Asignatura Sistemas Operativos Tema Conceptos Introductorios Corresponde a

Asignatura: Sistemas Operativos Tema: Conceptos Introductorios Corresponde a: DMódulo 1 de Notas Sobre Sistemas Operativos (Manual del alumno) DCapítulos 1, y 2 de STALLINGS DCapítulos 1, 2 y 3 de SILBERSCHATZ DCapítulo 1 de Tanenbaum. Carlos NEETZEL cneetzel@sistemasoperativos. com. ar

Objetivo del Módulo • Dar los conceptos básicos sobre las funciones, composición y módulos de los Sistemas Operativos. • Conocer las estructuras de los Sistemas Operativos. 2

COLD STARD 1. DEFINICIONES INIT PC, WS WARM START Users MAQ. EXT. 2. FUNCIONES MONOUSER 3. TIPOS MULTIUSER SHELL ADM. DE RECURSOS POLÍTICA ESTARATEGIA AUTORIDAD PROTECCIÓN CONTABILIDAD TRADICIONAL 4. COMPONENTES MINIMOS PROPÓSITO: -GENERAL -ESPECIAL KERNEL SHELL ADMINISTRADORES SEGURIDAD Y PROTECCIÓN 8. ARQUITECTURA JERARQUICA CLIENTE-SERVIDOR Estructura MAQ. VIRTUALES 10. S. O. PARA MULTIPROCESADORES TIPOS DE S. O. PARA MULTIPROCESADORES: • Master-Slave • Supervisor Separado • Simétrico/Asimétrico • Sistemas de Multiprocesador de Tiempo Compartido 6. CARACTERISTICAS DE DISEÑO DE UN SO 7. CARACTERISTICAS COMUNES Sistema Operativo GESTIÓN Y REPARTO DE RECURSOS GESTIÓN DE LA INFORMACIÓN COOPERACIÓN ENTRE OBJETOS PROTECCIÓN 5. CARACTERÍSTICAS NECESARIAS DEL HW MODO DUAL INTERRUPCIONES CONTEXT SWITCH 9. PRESTACIONES DE UN S. O. SERVICIOS INSTRUCCIONES PRIVILEGIADAS Y USUARIO SYSTEM CALL SYSTEM PROGRAMS AL USER A PROGRAMAS AL S. O. 3

Definición de Sistema Operativo Conjunto de programas Responsables de: es Inicializar la máquina S I (Bootstrapping o IPL) R V S. O. . E Administrar recursos N P A son R A Rutinas y procedimientos manuales y automáticos Proveer una interfase Hombre-Máquina Brindar Protección 4

FUNCIONES DEL SISTEMA OPERATIVO 5

Funciones del Sistema Operativo: Inicialización Es llevada a cabo por Kernel Rutinas residentes Parcial Warm Start Arranca después de las rutinas que crearon las tablas de recursos • Memoria RAM • Memoria ROM • Disco (Área de Booteo) Total Cold Start Verifica recursos – Arma Tablas 3 I. P. L. o Bootstrapping (I. P. L. = Initial Program Loading) 3 6

Funciones del Sistema Operativo: Inicialización TOTAL o PARCIAL LLEVADA A CABO POR KERNEL OBJETIVO ¿COMO? MEDIANTE RUTINA RESIDENTES EN MEMORIA RAM, ROM Y DISCO DEL SISTEMA 1. PREPARAR LA MAQUINA Y LLEVARLA A UN ESTADO CONOCIDO (real) PARA LA EJECUCION DEL PRIMER TRABAJO “TOTAL” FORMA DE OPERAR INICIALIZACION ENCENDIDO RESET CARGA del PC a la 1 er. DIR 1 er DIR a la ROM 1 er C. O. a la CPU RUTINAS de INIC. CARGA del KERNEL y SHELL PASOS QUE EFECTUA • VERIFICACION DE RECURSOS: RECURSOS CREACION DE TABLAS DE RECURSOS DISPONIBLES EN EL SISTEMA • BOOTEO o I. P. L : LUEGO DE LA VERIFICACION DE RECURSOS SE CARGA EL RESTO DEL S. O, Y ASI SE COMPLETA “PARCIAL” • NO CREA NI INICIALIZA LAS TABLAS POR EL PROCESO DE VERIFICACION DE RECURSOS • DEPENDE DE LOS EVENTOS QUE PROVOCAN LA INTERRUPCION DE LA EJECUCION • EJEMPLOS : ERRORES DE HARDWARE, VIOLACIONES A PROTECCIONES, CORTE DE LUZ, ETC. 7

