Sistemas Operativos. Programa Sintético. Objetivos del Curso de Sistemas Operativos. Bibliografía de Sistemas Operativos

(1)

Sistemas Operativos

Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación

(16-5949)

Mg. Jorge Raúl Ardenghi [email protected]

Este curso está dedicado a la memoria de la:

Profesora Magister en Ciencias de la Computación:

Iris Perla Señas

Quién nos incitó a una mejor transmisión del conocimiento hacia los alumnos y también fue un puntal más en la creación del Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación.

Una buena compañera y amiga que nunca olvidaremos.

Objetivos del Curso de Sistemas Operativos

El curso desarrolla los conocimientos de Sistemas Operativos desde una visión conceptual y estructural. Se presentan todos los mecanismos de interacción entre sus partes sin particularizar en algún sistema operativo en especial.

Se discuten tópicos como: servicios de sistemas operativos, sistemas de archivos, planificación de CPU, manejo de memoria memoria virtual, planificación de discos, interbloqueos, procesos y programación concurrente, protección, sistemas distribuidos, etc.

Se presentan algunos ejemplos de estos conceptos en las familias UNIX, Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Solaris, etc a lo largo del desarrollo de los módulos, mostrando los matices de implementación entre estos sistemas.

El curso requiere conocimientos de arquitectura y organización de computadores y estructura de datos.

Programa Sintético

1.0 Introducción.

2.0 Estructuras de Sistemas de Cómputo.

3.0 Estructuras de Sistemas Operativos.

4.0 Procesos.

5.0 Planificación de Procesos.

6.0 Sincronización de Procesos.

7.0 Interbloqueos.

8.0 Manejo de Memoria.

9.0 Memoria Virtual.

10.0 Sistema de Archivos: Interfaces e implementación.

11.0. Manejo de Almacenamiento Secundario.

12.0 Seguridad y Protección.

Bibliografía de Sistemas Operativos

Silberschatz, A., Gagne G., y Galvin, P.B.; "Operating System Concepts", Addison-Wesley, 1998, 5ta Edición; 2001, 6ta Edición. 2005, 7ma Edición. 2009, 8va Edición

Silberschatz, A., Galvin, P.B. y Gagne, G.; "Applied Operating System Concepts", 1^stEdition, Addison-Wesley, 2000.

Brinch Hansen, "Operating System Principles", Prentice Hall, 1973

Shaw,A. y Bic,L; "The Logical Design of Operating Systems", Prentice Hall, 1988, 2da Edición

Krakowiak,S.; "Principles of Operating Systemas", The MIT Press,1988

Deitel,H.M.; "Sistemas Operativos", Addison-Wesley, 1993, 2da.

Edición. (o su versión en inglés)

Tanenbaum, A., Woodhull, A. S.; "Operating Systemas: Design and Implementation", Prentice Hall, 1st edition.,1987 (o su version en español); 2^ndedition.Prentice Hall, 1997; 3^rdedition, 2006.

Bibliografía de Sistemas Operativos (Cont.)

Tanenbaum, A.; "Modern Operating Systems", Addison-Wesley, 1992.(1ra Parte). 2^ndEdition, Prentice Hall, 2001. 3^rdEdition 2008.

Dhamdhere, D. M. “Sistemas Operativos: Un Enfoque basado en Conceptos” , 2da Edición, Mc Graw Hill, 2006.

Maekawa, M. y otros; "Operating Systems: Advanced Concepts", The Benjamin /Cummings Pub. 1987.

Nutt, G.; "Centralized and Distributed Operating Systems", Prentice Hall, 1992.

Nutt, G.; "Operating Systems: A Modern Perspective", Addison- Wesley, 1997.

Milenkovic,M. "Sistemas Operativos: Conceptos y Diseño", Mc Graw Hill, 1994. (o su versión en inglés)

Stallings, W. "Operating Systems: Internals and Design Principles", Prentice Hall, 3rd Edition, 1998; 4^thEdition, 2001; 5^th Edition, 2005. 6^thEdition, 2009

(2)

(Cont.)

