el uso de CPU por proceso y una pila común para todos los procesos cuando necesitan estarse ejecutando en modo privilegiado (cuando hicieron una llamada al sistema). UNIX permite que un proceso haga una copia de sí mismo por medio de la llamada 'fork', lo cual es muy útil cuando se realizan trabajos paralelos o concurrentes; también se proveen facilidades para el envío de mensajes entre procesos. Recientemente Sun Microsystems, AT&T, IBM, Hewlett Packard y otros fabricantes de computadoras llegaron a un acuerdo para usar un paquete llamado ToolTalk para crear aplicaciones que usen un mismo método de intercambio de mensajes.
8.6 El manejo de memoria en UNIX
Los primeros sistema con UNIX nacieron en máquinas cuyo espacio de direcciones era muy pequeño (por ejemplo 64 kilobytes) y tenían un manejo de memoria real algo complejo. Actualmente todos los sistemas UNIX utilizan el manejo de memoria virtual siendo el esquema más usado la paginación por demanda y combinación de segmentos paginados, en ambos casos con páginas de tamaño fijo. En todos los sistemas UNIX se usa una partición de disco duro para el área de intercambio. Esa área se reserva al tiempo de instalación del sistema operativo. Una regla muy difundida entre
8.7 El manejo de entrada/salida en UNIX
Derivado de la filosofía de manejar todo como flujo de bytes, los dispositivos son considerados como archivos que se accesan mediante descriptores de archivos cuyos nombres se encuentran generalmente en el directorio '/dev'. Cada proceso en UNIX mantiene una tabla de archivos abiertos (donde el archivo puede ser cualquier dispositivo de entrada/salida). Esa tabla tiene entradas que corresponden a los descriptores, los cuales son números enteros [Deitel93] obtenidos por medio de la llamada a la llamada del sistema 'open'. En la tabla 8.3 se muestran las llamadas más usuales para realizar entrada/salida.
Llamada Función
open Obtener un descriptor entero.
close Terminar las operaciones sobre el archivo lseek Posicionar la entrada/salida.
read,write Leer o escribir al archivo (dispositivo) ioctl Establecer el modo de trabajo del dispositivo Tabla 8.3 Llamadas al sistema de entrada/salida
En UNIX es posible ejecutar llamadas al sistema de entrada/salida de dos formas: síncrona y asíncrona. El modo síncrono es el modo normal de trabajo y consiste en hacer peticiones de lectura o escritura que hacen que el originador tenga que esperar a que el sistema le responda, es decir, que le de los datos deseados. A veces se requiere que un mismo proceso sea capaz de supervisar el estado de varios dispositivos y tomar ciertas decisiones dependiendo de si existen datos o no. En este caso se requiere una forma de trabajo asíncrona. Para este tipo de situaciones existen las llamadas a las rutinas 'select' y 'poll' que permiten saber el estado de un conjunto de descriptores.
9. CASO DE ESTUDIO: VMS
El sistema operativo VMS (Virtual Memory System) es uno de los más robustos en el mercado, aunque es propietario de la compañia Digital Equipment Corporation.
Actualmente con su versión OpenVMS 5.x existe para los procesadores de las máquinas VAX (CISC) y con el Alpha-chip (RISC). Ofrece un amplio conjunto de comandos a través de su intérprete Digital Command Language (DCL), utilidades de red (DECnet), formación de 'clusters' de computadoras para compartir recursos, correo electrónico y otras facilidades. Es un sistema operativo multiusuario/multitarea monolítico.
9.1 El manejo de archivos en VMS
Los archivos en VMS se referencían con la sintaxis 'nombre.tipo;versión', donde 'nombre' es una cadena de caracteres alfanuméricos, 'tipo' es la extensión del archivo y se usa generalmente para describir a qué aplicación pertenece ('pas'=pascal, 'for' fortran, etc.) y 'versión' es un número entero que el sistema se encarga de asignar de acuerdo al número de veces que el archivo ha sido modificado. Por ejemplo, si se ha editado tres veces el archivo 'lee.pas', seguro que existirán las versiones 'lee.pas;1', 'lee.pas;2' y 'lee.pas;3'. De esta forma el usuario obtiene automáticamente una 'historia' de sus archivos.
La protección de los archivos se realiza mediante listas de control de acceso (Access Control Lists). Se pueden establecer protecciones hacia el dueño del archivo, hacia los usuarios privilegiados (system), hacia los usuarios que pertenecen al mismo grupo de trabajo que el dueño y hacia el resto del mundo. Para cada uno de los anteriores usuarios se manejan cuatro permisos: lectura, escritura, ejecución y borrado. Por ejemplo, el siguiente comando:
$ set protection=(S:rwed,O:rwed,G:d:W:e) lee.pas
establece que el archivo 'lee.pas' dará todos los permisos al sistema (S:rwed) y al dueño (O:rwed), mientras que a los miembros del grupo de trabajo le da permiso de borrar (G:d) y al resto del mundo permiso de ejecución (W:e). [VMS89].