Funciones del Sistema Operativo: Maquina Extendida o Maquina Virtual ES LLEVADO A CABO MEDIO DE COMUNICACIÓN ENTRE EL USUARIO Y MAQUINA SHELL Objetivo: INTERFASE HOMBRE-MAQUINA, MÁS AMIGABLE USUARIOS PROGRAMAS A TRAVES DE LENGUAJE DE COMANDOS S H E L L SO HW INTERFASE EXTERNA DE UN SO VISION DEL S. O: USUARIO COMUN MAQUINA EXTENDIDA VISION DEL S. O. : SUPERUSUARIO 1. PROTEGE RECURSOS ENTRE EL o LOS USUARIOS Y EL SISTEMA CONFIGURA S. O. PARA QUE EL SISTEMA FUNCIONE EFICIENTEM. 2. GRAN VARIEDAD DE SERVICIOS (system call, ej. Operaciones de E/S, read()) 1. OPTIMO GRADO DE SEGURIDAD 3. INTERACCION DEL USUARIO CON EL SISTEMA A TRAVES DEL SHELL 2. PERMITE QUE LOS USUARIOS PUEDANCOMPARTIR RECURSOS • ACTUA COMO INTERFASE DE E/S Y CONTROLA MANEJO DE LOS DISPOSITIVOS DE E/S FUNCIONES • FACILITA LA COMUNICACIÓN CON EL USUARIO A TRAVES DEL SHELL • ACEPTA ENTRADAS DE NUEVOS TRABAJOS • SEPARAR LA COMPLEJIDAD DEL HARDWARE, TRANSFORMA EN MAQUINA VIRTUAL LOGRANDO UN INTERFAZ MÁS AMIGABLE CON EL USUARIO 8

Funciones del Sistema Operativo: Administrador de Recursos Brinda Seguridad a usuarios Entrada a nuevos trabajos Protección acepta Administrador de Recursos Mantiene integridad Disponibilidad de los recursos Contabilidad Prioridad de acceso de los programas Política recupera asigna Recursos facilidad ordena Crear Recuperar Eliminar objetos Conflictos Accesos Estrategia Autoridad Multiplexaciòn del Procesador entre los procesos 9

Funciones del Sistema Operativo: Administrador de Recursos Cada uno de los administradores de los recursos, básicamente debe: – Mantener actualizado un registro o contabilidad del estado o uso de los recursos. – Cumplir (en función de la política implementada para tal fin) con las demandas, decidiendo quién, cómo, cuándo y por cuánto tiempo recibe determinado recurso. – Asignar dicho recurso a quien lo demande. – Recuperar el recurso después que se ha utilizado. – Función de Protección Se dice que el SO implementa como arbitro imparcial: – – – Una Política: dado que asigna prioridades (de uso y/o de acceso a los recursos). Una Estrategia: ya que ordena los accesos y los conflictos. Una Autoridad: pues debe recuperar los recursos otorgados a los procesos y ordenar el uso de los mismos. Una Protección: brindando seguridad a los usuarios entre sí y preservando la integridad de los recursos. Una Contabilidad: para llevar el control del uso y disponibilidad de los recursos. 10

Funciones del Sistema Operativo: Administrador de Recursos El S. O. ofrece: – – Facilidades para crear, manipular y eliminar objetos sobre los que se quiere realizar operaciones, a través de la Gestión y Conservación de la Información sobre ellos. Un ambiente para la ejecución de trabajos, mediante la gestión del conjunto de recursos que permiten ejecutar los mismos. Facilidades para compartir el conjunto de recursos entre los usuarios, mediante un planeamiento y ordenamiento de los trabajos. La administración del sistema consiste en el: • • • Manejo y conservación de la información: ofrece a los usuarios facilidades para crear, recuperar y eliminar objetos sobre los que se quieren realizar operaciones. Manejo del conjunto de recursos: que permiten ejecutar programas: El sistema crea el ambiente necesario para la ejecución de los trabajos. Planeamiento y ordenación de trabajos mediante un adecuado manejo y reparto del conjunto de recursos entre los usuarios 11

Funciones del Sistema Operativo: Protección y Seguridad PROTECCION Implementado en todos los módulos EVITAR PROBLEMAS ENTRE LOS USUARIOS Y LOS PROCESOS, Y ESTOS CON EL S. O • PROTECCION DE E/S: E/S ES LLEVADA A CABO POR LOS DRIVERS QUE DEVUELVEN EL CONTROL AL S. O ANTE UNA SITUACION DE ERROR • PROTECCION DE MEMORIA: CADA PROCESO TIENE UNA ZONA DE MEMORIA ASIGNADA PARA SU FUNCIONAMIENTO. PARA EVITAR QUEDE AFUERA DEL ESPACIO DE DIRECCIONAMIENTO SE FIJAN DOS LIMITES: SUPERIOR, INFERIOR Y EL ACCESO DEBE REALIZARSE DENTRO DE ESTOS LIMITES PROTECCIONES Ejemplo • PROTECCION DEL PROCESADOR: PRESENCIA DE CICLOS INFINITOS O ACCESOS AL PROCESADOR PROCESOS QUE NO LO LIBERAN NUNCA DE SU USO SOLUCION EL HARDWARE INCLUYE UN RELOJ QUE MARCA PERIODOS DE TIEMPO, AL TERMINAR EL PERIODO SE PRODUCE UNA INTERRUPCION Y EL S. O. TOMA CONTROL DE LA C. PU. 12

TIPOS DE SISTEMAS OPERATIVOS 13

Tipos de Sistemas Operativos: Clasificación Se clasifican según Cantidad de Procesadores Monoprocesador Multiprocesador Aplicaciones Cantidad de Usuarios Monousuario Multiusuario Sistemas de Consultas de Información Sistemas de Gestión de las Operaciones Sistemas de Propósito General Sistemas de Batch Sistemas de Accesos Múltiples Sistemas de Propósito Especial SO en Tiempo Real SO con Tolerancias a Fallas SO Virtuales 14

Tipos de Sistemas Operativos: Sistemas Mono. Procesador o Multi. Procesadores S I S T E M A S O P E R A T I O S Mono. PROCESADOR Se basan en Multi. PROCESADORES Administrar un solo Procesador Se basan en Ejemplos MS-DOS; Mac. DOS Más de un Procesador Compartir Formas de trabajar Sistema SIMETRICO El SO selecciona a uno como procesador central y al resto para tareas especificas. (MAESTRO/ESCLAVO) Sistema ASIMETRICO Memoria y Periféricos Los procesos son enviados a cualquier procesador disponible, brindando una mejor distribución y equilibrio de la carga de trabajo. 15

Tipos de Sistemas Operativos: Sistemas Monousuarios o Multiusuarios S I S T E M A S O P E R A T I O S Monousuarios Se basan en Máquinas Las utiliza Virtuales Multiusuarios Sistemas de Consulta de Información Consulta sobre Sistemas de Gestión de operaciones Un Solo usuario sin compartir recursos con otros usuarios. Ejemplos: PC, Wk. Archivos y Bases de Datos. Ejemplo: Base de Datos Médicas. Trabajan sobre mantienen Sistemas de Propósito General Hay dos tipos Bases de Datos Actualizadas. Ejemplo: Reservas de Pasajes. Gran Flujo constante de Trabajo (work-Flow) Sistemas Batch Sistema de Accesos 16 Múltiples

Tipos de Sistemas Operativos: Sistemas Multiusuarios. Sistemas de Propósito General S I S T E M A S O P E R A T I O S El usuario Sistemas Batch Sistemas de Accesos Múltiples No tiene contacto con la tarea introducida El usuario puede Hasta que §Iniciar §Vigilar §Controlar §Suspender Concluye su ejecución. Ejemplo: ejecutar una orden E/S en un lugar remoto de la maquina. La ejecución del programa desde Cualquier Terminal Ejemplo: procesadores distribuidos en varios lugares distantes entre ellos y comunicados a través de líneas de transmisión de datos o de red. 17

Tipos de Sistemas Operativos: Sistemas Multiusuarios. Sistemas de Propósito Especial S I S T E M A S O P E R A T I O S Sistemas de Propósito Especial SO en Tiempo Real Hay tres tipos SO Virtuales SO en Tiempo Real garantiza pro por Lo utilizan SO con Tolerancias a Fallas cio na Respuesta a eventos externos en un tiempo establecido Máxima Fiabilidad Sistemas de reservas de pasajes y control de vehículos Parámetros importantes • Tiempo de espera, • Procesamiento, y • Almacenamiento de la entrada 18

Tipos de Sistemas Operativos: Sistemas Multiusuarios – Sistemas de Propósito Especial S I S T E M A S O P E R A T I O S cancela SO con Tolerancias a Fallas Detecta y corrige Errores Recupera Lo utilizan Operaciones Sistema habilitado Sistema de los Cajeros Automáticos, Sistema de Seguridad en el Área Nuclear SO Virtuales ejecuta concurrentes En una Máquina Trabajan en Lo utilizan Verificar un nuevo SO, Migrar un SO a una nueva versión, etc. Varios S. O. r e e m p l a Componentes z a n d o Modo Usuario respecto al S. O. Virtual Modo Protegido respecto a Programas bajo ese S. O. 19

