visión general e introducción al kernel diseño de sistemas operativos ingeniería en informática
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Visión general e introducción al kernel
Diseño de Sistemas OperativosIngeniería en Informática
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Visión general e introducción al ...
Objetivos: Revisar conceptos relacionados con sistemas
operativos Dar una visión general de UNIX, destacando
algunos aspectos del kernel Dar una visión general de Linux, destacando
algunos aspectos del kernel
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Visión general e introducción al ...
Revisión de conceptos. Visión general de UNIX. Visión general de Linux.
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Revisión de conceptos
Clasificación del software Software de aplicación
Programas que realizan las tareas en las que el usuario está realmente interesado
Software de sistema Programas y librerías de soporte para el software de
aplicación, por ejemplo el sistema operativo
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Revisión de conceptos
Objetivos de un sistema operativo Abstracción de los recursos hardware
Almacenamiento heterogeneo Sistema de archivos Memoria física + memoria secundaria Memoria virtual Variedad de dispositivos de E/S E/S estándar
Reparto de recursos CPU, memoría física, espacio de disco, comunicaciones, etc.
Servicios de sistema al software de aplicación Semáforos Memoria compartida Señales Temporización, etc.
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Revisión de conceptos
Características generales de un sistema operativo Monotarea o multitarea Multitarea expulsiva
(preemptive), protección entre tareas, protección del hardware
Monousuario o multiusuario Monoplataforma o multiplataforma Monoprocesador o multiprocesador Interactivo o batch Tiempo compartido, pudiendo procesar trabajos batch Kernel monolítico o microkernel (o exokernel) Sistemas operativos de tiempo real
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Revisión de conceptos
Características generales de un sistema operativo Procesos
Niveles de protección Las instrucciones no pueden ejecutar cualquier instrucción
potencialmente peligrosa Modo usuario y modo kernel (o supervisor)
Procesos Programa en ejecución y con su contexto Descriptor de procesos (PCB Process Control Block)
struct task_struct (elemento de struct thread_info) Contexto de nivel de usuario Contexto de nivel de sistema (kernel) Contexto de registros
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Revisión de conceptos
Características generales de un sistema operativo Planificación y conmutación de procesos
Estados de un proceso Listo, En ejecución, Parado, … Jerarquía de procesos Relación padre-hijo Threads (hilos). Threads del kernel Tipos de planificación quantum (timeslice), prioridad, … El algoritmo de planificación del kernel de Linux O(1) Procesos interumpibles por el kernel (preemptive)
Llamadas al sistema Interfaz entre un proceso y el sistema operativo Invocada por el proceso Causada por una interrupción software (señal)
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Revisión de conceptos
Relación entre aplicaciones, el kernel y el hardware
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Revisión de conceptos
Sistemas monolíticos versus microkernel Enfoque monolítico
Kernels implementados como un gran proceso único ejecutándose en un único espacio de direcciones kernels en disco como un archivo binario
Todos los servicios del kernel existen y se ejecutan en el gran espacio de direcciones del kernel
Comunicación con el kernel es trivial, ya que todo se ejecuta en modo kernel en el mismo espacio de direccines
El kernel puede llamar directamente a funciones, como si fuesen aplicaciones en modo usuario
Sencillo y buen rendimiento Mayoria de los sistemas UNIX son monolíticos en diseño
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Revisión de conceptos
Sistemas monolíticos versus microkernel Enfoque microkernel
Núcleo con funcionalidad mínima Servicios provistos por servidores que son procesos El kernel sólo gestiona la comunicación con los servidores Las distintas partes del S.O. se comunican mediante paso
de mensajes Chorus, QNX, Mach (GNU Hurd), WNT 3.51
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Revisión de conceptos
Sistemas monolíticos versus microkernel Enfoque monolítico
+ Eficiente Pocos cambios de contexto - Depuración - Ampliación (modularidad) - Dependencias
Enfoque microkernel + Fácil implementación y depuración + Portabilidad + La separación de varios servidores previene la caida
de servidores - Eficiente sobrecarga de comunicaciones
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Revisión de conceptos
Linux Estructura
Monolítico con módulos cargables Threaded Dinámico (añadir y quitar módulos) e interrumpible Mayor modularidad que un sistema monolítico puro
mayor rendimiento que un sistema microkernel Portabilidad
Escrito casi íntegramente en C estándar, con partes en ensamblador dependientes de la arquitectura (/arch)
Nuevamente el equilibrio entre la sencillez y eficiencia gana Linux gana
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Revisión de conceptos
Linux Características principales
S.O. estilo UNIX, compatible POSIX Multitarea expulsiva, Multiusuario y Multiplataforma Protección de memoria y memoria virtual, kernel threading,
interrumpible (preemptive) SMP, Clustering Variantes para Tiempo Real y CPUs sin MMU Múltiples sistemas de archivos y protocolos de red Con modelo de dispositivos orientado a objetos Razonable soporte hardware Casi todo escrito en C y depuración en tiempo de ejecución Módulos cargables en tiempo de ejecución (dinámico)
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Revisión de conceptos
UNIX/Linux Algo de historia
1969: UNIX, Thompson & Ritchie (AT&T Bell Labs) proyecto MULTICS
1978: BSD, Berkeley Software Distribution Distribuidores comerciales: Sun, HP, IBM, SGI, DEC, Digital, SCO
1984: GNU: Richard Stallman (FSF) 1986: POSIX (Portable Operating System Interface) La norma
POSIX.1 ha uniformado las operaciones de manipulación basándose fundamentalmente en las funcionalidades existentes en System V
1987: MINIX, Andrew Tanenbaum 1989: SVR4, AT&T 1991: 'Nacimiento' de Linux
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Revisión de conceptos
Linux Algo de historia
Evolución de MINIX para 8086 (A.S. Tannenbaum, 12000 líneas de código abierto)
En 1991 Linus Torvalds pone un mensaje en USENET diciendo que está escribiendo un S.O. como hobby, y deja los fuentes disponibles. (0.01)
Poco después publica la versión 0.02 y pide colaboraciones a los interesados En menos de un año más de 100 colaboradores
Aparecen múltiples distribuciones comerciales y no comerciales (Slackware, Red Hat, Suse, Mandrake, Caldera, Debian, etc.)
Soporte por parte de grandes empresas (Intel, IBM, Sun, Oracle, HP, Informix, etc.) y para múltiples plataformas, no sólo i386
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Revisión de conceptos
Linux Algo de historia
Linux 1.0 aparece en 1994 en forma de distribución (i386) Linux 1.2 en 1994 Soporta diferentes arquitecturas (Sparc,
Alpha, MIPS) Linux 2.0 en 1996 competitivo con sist. UNIXs comerciales Linux 2.2 (Enero 1999), con muchas mejoras y soporte
hardware Linux 2.4 (Enero 2001), más hardware soportado (ISA PnP,
USB) y modificaciones arquitecturales Linux 2.6 (Diciembre 2003), características avanzadas,
enterprise, muchas mejoras en la arquitectura Ultima versión estable 2.6.22 (X.Y.Z X = versión mayor, Y =
versión (par = estable, impar = desarrollo), Z = revisión)
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Revisión de conceptos
Linux Modelo de desarrollo de Linux
Modelo Open Source Licencia GPL Motivaciones resolver problemas (compartir
soluciones), educación, reconocimiento, anti-monopolio, seguridad
Autogestión del proyecto objetivos y motivación voluntarios, filosofía y herramientas comunes, desarrollos en paralelo con poda de ramas fallidas, distribución frecuente y pruebas masivas, depuración masiva por ser Open Source
Resultados de gran calidad
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Revisión de conceptos. Visión general de UNIX. Visión general de Linux.