Una lista de los comandos sobre archivos más útiles en VMS se mostró en la tabla 8.2, que son bastante mnemónicos en contraste con los comandos crípticos de UNIX.
En VMS, a través de su 'Record Management System' (RMS) se obtienen las facilidades para la manipulación de archivos tanto locales como en red. En el RMS, se provenn facilidades tales como: múltiples modos de acceso a archivos para lograr accesarlos en forma concurrente y permitiendo su consistencia e integridad, establecimiento de candados automáticos al momento de apertura para evitar actualizaciones erróneas y optimización interna en las operaciones de entrada/salida al accesar los archivos. En el caso de que los archivos no son locales, sino remotos, se utiliza internamente el protocolo llamado 'Data Access Protocol' (DAP).
Soporta muchos ambientes de usuario tales como : Tiempo crítico, desarrollo de programas interactivos, batch, ya sea de manera concurrente, independiente o combinado.
El calendarizador VAX/VMS realiza calendarización de procesos normales y de tiempo real, basados en la prioridad de los procesos ejecutables en el Balance Set.Un proceso normal es referido a como un proceso de tiempo compartido o proceso background mientras que los procesos en tiempo real se refieren a los de tiempo crítico.
En VMS los procesos se manejan por prioridades y de manera apropiativa. Los procesos se clasifican de la prioridad 1 a la 31, siendo las primeras quince prioridades para procesos normales y trabajos en lote, y de la 16 a la 31 para procesos privilegiados y del sistema. Las prioridades no permanecen fijas todo el tiempo sino que se varían de acuerdo a algunos eventos del sistema. Las prioridades de los procesos normales pueden sufrir variaciones de hasta 6 puntos, por ejemplo, cuando un proceso está esperando un dispositivo y éste fue liberado. Un proceso no suelta la unidad central de procesamiento hasta que exista un proceso con mayor prioridad.
El proceso residente de mayor prioridad a ser ejecutado siempre se selecciona para su ejecución.Los procesos en tiempo crítico son establecidos por el usuario y no pueden ser alterados por el sistema. La prioridad de los procesos normales puede ser alterada por el sistema para optimizar overlap de computación y otras actividades I/O.
Un aspecto importante del planificador de procesos en VMS es la existencia de proceso 'monitor' o 'supervisor', el cual se ejecuta periódicamente para actualizar algunas
variables de desempeño y para re-calendarizar los procesos en ejecución.
Existen versiones de VMS que corren en varios procesadores, y se ofrece librerías para crear programas con múltiples 'threads'. En específico se proveen las interfaces 'cma', 'pthread' y 'pthread-exception-returning'. Todas estas librerías se conocen como DECthreads e incluyen librerías tales como semáforos y colas atómicas para la comunicación y sincronización entre threads. El uso de threads sirve para enviar porciones de un programa a ejecutar en diferentes procesadores aprovechando así el multiproceso.
Servicios del Sistema para el Control de Procesos
Crear un proceso:
El servicio de creado de sistema permite a un proceso crear otro. El proceso creado puede ser un subproceso o un proceso completamente independiente. (se necesitan privilegios para hacer esto).
Suspender un proceso:
Esto es que le permite a un proceso suspenderse a sí mismo o a otro (también necesita tener privilegios).
Permite a un proceso reanudar a otro si es que este tiene privilegios para hacerlo.
Borrar un proceso:
Permite que se borre el proceso mismo o a otro si es que es un subproceso, o si no tiene que tener privilegios de borrado.
Dar Prioridad:
Permite que el proceso mismo se ponga prioridad o a otros, para el calendarizador.
Dar el modo de espera:
Permite que el proceso escoja de dos modos: el modo por default es cuando un proceso requiere un recurso y está ocupado y espera a que esté desocupado, y el otro modo es cuando está ocupado el recurso, el
proceso no espera y notifica al usuario que el recurso no se encuentra disponible en ese momento en lugar de esperar.
Hibernar:
Es cuando un proceso se hace inactivo pero está presente en el sistema. Para que el proceso continue necesita de un evento para despertar.
Wake:
Esto activa a los procesos que estan hibernando.
Exit:
Es cuando se aborta un proceso.
Dar nombre al proceso:
Este puede dar un nombre al proceso mismo o cambiarlo (el PCB contiene el nombre).
9.3 Manejo de memoria en VMS
llama 'paginación por demanda' y al hecho de traerse las otras páginas del conjunto de trabajo por anticipado se le llama 'paginación anticipada'.