S. O. en Tiempo Real-1 Un sistema de tiempo real se usa generalmente como un dispositivo de control en una aplicación dedicada en que el procesamiento debe realizarse dentro de un tiempo dado. Existen dos tipos de Sistemas de Tiempo Real: ambos se diferencian también por el tratamiento de interrupciones y el manejo de las Prioridades: 1. Aquellos en que el tiempo de respuesta no es muy crítico. 2. Los que el tiempo de respuesta es muy crítico (Sistemas estimulados por eventos externos deben generar respuestas a estos eventos): Control de procesos industriales, recolección de datos de experimentos, etc.

S. O. en Tiempo Real-2 El sistema en tiempo real incluye el software (que debe organizar, administrar y operar la transferencia de los datos y proveer la adecuada sincronización de tiempos) y el hardware compuesto por: • SENSORES: SENSORES elementos que detectan mediante una alteración de sus características un cambio en el ambiente en que miden. • TRANSDUCTORES: TRANSDUCTORES Traducen un cambio físico en una corriente o tensión eléctrica. • CONVERSORES (ADC/DCA): Convierten las variaciones de corrientes o tensiones eléctricas en pulsos binarios (Analogic - Digital Converter / Digital Analogic Converter). • INTERFASES: INTERFASES Puertos, impresores, graficadores, Registradores, Visualizadores, Señalizadores, Alarmas, Consolas, Teclados, etc. • PROCESADORES: PROCESADORES Son los responsables de las tareas de control, interrupciones, tiempos, almacenamiento de datos temporales y definitivos, generación de órdenes de control o mandos a distancia, etc.

S. O. en Tiempo Real-3 -

COMPONENTES MINIMOS DE UN SISTEMA OPERATIVO 23

Componentes Mínimos de un SO Contempla Administración de pedidos Invoca a § Adm. y Gestión de pedidos de recursos § Adm. de programas § Adm. de procesos Primer Nivel SHELL o Decide a quien Job Scheduler Complementa § Adm. de Usuarios § Otros Asigna listo para ejecución Job Control Lenguaje programa Actividades Admite programación mediante Shell Scripts 24

Componentes Mínimos de un SO Asigna memoria a De memoria De Entrada / Salida Segundo Nivel ADMINISTRA DORES DEL SO De Información (File System) módulos para Rutinas para De Comunicaciones comparte Procesos Utilización de periféricos Manipular y Manejar archivos Recursos distribuidos mediante redes Adm. y Control de Seguridad y protección Servicios Tercer Nivel Unidad de KERNEL Dispatch Traffic Controller Dispatcher Unidad de posesión de recursos Cambia el estado del proceso Asigna proceso a ejecutar y otorga el uso de la CPU 25

Componentes Mínimos de un SO: Shell Interfase E/S Máquina extendida facilita Comunicación con usuario Usuario protege Shell Súper-usuario Visión Recursos y la integridad del sistema configura Programador del Sistema Usuarios Comparten recursos Diseñador del S. O. 26

Componentes Mínimos de un SO: Shell • a) Visión del usuario • Existen dos grandes tipos de Shell: – Interprete de Líneas de Comandos u órdenes CLI (Command Line Interface) – GUI (Graphical User Interface) • Desde el punto de vista del usuario, el principal objetivo del ocultamiento del hardware se debe a: – ABSTRACCIÓN: Proveer una interfase dando una visión global y abstracta del computador de fácil uso y ocultando su funcionamiento. – SEGURIDAD: Protegiendo el uso de los recursos entre los usuarios y el sistema. • b ) Punto de vista del System Manager (Gestor de Recursos del Sistema) • Es el responsable de que el Sistema de computo funcione con el adecuado rendimiento y con seguridad. • Configura al S. O. para que el Sistema funcione eficientemente y los 27 usuarios puedan compartir los recursos.