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Visión general de UNIX
Estructura del sistema UNIX
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Visión general de UNIX
Diagrama de bloques del kernel de UNIX
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Visión general de UNIX
Subsistema de archivos en UNIX Estructura jerárquica y tratamiento consistente de los datos Crecimiento dinámico de los archivos (crear y borrar archivos) Proteger los datos de los archivos Tratar a los dispositivos y periféricos como si fuesen archivos
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Visión general de UNIX
Organización del sistema de archivos en UNIX Boot block cotiene el código de arranque Superblock Describe el estado del sistema de archivos (tamaño,
número total de archivos que puede contener, espacio libre dispon. Lista de inodos Cada archivo en UNIX tiene asociado un inodo,
que lo describe (propietario, permisos, fecha de actualización, …) Bloques de datos datos de los archivos, donde cada uno de los
bloques puede ser asignado a un archivo
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Visión general de UNIX
Representación interna y gestión de archivos en UNIX Tabla de inodos Lista de inodos + información adicional Tabla de archivos Estructura global al kernel y tiene una entrada
por cada archivos que los procesos (kern. & usr.) tienen abiertos Tabla de descriptores de archivos de usuario Estructura local a
cada proceso e idenfica a los archivos abiertos por un proceso
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Visión general de UNIX
Subsistema de procesos en UNIX Tabla de procesos Entrada = PID, estado, temporizadores, etc. U-área Datos manipulables por el kernel y que son necesarios
sólo cuando el proceso se está ejecutando Tabla de regiones por proceso espacio de direcciones virtuales
del proceso Tabla de regiones
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Visión general de UNIX
Contexto de un proceso en UNIX Contexto de un proceso = Estado del proceso su código, los
valores de sus variables de usuario globales y de sus estructuras de datos, el valor de los registros de la CPU, los valores almacenados en su entrada de la tabla de procesos y en su área de usuario; y el contenido de sus pilas (stacks) de usuario y kernel
Contexto de nivel de usuario los segmentos de texto, datos y pila del proceso, las zonas de memoria compartida, direcciones virtuales en el área de swap
Contexto de registros el contador de programa, el registro de estado del procesador (PS), el puntero de la pila, y registros de propósito general
Contexto de nivel de sistema entrada en la tabla de procesos, U-área, entrada en la tabla de regiones por proceso, tabla de regiones y tabla de páginas, y pila del kernel
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Visión general de UNIX
Estados de un proceso en UNIX. Perspectiva general (1) El proceso se está ejecutando en modo usuario (2) El proceso se está ejecutando en modo kernel (3) El proceso está listo para ejecutarse (puede haber varios) (4) El proceso está durmiendo/bloqueado por una operación E/S
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Revisión de conceptos. Visión general de UNIX. Visión general de Linux.
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Visión general de Linux
De forma general … qué es un kernel de un S.O. Es la parte del S.O. (software de sistema) encargado de
monitorizar y controlar todos los recursos hardware del ordenador interface entre usuario y el hardware
Controla y media en el acceso al hardware Abstrae todos los recursos hardware procesos, regiones,
archivos, dispositivos, etc. Planifica y ubica los recursos del sistema CPU, memoria,
disco, etc. Impone fuertes medidas de seguridad y protección en el
sistema Responde a las demandas de los servicios por parte de los
usuarios
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Visión general de Linux
Objetivos de diseño del kernel Rendimiento eficiencia y velocidad Obtener el mejor uso
de los recursos del sistema con la menor sobrecarga posible (rápido)
Estabilidad Robistez y capacidad de recuperación Flexibilidad y compatibilidad diferentes plataformas y
compatible con muchos sistemas operativos comunes Seguridad y protección Proteger a los usuarios entre ellos
y proteger el sistema de ataque malignos por parte de otros usuarios
Portabilidad Extensibilidad y dinamismo Módulos cargables
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Visión general de Linux
Diagrama de bloques del kernel de Linux (1)
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Visión general de Linux
Diagrama de bloques del kernel de Linux (2)
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Visión general de Linux
Características destacables de Linux Sistema operativo tipo UNIX Multi* Multitarea expulsiva/interrumpible (preemtive multi-tasking) Memoria virtual memoria protegida, paginación, etc. Librerías compartidas Carga de funcionalidad a demanda Dinamismo del kernel a
través de los módulos cargables Ejecutables ‘Copy-On-Write’ (COW) compartidos siempre que
sea posible, compartir marcos de páginas entre el proceso padre y los procesos hijo, en lugar de duplicarlos
Redes TCP/IP Soporte de SMP (Symmetric MultiProcessor) Open source código abierto
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Visión general de Linux
Arquitectura conceptual de Linux El S.O. Linux está compuesto por 4 grandes subsistemas
(1) Aplicaciones de usuario (2) Servicios del S.O. (3) El kernel de Linux (4) Controladores hardware
Esta descomposición se puede representar por niveles
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Visión general de Linux
Estructura del kernel de Linux a nivel de subsistemas Planificador de Procesos (Process Scheduler, SCHED) Controla
el acceso de los procesos a la CPU, dando un acceso justo a todos los procesos
Gestor de Memoria (Memory Manager, MM) Permite que muchos procesos compartan memoria, implementando mecanismos de memoria virtual
Sistema de Archivos Virtual (Virtual File System, VFS) Abstrae los detalles de los dispositivos hardware presentándolos como una interface de archivos común
Interface de Red (Networking Interface, NET) Proporciona acceso a los sistemas de red
Comunicación entre procesos (Inter-Process Communication, IPC) Proporciona mecanismos para la comunicación de procesos (colas de mensaje, semáforos y memorias compartidas)
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Visión general de Linux
Diagrama de bloques de la estructura del kernel
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Visión general de Linux
Dependencias entre subsistemas (1) Todos los subsistemas dependen de SCHED Todos ellos
necesitan supender o reanudar procesos. Por ejemplo, un proceso que intenta enviar un mensaje a través de la red (subsistema NET) el SCHED lo suspende hasta que el mensaje se envía
El subsistema SCHED utiliza el subsistema MM para ajustar el mapa de memoria hardware de un proceso específico cuando dicho proceso reanuda su ejecución
El subsistema IPC depende del subsistema MM para soportar mecanismos de comunicación de memoria compartida en la comunicación entre procesos, y también del SCHED puesto que deben de estar sincronizados los procesos que intervienen en la comunicación
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Visión general de Linux
Dependencias entre subsistemas (2) El subsistema VFS depende de los subsistemas MM y NET
para soportar sistemas de archivos en red y ram-disks El subsistema MM utiliza el subsistema VFS para gestionar
los datos del swap (implementa mecanismo de memoria virtual) Por ejemplo, cuando un proceso accede a memoria que está actualmente en el área de swap (swap-out), el subsistema MM realiza una petición al subsistema VFS para traer los datos del dispositivo de almacenamiento secundario, y suspender el proceso
Todos los subsistemas se basan en recursos comunes (información de estado, etc.) que son propios de cada subsistema Cada subsistema es responsable de manterner sus propios recursos
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Visión general de Linux
Estructuras de datos de los subsistemas (1) SCHED: Task list
El scheduler mantiene un bloque de datos por cada proceso que está activo (thread_info, task_struct)
Estos bloques están almacenados en una lista encadenada (list_head)
El scheduler siempre mantiene un puntero current que indica el proceso activo
MM: Memory Map El MM almacena un mapping de dirección virtual a física sobre
un proceso base (page) La estructura de datos (memory map, mm) se encuentra como
un campo del descriptor de procesos
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Visión general de Linux
Estructuras de datos de los subsistemas (2) VFS: I-nodes
El VFS utiliza index-nodes para representar archivos sobre un sistema de archivos lógico (super_block, inode, file, dentry_cache, fs_struct)
La estructura de datos inode almacena el mapping de los números de bloques de archivos a las direcciones de dispositivo físicas. También inode puede ser compartida entre procesos
NET: Data Connection Punteros a información del mapping de memoria Punteros a inodos que representan todos los archivos abiertos Estructuras de datos que representan todas las conexiones de
red abiertas NET hace transparente muchos dispositivos hardware y protoc.
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Visión general de Linux
Diagrama de la estructura del fuente del kernel
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Visión general de Linux
Características más relevantes que aporta Linux 2.6 HyperThreading Kernel expulsivo/interrumpible (Preemtive kernel) Scheduler O(1) Mejora del soporte NUMA (non-uniform memory architecture) Soporte RMAP (Reverse Mapping for Anonymous Pages)
para memoria virtual Nueva estructura de dispositivo del kernel (kdev_t) Threading POSIX mejorado (NGPT (Next Generation POSIX
Threading Package) y NPTL (Native POSIX Thread Library)) Nuevo modelo de driver y estructura de dispositivo unificada AMD 64-bit, PPC64 ACPI, ALSA, USB 2.0