9.4 El manejo de entrada/salida en VMS
En VMS, se usan nombres 'lógicos' para describir a los dispositivos existentes en el sistema. Un concepto importante tanto en archivos como en dispositivos es el 'User Identification Code' (UIC) que permite establecer protecciones adicionales a los ACL. En los dispositivos se manejan cinco tipos de permisos: leer, escribir, ejecutar, borrar y controlar. No todos los permisos se aplican a todos los dispositivos. El permiso de 'control' no se maneja explícitamente sino que se otorga por omisioacute;n al dueño y al sistema. Los permisos de los discos, unidades de cinta y otros dispositivos son
establecidos por el administrador del sistema.
Los dispositivos reciben nombres 'lógicos', por ejemplo, para una unidad de cinta el nombre puede ser 'MTA0'.
System Interface" (SCSI) que son ampliamente usados en diversas plataformas. El intercambio de datos entre la unidad central de proceso y los periféricos se lleva a cabo a través de los 'buses' normalizados UNIBUS y MASSBUS.
10. CASO DE ESTUDIO: OS/2
El sistema operativo OS/2 ha tenido una historia turbulenta en el seno de Microsoft e IBM, creciendo en algún tiempo bajo equipos de trabajo de ambas compañias y prosiguiendo finalmente con la última. Los objetivos para este sistema operativo eran: compatibilidad para ejecutar los programas existentes para DOS en las computadoras 80x86, ofrecer la multitarea, la facilidad de memoria virtual y servicios de red de área local [Alcal92].
10.1 Manejo de archivos en OS/2
Debido al objetivo inicial de mantener compatibilidad con DOS, las versión 1.0 de OS/2 era muy similar a la de éste sistema operativo. Posteriormente en las versiones 2.x mejoró el sistema de archivos con otras facilidades, como ofrecer dos modos de trabajo: el síncrono y el asíncrono. El modo síncrono se realiza a través del llamado a las rutinas 'DosRead' y 'DosWrite', mientras que el asíncrono se realiza por medio de
'DosReadAsync' y 'DosWriteAsync'. En el caso de que se estén ejecutando varios 'threads' de un proceso, la sincronización de las operaciones sobre archivos se puede realizar a través de semaacute;foros con la llamada a la rutina 'DosMuxSemWait'.
OS/2 continua usando nombres de archivos de ocho caracteres y extensiones de tres con un punto que los separa. En la tabla 10.1 se muestran algunas llamadas para la
manipulacioacute;n de archivos.
Llamada Descripción
DosBufReset Graba al disco los buffers del archivo
DosClose Cierra el archivo DosDelete Borra el archivo
DosDevIOCtl Establece parámetros de trabajo DosMkDir Crea un directorio
DosNewSize Cambia el tamaño de archivo
DosFileInfo Obtiene información sobre el archivo DosSetFileInfo Establece información del archivo DosOpen Abre un archivo
DosSetFileMode Establece el modo de operación DosRmDir Borra un directorio vacío
DosSelectDisk Selecciona un disco para trabajar
Tabla 10.1 Algunas llamadas de OS/2 para archivos
Como en UNIX y algunos otros sistemas operativos, OS/2 permite ser instalado en una partición de disco duro y dejar otras intactas para instalar otros sistemas operativos, dando así la facilidad de poder usar una misma computadora con diferentes sistemas operativos. OS/2 ofrece una interfaz gráfica para que el usuario trabaje, en particular ofrece un ícono para representar los archivos y una barra de menús para realizar operaciones sobre ellos como abrirlos, cerralos, copiarlos, etc. Si el usuario está acostumbrado a teclear comandos, entonces puede pedir una sesión de DOS para usar los comandos habituales de ese sistema operativo. En particular, en el ambiente de ventanas se tiene un ícono denominado 'Sistema OS/2' que contiene otro ícono llamado 'Unidades' y ahí existen íconos que representan el disco duro, unidades de disco flexible, etc. Para realizar copias de archivos, borrados, etc; basta con arrastrar los íconos
incluído el sistema Windows, pero debido a las regalías que debía pagar a Microsoft, éste fue eliminado y el usuario debe adquirirlo por separado, y configurarlo al momento de instalación.
10.2 Manejo de procesos en OS/2
OS/2 utiliza un esquema de planificación apropiativa, es decir, los procesos pueden ser suspendidos para darle su turno de ejecución a otro diferente. Los procesos pueden estar dividos en 'threads' que cuentan con sus propios registros, pila y contador de programa y todos los 'threads' de un mismo proceso comparten la memoria. Esto facilita la
comunicación entre ellos y la sincronización. También es posible que un proceso genere un proceso hijo, en tal caso el hijo hereda todos los atributos del padre como son los descriptores de archivos abiertos, los valores en memoria, etc; prácticamente igual que el sistema operativo UNIX.