Presentación mas descriptiva orientada a aspectos técnicos:

Madnick y Donovan, "Sistemas Operativos", 1974 Tanenbaum,A.; "Operating Systemas: Design and

Implementation", Prentice Hall, 1997 (o su versión en español) Tanenbaum, A., Woodhull, A. S.; "Operating Systemas: Design and Implementation", 2^ndedition.Prentice Hall, 1997.

Bach,M.J.; "The Design of the UNIX Operating System", Prentice Hall, 1987

McKusick et ál; "The Design and Implementation of the 4.4BSD Operating System",Addison-Wesley,1996.

Vahalia, U.; "UNIX Internals: The New Frontiers", Prentice Hall, 1996.

Pate, S.D.; "UNIX Internals: A Practical Approach", Addison- Wesley, 1996

Bibliografía de Sistemas Operativos (Cont.)

Revistas Técnicas

“Operating System Review" SIG del ACM.

"Computing Surveys" de ACM.

"Transaction on Computer Systems" de ACM.

"Transaction on Software Engineering" del IEEE.

"Transaction on Computers" del IEEE.

"Computer Magazine" del IEEE.

"Software Magazine" del IEEE.

Módulo 1:

Introducción Sistemas Operativos Sistemas Operativos

Introducción

¿Qué hace un Sistema Operativo?

Organización del Sistema de Cómputo Arquitectura del Sistema de Cómputo Estructura del Sistema Operativo Operaciones del Sistema Operativo Administración de Procesos Administración de Memoria Administración del Almacenamiento Protección y Seguridad

Sistemas Distribuidos Sistemas de Propósito Especial Ambientes de Computación

Introducción

¿Qué es un sistema operativo?

Un programa que actúa como un intermediario entre un usuario de una computadora y el hardware de la computadora.

Objetivos de Sistema Operativo:

Ejecutar los programas de usuario y permitir la solución de problemas del usuario mas facilmente.

Conveniencia de uso del sistema de la computadora.

Uso del hardware de la computadora de manera eficiente.

Introducción

Componentes del Sistema de Cómputo 1.Hardware – provee los recursos básicos de

computación (CPU, memoria, dispositivos de E/S).

2. Sistema Operativo – controla y coordina el uso del hardware entre varios programas de aplicación para varios usuarios.

3. Programas de Aplicación – define el modo en el cual los recursos del sistema son usados para resolver los problemas de computación de los usuarios

(compiladores, sistemas de bases de datos, videojuegos, web, programas administrativos, etc).

4.Usuarios (gente, máquinas, otras computadoras).

(3)

Introducción

Compilador Ensamblador Editor Sistema de

Base de Datos Programas de Sistema y de

Aplicación

Hardware Sistema Operativo

Usuario n Usuario

3 Usuario

1

Usuario 2

Introducción

Hardware Sistema Operativo

Librerías Utilitarios Interfaz

Vista Abstracta de los Componentes del Sistema

Introducción

Definiciones de Sistemas Operativos

Alocador de recursos

administra todos los recursos.

decide sobre requerimientos conflictivos para asegurar eficiencia y uso imparcial de recursos

Programa de Control

controla ejecución de los programas para prevenir errores y el uso impropio de la computadora.

Introducción

Definiciones de Sistemas Operativos (cont)

No existe una definición universalmente aceptada.

“La cosaque un vendedor entrega cuando uno ordena un sistema operativo” resulta una buena aproximación

“El programa que ejecuta todo el tiempo en la computadora” es el kernel o núcleo. Todo lo demás es un programa de sistema (viene junto con el sistema operativo) o un programa de aplicación.

Introducción

Inicio de la Computadora

El programa de bootstrap es cargado en el encendido o reboot

Tipicamente almacenado en ROM o EEPROM, generalmente conocido como firmware

Inicializa todos los aspectos del sistema

Carga el kernel del sistema operativo y comienza la ejecución

Introducción

Organización del Sistema de Cómputo

Operación del Sistema de Cómputo

Una o más CPUs, se provee acceso a la memoria compartida por dispositivos de control conectados a un canal común.

La ejecución concurrente de CPUs y dispositivos compiten por ciclos de memoria.

(4)

Organización del Sistema de Cómputo

discos

teclado impresora

Controlador disco

Adaptador gráfico Controlador

USB

memoria

Operación del Sistema de Cómputo

Los dispositivos de E/S y la CPU pueden ejecutar concurrentemente.

Cada controlador de dispositivos está encargado de un tipo particular de dispositivo.

Cada controlador de dispositivos tiene un buffer local.

La CPU mueve datos desde/hacia la memoria principal a/desde los buffers locales.

La E/S es desde el dispositivo al buffer local del controlador.

El controlador de dispositivo informa a la CPU que ha finalizado su operación por medio de una interrupción.

Funcionamiento de las Interrupciones

Una interrupcióntransfiere el control a la rutina de servicio de la misma, generalmente por medio del vector de

interrupción, que contiene las direcciones de todas las rutinas de servicio.

La arquitectura de la interrupción debe salvar la dirección de la instrucción interrumpida.

Las interrupciones entrantes son deshabilitadas mientras otra interrupción está siendo procesada para prevenir una pérdida de interrupción.

Un trapes una interrupción generada por el software causada por un error o por un requerimiento de usuario.

Un sistema operativo es manejado por las interrupciones.

Introducción

Manejo de Interrupciones

El sistema operativo preserva el estado de la CPU almacenando los registros y el contador de programa.

Determina que tipo de interrupción ha occurrido:

polling

Sistema de interrupción vectoreado

Segmentos de código separados determinan que tipo de acción deberían llevarse a cabo para cada tipo de interrupción.

Introducción

Ocioso transfiriendo

proc ejec

proc de int de E/S CPU

Dispositivo E/S

Req E/S transferencia Req E/S

hecha transferencia

hecha

Línea de tiempo de Interrupción para un proceso simple realizando una salida

Introducción Estructura de E/S Forma Sincrónica

Luego que la E/S comienza, el control retorna al programa del usuario solo cuando la E/S se haya completado.

una instrucción de espera mantiene ociosa la CPU hasta la próxima interrupción.

lazo de espera (contención para el acceso a memoria).

A lo sumo una E/S requerida es atendida a la vez, no hay procesamiento simultáneo de E/S.

(5)

Inroducción Estructura de E/S (Cont.)

Forma Asincrónica

Luego que la E/S comienza, el control retorna al programa del usuario sin esperar que la E/S se haya completado.

Llamada al Sistema – requiere al SO que permita al usuario esperar por la terminación de la E/S.

Tabla de estado de los dispositivos: contiene una entrada por cada dispositivo de E/S indicando su tipo, dirección, y estado.

El SO pone un índice en la tabla de dispositivos de E/S para determinar el estado del dispositivo y modificar la entrada a la tabla para incluir la interrupción.

Introducción

Dos Métodos de E/S

Sincrónico

proc que requiere espera

driver de disp

manejador de int Hardware transf de datos

proc que requiere

driver de disp

manejador de int Hardware transf de datos

tiempo tiempo

⌠

















⌡

kernel kernel

⌠









⌡

usuario usuario

Asincrónico

Introducción

disp: lect tarjetas 1 status: ociosa

disp: impresora 3 status: ocupada

disp: unidad disco 3 status: ocupada disp: unidad disco 1 status: ociosa disp: unidad disco 2 status: ociosa

req para imp direc: 38769 long: 1245

req para unidad

de disco 3 arch: xxx oper: lect dir:43098 Long: 20000

req para unidad

de disco 3 arch: yyy oper: esc dir: 05678 Long: 500

Tabla de estado de dispositivos

Introducción

Usado por dispositivos de E/S de alta velocidad para transmitir información a velocidades similares a la de la memoria.

El controlador de dispositivos transfiere bloques de datos desde el buffer de almacenamiento directamente a la memoria principal sin la intervención de la CPU.

Solo una interrupción es generada por bloque, y no una por byte.

Disp E/S

CPU Memoria

Instrucciones de E/S

Estructura de Acceso Directo a Memoria (DMA)

Introducción

Estructura de almacenaje

Memoria principal– único medio de almacenaje que la CPU puede acceder directamente.

Almacenaje Secundario – extensión de la memoria principal que provee una gran capacidad de almacenaje no volátil.

Discos Magnéticos –

La superficie del disco está logicamente dividida en tracks (pistas), los cuales están subdivididas en sectores.

El controlador de disco determina la interacción lógica entre el dispositivo y la computadora.

Introducción

Mecanismo del Movimiento de Cabezas en el Disco

(6)

Jerarquía de almacenaje

Los sistemas de almacenaje está organizado en jerarquía.

Velocidad

Costo

Volatilidad

Caching – información copiada en un sistema de almacenaje rápido; la memoria principal puede verse como el último cache para el almacenaje secundario.

Jerarquía de Dispositivos de Almacenaje

registros cache

memoria principal disco electrónico

disco magnético

disco óptico

cinta magnética

Introducción

Caching

Principio importante que es llevado a cabo por varios niveles en una computadora (en hardware, sistema operativo, software)

La información en uso copiada desde un almacenaje lento a uno más rápido temporariamente.

El almacenaje más rápido (cache) es verificado primero para determinar si la información está alli:

Si está, es usada directamente del cache (rápido)

Si no, el dato es copiado al cache y usado allí.

Introducción Caching (Cont.)

El caché es más pequeño que el almacenaje de donde se ha traído la información:

La administración del cache es un problema importante de diseño.

El tamaño del cache y la política de reemplazo.

Introducción

Rendimiento de varios niveles de almacenamiento

Movimiento entre niveles de la jerarquía de almacenaje puede ser explícito o implícito.

Introducción

Migración de un entero A de disco a registro

Ambientes multitarea deben ser cuidadosos en el uso de los valores más recientes, no importa donde está almacenado en la jerarquía de almacenaje

Disco

magnético Memoria

principal Registro

hardware Caché

(7)

Introducción

Migración de un entero A de disco a registro (cont.)

Los ambientes multiprocesador deben ofrecer coherencia de caché en hardware tal que todas las CPUs tienen el más reciente valor en sus cachés.

En los ambientes distribuidos la situación es más compleja:

Existen varias copias de datos.

Existen varias soluciones que no son motivo de este curso.

Introducción

Estructura del Sistema Operativo

LaMultiprogramación es necesaria para lograr eficiencia:

Un simple usuario no puede mantener la CPU y los dispositivos de E/S ocupados todas las veces.

La multiprogramación organiza las tareas (código y datos) de tal manera que la CPU siempre tiene uno ejecutando.

Un subconjunto del total de tareas en el sistema se mantienen en memoria.

Una tarea es selecionada y ejecuta vía una planificación de tareas.

Cuando tiene que esperar (p.e. E/S), el sistema operativo conmuta a otra tarea.

Introducción

Estructura del Sistema Operativo

ElTiempo Compartido (multitarea) es una extensión lógica en la cual la CPU conmuta tareas tan frecuentemente que los usuarios pueden interactuar con cada tarea mientras está ejecutando, creando la computación interactiva.

Eltiempo de respuesta debería ser < 1 second

Cada usuario tiene al menos un programa ejecutando en memoria proceso

Si hay varias tareas listas para ejecutar al mismo tiempo

planificación de CPU.

Si un proceso no entra en memoria, el swapping lo mueve fuera y hacia dentro de la memoriamoves para ejecutar.

La Memoria Virtual permite la ejecución de procesos no completos en la memoria.

Introducción

Distribución de la memoria en un sistema multiprogramado

Sistema Operativo job 1 job 2 job 3 job 4 0

512 k

Introducción

Operaciones del Sistema Operativo

Las interrupciones son manejadas por el hardware

El error o requerimiento de software crea una

excepción

o trap

Division por cero, requiere por un servicio del sistema operativo

Otros problemas de procesos incluyen lazos infinitos, procesos que se modifican unos con otros o el sistema operativo.

Introducción

Operaciones del Sistema Operativo

La operación en modo dual permite al sistema operativo protegerse a si mismo y otros compionentes del sistema

Modo usuario y modo kernel

El bit de modo es provisto por el hardware

Provee la habilidad para distinguir cuando el sistema está ejecutando código de usuario o código kernel.

Algunas instrucciones son privilegiadas, sólo se ejecutan en modo kernel.

La llamada a sistema cambia el modo a kernel, el retorno de la llamada reinicia al modo usuario.

(8)

Transición del modo usuario al modo kernel

Timer para prevenir lazos infinitos / alto consumo de recursos por procesos

Produce un interrupción luego de un período específico.

El SO decrementa un contador.

Cuando el contador llega a cero genera una interrupción.

Se inicia antes que el proceso planificado gane el control o termina el programa que excede el tiempo fijado.

Transición del modo usuario al modo kernel (cont)

Introducción

Administración de Procesos

Un proceso es un programa en ejecución. Es una unidad de trabajo dentro del sistema. Un

programa es una entidad pasiva, el proceso es una entidad activa.

El proceso necesita recursos para realizar su tarea.

CPU, memoria, E/S, archivos

Initialización de datos

La terminación de procesos require reclamar los recursos reusables.

Introducción

Administración de Procesos (cont.)

Los procesos de hilo simple tienen un contador de programa especificando la locación de la próxima instrucción a ejecutar.

El proceso ejecuta instrucciones

secuencialmente, una por vez hasta terminar.

Procesos multihilados tienen un contador de programa por hilo.

Tipicamente un sistema tiene muchos procesos, algún usuario, algún SO ejecutando

concurrentemente en una o más CPUs.

Concurrencia por multiplexado de CPUs entre procesos / hilos.

Introducción

Actividades de la Administración de Procesos

El sistema operativo es responsable por las siguientes actividades en conexión con la administración de procesos.

Creación y eliminación de procesos.

Suspensión y reactivación de procesos.

Provisión de mecanismos para:

sincronización de procesos

comunicación de procesos

manejo de interbloqueos

Introducción Administración de Memoria

Todos los datos antes y después del procesamiento.

Todas las instrucciones en memoria para ejecutar.

Determina que hay en memoria cuando es necesario optimizar la utilización de CPU y el tiempo de respuesta a los

Actividades de la administración de memoria:

Lleva control de que partes de la memoria están siendo usadas y por quien.

Decide que procesos cargar cuando hay espacio de memoria disponible.

Ocupa y desocupa espacio de memoria cuando necesite.

(9)

Introducción

Administración del almacenaje

El SO provee una visión lógica y uniforme del almacenaje de información

Hace abstracción de las propiedades físicas a una unidad lógica de almacenaje –archivo.

Cada medio es controlado por un dispositivo (p.e. disco, cinta, etc)

Propiedades variables incluyen velocidad de acceso, capacidad, método de acceso (secuencial o al azar)

Introducción

Administración del almacenaje (cont.)

Administración del Sistema de Archivos

Los archivos, usualmente están organizados en directorios

El control de acceso en la mayoría de los sistemas determina quien puede acceder a que

Las actividades del SO incluyen:

Creación y destrucción de archivos y directorios.

Soporte de primitivas para el manejo de archivos y directorios.

Mapeo de archivos sobre el almacenaje secundario.

Respaldo sobre medios de almacenajes estables .

