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  • Sistemas Operativos

    Curso 2018Estructura de los sistemas de

    computacin

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 2/42

    Agenda

    Componentes de un sistema: Introduccin. CPU (procesador). Memoria. Dispositivos de Entrada/Salida (IO).

    Proteccin de hardware: Modo dual. Proteccin de E/S. Proteccin de Memoria. Proteccin de CPU.

    Red: Local Area Networks. Wide Area Networks. Topologas de red.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 3/42

    Componentes de un sistema

    CPU (procesador) Unidad central de procesamiento. Permite ejecutar un conjunto de

    instrucciones. Su velocidad es varios rdenes mayor con respecto al acceso a la memoria.

    Memoria Permite mantener la informacin disponible. Existen una jerarqua de

    memoria: registros, caches, memoria fsica de tipo RAM (Random Access Memory), dispositivos magnticos, pticos.

    Dispositivos de Entrada/Salida (IO) Permiten interactuar con el sistema. Algunos dispositivos ms comunes:

    impresoras, teclados, ratn, video, disco, red, etc.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 4/42

    Componentes de un sistema

    Esquema grfico:

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 5/42

    CPU (procesador)

    La unidad central de procesamiento es la que ejecuta los programas. En un sistema puede haber ms de una.

    El ciclo bsico consiste en tomar la instruccin apuntada por el PC (program counter) (fetching), decodificarla para determinar su tipo y operandos (decoding), ejecutarla (executing), y luego continuar con la siguiente instruccin.

    Arquitecturas modernas aumentan la performance ejecutando las operaciones en paralelo (fetching, decoding, executing). Esta tcnica es conocida como pipelining.

    Existen varias arquitecturas de procesador que se clasifican en RISC (Reduced Instruction Set Computer) o CISC (Complex Instruction Set Computer). Algunas arquitecturas: SPARC, POWER, x86, Itanium.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 6/42

    CPU (procesador)

    La velocidad del procesador es varios rdenes de magnitud mayor que la velocidad de acceso a informacin que est en la memoria voltil (RAM).

    Esto implic la creacin de registros a nivel del procesador y finalmente una cache de memoria (caches de 1er. Nivel, 2do. Nivel y hasta 3er. Nivel).

    Los registros son la memoria ms rpida que accede un procesador y estn integrados al chip.

    En los ltimos aos han surgido procesadores que en un mismo chip contienen varios ncleos de ejecucin. Esto ha llevado a una nueva terminologa: single-core, dual-core, quad-core, etc.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 7/42

    CPU (procesador)

    Dentro del mismo chip del procesador se incluyen registros de rpido acceso: Registros punto fijo y punto flotante. Registros de direccionamiento ES, SS, DS, CS, etc.. Registro de Estado. Incluye PC y banderas con zero, carry. Caches:

    1er. Nivel (del orden de 128 Kb). 2do. Nivel (del orden de 512Kb a 2Mb). 3er. Nivel (del orden de 8Mb).

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 8/42

    CPU: Instrucciones

    Instrucciones Operador Operandos...

    Los operandos pueden ser inmediatos, registros, relativos, de memoria DS:[SI] segn diferentes tcnicas. (vistos en Arquitectura de computadores).

    Las familias de instrucciones incluyen aritmticas, lgicas, transferencia control (Jmp, Call, Loop, etc), de memoria, de stack, de sincronizacin (Lock:XChg ax, bx) y de entrada salida.

    Las instrucciones de sincronizacin sirven para resolver problemas de concurrencia

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 9/42

    CPU: Instrucciones privilegiadas

    Se establecen niveles de ejecucin y un conjunto de instrucciones para cada nivel.

    Un protocolo seguro para aumentar el nivel de ejecucin que se basa en siempre transferir el control a cdigo autenticado (trusted) para aumentar el nivel de ejecucin.

    Por ejemplo: Detener el procesador Cambiar el vector de interrupciones Cambiar las tablas de pginas

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 10/42

    CPU: Interrupciones

    Interrumpen el flujo normal de un programa. Es la forma principal de comunicarse con el sistema operativo El sistema operativo preserva el estado actual (previo a la interrupcin)

    del procesador (registros, etc.) Se determina que tipo de interrupcin ocurri. Se ejecuta la rutina de atencin correspondiente.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 11/42

    Memoria

    El sistema de memoria es construido en base a una jerarqua, que permite mejorar la utilizacin del procesador:

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 12/42

    Memoria: Memoria principal (RAM)

    Memoria de tipo voltil, con direcciones de palabra o byte. Palabra de 32, 48, 64 bits Transferencia en un ciclo del bus y acceso en paralelo (interleaving) a

    ms de un mdulo de memoria. Existen instrucciones que toman como argumentos direcciones de

    memoria. Es til tambin para hacer transferencias con controladoras de

    dispositivos. Las controladoras tienen su propio buffer de memoria, y existen instrucciones de E/S que permiten la transferencia directa desde el buffer a memoria principal.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 13/42

    Memoria: Discos magnticos (hard disk)

    Dispositivos de velocidad de acceso mucho menor que la memoria principal, pero de mayor capacidad.

    Tiene componentes mecnicas a diferencia de la memoria principal, cache y registros. Consta de: platos de metal que giran a alta velocidad (entre 6.000 y 10.000 rpm) un brazo mecnico que contiene las cabezas de lectura/escritura para cada

    plato La superficie de los platos se divide en secciones:

    Pistas (tracks): La superficie de los platos es dividida lgicamente en pistas circulares.

    Sectores (sectors): Cada pista es dividida en un conjunto de sectores. Cilindros (cylinders): El conjunto de pistas (de todos los platos) que estn en

    una posicin del brazo mecnico forman un cilindro.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 14/42

    Memoria: Discos magnticos (hard disk)

    Esquema de discos magnticos

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 15/42

    Memoria: Discos magnticos (hard disk)

    La velocidad del disco tiene dos componentes: Tasa de transferencia (transfer rate): Es la tasa con la cual los datos van entre

    el disco y la computadora. Tiempo de posicionamiento (positioning time): Es el tiempo que se tarda en

    ubicar el brazo en el cilindro adecuado (seek time), mas el tiempo de rotar el plato al sector adecuado (rotational latency).

    La unidad de transferencia es el bloque. Ocasionalmente los bloques pueden estar con interleaving.

    Existen distintos tipos de buses de conexin: IDE (Integrated drive electronics) ATA (Advanced Technology Attachment) SATA (Serial Advanced Technology Attachment) SCSI (Small Computer-Systems Interface) SAS (Serial Attached SCSI)

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 16/42

    Memoria: Cache

    El cache es un principio muy importante, es utilizado a varios niveles en el sistema de computacin (hardware, sistema operativo, software).

    El concepto es mantener una copia de la memoria que est siendo utilizada en un medio temporal de mayor velocidad de acceso.

    El medio de memoria cache es mucho menor en capacidad, pero ms veloz que el dispositivo principal. Esto genera que el manejo de cache es un problema de diseo importante.

    El tamao del cache y sus polticas de reemplazo tienen un alto impacto en la mejora real de la performance.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 17/42

    Memoria: Coherencia de cache

    Un problema que introduce la memoria cache en ambientes de multiprocesadores, es la coherencia y consistencia de los datos que estn replicados.

    Caches en multiprocesadores: Mayor rendimiento, no se satura el bus del sistema (cuello de botella). An en un monoprocesador, hay que contemplar a los controladores de

    dispositivos. Problemas de coherencia entre caches, ya que una palabra puede estar

    replicada en diferentes caches de los procesadores. El problema de coherencia se torna mucho ms complicado.

    Surgen tcnicas como write-through y write-back.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 18/42

    Dispositivos de entrada/salida (I/O)

    Los dispositivos, por lo general, se componen de una controladora y el dispositivo en s.

    La controladora es un chip que controla fsicamente al dispositivo. Acepta comandos del sistema operativo y los ejecuta (genera las correspondientes seales sobre el dispositivo para realizar la tarea).

    La interfaz que le presenta la controladora al sistema operativo es bastante ms simple que la provista por el dispositivo.

    En un sistema existen distintas controladoras (de discos, red, etc.), por eso es necesario distintos componentes de software para manejar cada uno.

  • Sistemas Operativos | Curso 2018 | Estructura de los sistemas de computacin 19/42

    Dispositivos de entrada/salida: Devic

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