Otra facilidad de OS/2 es la facilidad de crear 'conductos' lo cual también es una función heredada de UNIX.
La calendarización de procesos o 'threads' se hace por prioridad y dándoles una
intervalo de ejecución a cada proceso o 'thread'. Se manejan tres niveles de prioridades: procesos preferentes, procesos preferentes interactivos y procesos normales. OS/2 eleva a la categoría de prefentes a aquellos procesos que hacen mucha E/S.
Otra facilidad notable de OS/2 es la carga dinámica de librerías, que consiste en la generación de aplicaciones cuyas librerías no forman parte del coacute;digo compilado, sino que son cargadas cuando el programa es ejecutado. Esto sirve bastante sobre todo cuando las librerías son de uso común. Como se ve, esta facilidad es parecida a las del sistema operativo UNIX SunOS.
10.3 Manejo de memoria en OS/2
La versión inicial de OS/2 usaba segmentación pura debido sobre todos a las restricciones de los procesadores. Pero ya que el 80386 soportaba segmentación y paginación, IBM prometió un manejo de memoria virtual más sofisticado. El algoritmo de sustitución de segmentos era el 'Menos Recientemente Usado'. Con el 80386 se rompió la barrera de segmentos de 64 kilobytes para ofrecer los llamados 'segmentos gigantes' que podian estar formados de varios segmentos de 64k. Debido a que OS/2 debe hacer uso del modo protegido, no se permiten algunos manejadores de extensión de memoria que violan este modo de trabajo. En particular, la versión 2.0 soporta aplicaciones que usan el modo protegido de DOS 'DOS Protect-Mode Interface', el 'Expanded Memory Specification' (EMS), o el 'Extended Memory Specification' (XMS). Los programas que usan WINMEM32.DLL no eran soportados, ni los que accesan directamente los sectores fisicos del disco duro.
Para estas fechas, es posible contar con una versión de OS/2 que maneje la memoria con paginación.
En OS/2 se tuvo un gran problema de diseño en este aspecto, ya que se deseaba dar compatibilidad a los programas existentes para DOS. En este aspecto, existen gran cantidad de programas de DOS que accesaban directamente algunos periféricos, incluso interceptando los vectores de interrupciones para realizar un manejo propio en la
entrada/salida. Todos esos programas no son soportados en forma nativa en OS/2, sino que deben ser recreados usando una facilidad llamada 'supervisor de dispositivos'.
OS/2 sigue soportando la idea de 'device drivers' en una forma parecida que en DOS. De hecho, algunos estudiosos de los sistemas operativos afirman que DOS se puede
considerar como un sistema 'microkernel' por esta característica.
Para que un proceso sea candidato a manejar un dispositivo, debe informarlo a través de una llamada a 'DosMonOpen' y 'DosMonReg'. El supervisor de dispositivos usará un modelo de productor-consumidor para enviar y recibir datos con el proceso candidato. Tambieacute;n es factible que para un mismo dispositivo el supervisor envíe los datos a varios procesos interesados en leer de él. Los dispositivos en OS/2 se clasifican en aquellos orientados a bloques y aquellos orientados a caracteres. Los dispositivos orientados a caracteres se manejan de manera síncrona.
Los procesos también pueden indicar los permisos de los archivos y dispositivos para indicar quiénes pueden accesarlos al mismo tiempo. De este modo se consigue que los datos estén íntegros.
También existe el servicio de reloj, lo cual permite sincronizar algunos eventos, por medio del reloj del sistema que oscila 32 veces por segundo y otro que oscila millones de veces. Dependiendo de la precisión deseada se usa el reloj adecuado. Las llamadas para el reloj de mayor precisión se hacen en un área llamada 'segmento de información global' por medio de la rutina 'DosGetInfoSeg'.
11. CASO DE ESTUDIO: WindowsNT
Windows NT es el nuevo sistema operativo de Microsoft. Fue diseñado para tomar ventaja de todo el poder que ofrecen los procesadores más avanzados de Intel, así como algunos de los procesadores RISC. Windows NT es la respuesta de Microsoft a UNIX. NT ofrece los mismos servicios que UNIX, interopera con redes UNIX pero remplaza los comandos criacute;pticos de UNIX, su estructura de archivos ARCANE y la mezcla de GUIs con una simple y estandarizada interfaz para el usuario como lo es Windows. Además, NT tiene las características que originalmente iba a tener el OS/2: un avanzado sistema operativo de 32 bits y compatibilidad con Windows GUI, además de soportar las aplicaciones hechas en DOS pero liberándose de las limitaciones de éste. Las características de diseño que hacen de Windows NT un sistema operativo avanzado son [MJS Jul-Ago92]:
