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Overview de Sistemas Operativos

Capítulo 2

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Un Sistema Operativo• Un programa que controla la ejecución de programas de aplicación

• Una interface entre las aplicaciones y el hardware

• Objetivos1. Conveniencia: Un SO hace que el uso de un computador sea más conveniente

2. Eficiencia: Un SO permite que los recursos de un computador sean usados eficientemente

3. Habilidad de evolucionar: Un SO debiera permitir desarrollar, probar e implantar nuevas funcionalidades sin interferir con la prestación de otros servicios

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Representación en capas de un sistema computacional

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Servicios que presta un SO• Desarrollo de programas

– Editores, depuradores, profilers

• Ejecución de programas

• Acceso a dispositivos de I/O

• Acceso controlado a archivos

• Acceso al sistema

• Detección y manejo de errores– Hardware

– Software

– Permisos

• Contabilidad– Estadísticas de uso de los recursos por los usuarios

– Monitore del rendimiento del sistema

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El SO como un administrador de recursos• Responsable de la administracion de recursos

• Funciona de la misma forma que otros programas del sistema, es decir es un programa que se ejecuta en el procesador

• El SO libera el control del procesador cuando no está en ejecución

• Luego, el SO depende del procesador (apoyo de hardware) para volver a tomar el control del procesador

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• Porción del SO que siempre está en memoria principal • Contiene las funciones del SO más usadas • También se le llama Núcleo

Kernel

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Evolución de los SOs• Procesamiento serial (1940-1950)

– Interacción directa con el hardware

– No existe un SO propiamente tal

– Lectores de tarjetas, luces de status y error, switches, impresoras, etc

– Problemas

– Scheduling de programas (jobs)

– Tiempo desperdiciado en setup: carga del compilador, carga del programa fuente, almacenamiento del programa compilado, linkeo con librerias, etc

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Evolución de SOs• Sistemas batch: la idea es minimizar los tiempos de scheduling y setup

– Monitores• Software que controla la sequencia de eventos

• Procesamiento serial de jobs (uno tras de otro)

• Cada programa usuario programado de tal forma que al finalizar su ejecucion, retorne el control al monitor

– JCL (Job Control Language)• Tipo especial de lenguaje que instruye al monitor a realizar ciertas tareas

• Que compilador cargar, que datos usar, etv

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Característica de Hardware• Los SO batch introdujieron necesidades de hardware

• Protección de memoria– No permitir que el programa en ejecucion altere el contenido del monitor

• Timer– Previene que un job monopolice el sistema

• Instrucciones privilegiadas– Garantiza que ciertas instrucciones de máquina sean ejecutadas sólo por el monitor

• Interrupciones

• Los conceptos de protección de memoria e instrucciones privilegiadas dieron origen al concepto de modos de operación– Modo usuario

– Modo kernel o privilegiado

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Sistemas batch Uniprogramados

• SO batch uniprogramados son altamente ineficientes

• El procesador debe esperar hasta que las operaciones de I/O terminen

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Sistemas batch multiprogramados• Cuando un job necesita esperar por el término de una operación de I/O,

el procesador puede ejecutar algún otro job

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Ejemplo

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Histogramas de utilización de recursos

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Requerimientos de hardware• Manejo de interrupciones

• DMA

• Administración de memoria

• Scheduling de jobs

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Sistemas de tiempo compartido (time sharing)

• Así, como en sistemas batch multiprogramados, el procesador es compartido por varios jobs, en sistemas de tiempo compartido, el procesador es compartido entre usuarios.

• Incluye procesos batch y procesos interactivos

• Usuarios múltiples accesan el sistema a través de terminales

• El procesador es asignado a cada proceso usuario por un quantum de tiempo

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Compatible Time-Sharing System (CTSS)• Primer sistema de tiempo compartido desarrollado en el MIT

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Aportes importantes por los SO• Procesos

• Administración de memoria

• Seguridad y protección de la información

• Administración de recursos y scheduling

• Estructura de los SOs

Principios y abstracciones

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Procesos• Un programa en ejecución• Una instancia de un programa corriendo en un computador• La entidad que puede ser asignada y ejecutada por un procesador• Una unidad de actividad caracterizada por un hebra secuencial de ejecución,

un estado actual, y un conjunto asociado de recursos del sistema• Consiste de cuatro componentes principales

– Un programa ejecutable– Datos– Contexto de ejecución o estado del procesos: toda la información requerida por el

SO para administrar el proceso– Stack (del usuario)

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Proceso

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Administración de memoria• Aislamiento de los procesos