Introducción

Administración de Almacenaje Secundario

Los discos son usados para almacenar datos que no entran en memoria principal o para datos que tienen que ser guardados un largo período de tiempo.

Su administración es de vital importancia.

La velocidad de operación de la computadora dependen del subsistema de discos y sus algoritmos.

Introducción

Administración de Almacenaje Secundario

Las actividades del SO:

Administración del espacio libre

Alocación del almacenaje

Planificación del disco (no hoy en día ….)

Algunos tipos de almacenajes no necesitan ser rápidos:

Almacenaje terciario como el óptico y las cintas magnéticas

Pero aún así deben ser administrados.

Varian entre WORM (write-once, read-many-times) y RW (read-write)

Introducción Subsistema de E/S

Uno de los propósitos del SO es esconder las peculiaridades de los dispositivos de hardware de los usuarios.

Los subsistemas de E/S son responsables de:

Administración de memoria de las E/S incluyendo el buffering(almacena datos temporariamente mientras están siendo transferidos), caching(almacena partes de datos en almacenamiento rápido por rendimiento), spooling(el solapado de la salida de un job con la entrada a otros)

Interfaz general de drivers de dispositivos.

Drivers específicos para dispositivos de hardware

Introducción Protección y Seguridad

Protección – mecanismo para controlar el

acceso de procesos o usuarios a recursos definido por el SO

Seguridad– defensa del sistema contra ataques

internos y externos

Amplio rango, incluyendo DoS, worms, virus, robo de identidad, robo de servicios

(10)

Protección y Seguridad (cont.)

Los Sistemas generalmente primero distinguen entre usuarios para determinar quien puede que:

Identidad de usuarios (ID de usuarios, IDs de

seguridad) incluye nombre y número asociado, uno por usuario

El ID de usuario se asocian con todos los archivos, procesos de ese usuario para determinar el control de acceso

Identificador de grupo (ID de grupo) permite definir a un conjunto de usuarios controlar el manejo, también asociado con cada proceso, archivo

Escalamiento de privilegios permite al usuario cambiar a un ID efectivo con más derechos

Ambientes de Computación

Computadora Tradicional

Borrosa en el tiempo

Ambiente de oficina

PCs conectadas a una red, terminales conectados mainframe o minicomputadoras proveyendo procesamiento en lotes y tiempo compartido

Ahora portales permitiendo conexión en red y sistemas remotos acceder a los mismos recursos.

Redes hogareñas

Usados como sistemas simples, luego modems

Ahora firewalls y redes

Introducción

Ambientes de Computación (Cont.)

Computación Cliente-Servidor

Terminales “bobos” suplantados por PCs

Muchos sistemas, ahora servidores, responden a requerimientos generados por los clientes

El servidor provee una interfaz al cliente que requiere el servicio (p.e. base de datos)

El servidor de archivos provee una interfaz para que clientes almacenen y recuperen archivos

cliente cliente cliente cliente

servido r

red

Introducción

Computación Peer-to-Peer (P2P)

Otro modelo de sistema distribuido

P2P no distingue entre clientes y servidores

Todos los nodos son considerados peers

Cada uno puede actuar como cliente, servidor o ambos

El Nodo debe agregarse a la red P2P

Registra su servicio con un servicio central de búsqueda sobre la red o

Requerir por un broadcast un servicio y responder a los requerimientos por servicio via protocolo de descubrimiento.

Ejemplos incluyen Napster y Gnutella

Introducción

Computación basada en la Web

La Web se ha convertido ubicua

Las PCs son los dispositivos que prevalecen

La mayoría de los dispositivos están en red para tener acceso a la web

Nueva categoría de dispositivos para manejar el tráfico de la web entre servidores similares: balanceadores de carga.

El uso de SOs como Windows 95, lado del cliente, han evolucionado hacia Linux y Windows XP, Vista y Windows 7 los cuales pueden ser clientes y servidores