• Administración y procuramiento automático

• Apoyar programación modular

• Protección y control de acceso

• Almacenamiento de largo plazo

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Memoria virtual• Permite a los programas direccionar la memoria desde un punto de vista lógico

y despreocuparse de la memoria física disponible

• Permite mantener varios procesos en memoria y asi evitar demoras en carga y descarga de procesos

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Paginación• Particiona los procesos (y la memoria física) en un número de bloques de

tamaño físico fijo llmados páginas• Los procesos emiten direcciones virtuales compuestas de un número de página

y un offset dentro de dicha página• Las páginas pueden ser almacenadas en cualquier parte de la memoria• El sistema de paginación también mapea la dirección virtual a una dirección

física o real

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Memoria virtual

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Direccionamiento en memoria virtual

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Protección y seguridad de la información• Los SO deben proveer mecanismos de seguridad en los siguientes aspectos

• Disponibilidad– Proteger al sistema contra interrupciones al servicio

• Confidencialidad– Asegurar que los usuarios no puedan leer datos no autorizados

• Integridad de datos– Asegurar que los usuarios no modifiquen datos sin autorización debida

• Autenticidad– Relacionado con la verificación de la identidad de los usuarios y la validez de los

mensajes o datos

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Scheduling y administracion de recursos• Factores a considerar

• Equitatividad– Dar acceso similar a todos los recursos

• Respuesta diferencial– Discriminar entre distintas clases de jobs

• Eficiencia– Maximizar throughput, minimizar tiempo de respuesta y servir el mayor número

posible de usuarios

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Estructura del SO• Una forma de organizar un SO es como una serie de niveles o capas

• Cada capa es responsable de prestar ciertos servicios relacionados (mismo nivel de abstracción, misma escala de tiempo)

• Idelamente, los cambios en un nivel no implican cambios en los otros niveles

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Ejemplo de niveles: niveles cercanos al Hwd• Nivel 1: circuitos electrónicos

– Registros, celdas de memoria, puertas lógicas, etc.

– Operaciones tales como borrar un registro, leer una dirección de memoria

• Nivel 2: Instrucciones de máquina– Operaciones individuales permitidas por el lenguaje de máquina

• Nivel 3: Procedimientos– Implementa el concepto de procedimiento o subrutina

– Uso de stack

• Nivel 4: Interrupciones– Guardar contexto del proceso y llamar rutinas encargadas de manejar las

interrupciones

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Ejemplo de niveles: conceptos de Multiprogramación

• Nivel 5: Proceso básico o primitivo– El proceso como un programa en ejecución

– Suspensión y reanudación de procesos

– Mecanismos básicos de sincronización, como semáforos

• Nivel 6: Operaciones básicas de almacenamiento secundario– Transferencia de bloques de datos

• Nivel 7: Memoria virtual– Implementa un espacio de direccionamiento lógico para los procesos

– Páginas, segmentos e híbridos

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Ejemplo de niveles: objetos externos• Nivel 8: Comunicación entre procesos

– Pipes, colas de mensajes

• Nivel 9: Sistema de archivos– Implementa almacenamiento de largo plazo de archivos con nombre

• Nivel 10: Dispositivos externos– Provee acceso a dispositivos externos usando una interfaz estándar

• Nivel 11: Directorios– Responsible por mantener la asociación entre identificadores externos e internos

• Nivel 12: Proceso usuario– Implementa soporte completo para procesos

• Nivel 13: Shell– Provee una interface entre el usuario y el SO

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Conceptos de SO modernos• Arquitectura microkernel

– Asigna sólo funciones esenciales al kernel • Espacio de direcciones

• Comunicación entre procesos

• Scheduling básico

– Otros servicios son prestados por procesos servidores que corren en modo usuario o no privilegiado

– Estos procesos son vistos por el microkernel como un proceso más en el sistema

• Nota: Un kernel monolítico implementaría todos los servicios típicos de un SO y generalmente correria como un solo proceso

• Programación multihebras– El proceso se ejecuta en varias hebras que corren concurrentemente

• Hebra– Unidad de trabajo que se despacha en el procesador

– Se ejecuta secuencialmente y es interrumpible

• Un procesos es una collección de una o más hebras y sus recursos asociados

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Conceptos de SO modernos• Multiprocesamiento simétrico (SMP)

– Varios procesadores comparten memoria principal y facilidades de I/O

– Todos los procesadores pueden realizar todas las tareas

– En particular, el SO puede correr en cualquiera de los procesadores y asignar procesos usuarios a cualquiera de los procesadores

• Beneficios de SMP– Rendimiento: paralelismo (versus concurrencia)

– Disponibilidad: la falla de un procesador no detiene al sistema

– Escalabilidad

• SO distribuido– Permite que un conjunto de computadores se comporten como un sistema unificado

– No es lo mismo que SO de red