Componentes Mínimos de un SO: Kernel o Núcleo Es un conjunto de Códigos intensamente usados por todos los programas en el mas bajo nivel como si fuera una extensión del set de instrucciones de la máquina Reside Memoria Central Modo supervisor o Kernel Se ejecuta Más Alto nivel de Prioridad KERNEL implementa DMecanismo de acceso junto con el M. M. U. (Administrador de la Unidad de Memoria) DMecanismo de protección junto con el First Level Interrupt Handler Controlar las interrupciones y Errores 3 Dispatcher 3 Rutinas de sincronización 3 Comunicación entre procesos 3 Se ocupa de gestiona Hardware 3 Interrupciones 3 Excepciones 3 Manejo instrucciones kernel y usuario 28

Componentes Mínimos de un SO: Kernel o Núcleo Contiene: • Una extensión del Juego de Instrucciones (Instruction Set) del Procesador (System Calls). • Una extensión del mecanismo de secuenciamiento del Hardware (Dispatcher o Switcher). • Un manejador de Interrupciones (Interrupt handler) y de errores (error handler). • Un mecanismo de acceso a Memoria Central. • Manejador el reloj de tiempo real (Timer). • Conmuta el estado del procesador entre modo supervisor y usuario. • Implementar los mecanismos de protección. 29

Componentes Mínimos de un SO: Kernel o Núcleo • Funciones del Nivel Kernel tienen las siguientes características: – Son Residentes en la Memoria Central (Razones de accesibilidad en el menor tiempo posible). – Deben ejecutarse en modo Kernel (también llamado modo Supervisor ) como primitivas ininterrumpibles. – Deben ejecutarse en el más alto nivel de prioridad debido a la Protección. – Depende de la máquina y está escrito en el lenguaje ensamblador del Procesador. – Generalmente no más de 600 instrucciones (muy 30 optimizado).

CARACTERISTICAS NECESARIAS EN HARDWARE 31

Características Necesarias en HW: Juego de Instrucciones diferenciadas para el Procesador kernel Reservadas para el S. O. Privilegiadas (Kernel) Estas instrucciones se usan para: Instrucciones Tipos Acceso a todos los recursos Ejecutan como una sola instrucción (macroinstrucción) Autorizar o inhibir interrupciones. Acceder a registros del hardware (procesadores, Entrada/salida, etc. ). Acceder a los Puertos de Entrada / Salida (I/O ports). Acceder a zonas reservadas de Memoria Central. Pueden ser interrumpidas usuario Comunes (Usuario) Acceso restringido a recursos e Instrucciones Ejecuta un código de programa usuario 32

Características Necesarias en HW: Modo DUAL de Ejecución del Procesador Modo DUAL del Procesador Modo Kernel o Protegido (Ejecuta instrucciones sin Interrupciones) Modo Usuario o Real (Ejecuta instrucciones permitiendo ser Interrumpidas) Proceso Nivel Process USER A llamada al SO interrupción fin llamada Nivel Kernel S. O. RAI dispatch rutina Tabla servicios SO RAI: Rutina de Atención de Interrupción

Características Necesarias en HW Procesador en modo Dual: ( Modo KERNEL) CARACTERISTICAS DEL FUNCIONAMIENTO A. EL S. O EJECUTA SIN INTERRUPCION B. ACCESO A TODOS LOS RECURSOS DOS TIPOS DE INSTRUCCIONES QUE EXISTEN EN NIVEL KERNEL: CARACTERISTICAS DE SUS Instrucciones con intervención del SO ( Kernel ) Instrucciones sin intervención del SO (Usuario) INSTRUCCIONES ¿CUALES? INSTRUCCIONES PRIVILEGIADAS INSTRUCCIONES DEL S. O ¿QUE HACEN? MODO KERNEL • MODIFICAN EL ESTADO DEL PROCESADOR. • OPERAN LOS PROCESADORES DE E/S • MODIFICAN LA PROTECCION DEL AREA DE MEMORIA CENTRAL ¿EN QUE SITUACIONES? 1. CAMBIO DE MODO DE EJECUCION DEL PROCESADOR (CONTEXT SWITCH) 2. LLAMADA AL SISTEMA PARA UN SERVICIO REQUERIDO POR EL PROG. QUE ESTA EJECUTANDO (SYSTEM CALL) 3. INTERRUPCION POR ALGUN EVENTO EN EL SISTEMA 4. ERROR EN LA EJECUCION 5. CUANDO EJECUTA EL S. O.

Características Necesarias en HW Procesador (Modo USUARIO) CARACTERISTICAS DEL FUNCIONAMIENTO en modo Dual: SOLO EJECUTA LA SECUENCIA DE INSTRUCIONES DEL USUARIO (PROGRAMA DEL USUARIO) PUEDE SER INTERRUMPIDO ACCESO RESTRINGIDO A RECURSOS E INSTR. DEL PROCESADOR Context Switch SYSCALL MODO USUARIO FORMA DE EJECUTAR UN PROG USUARIO CUANDO EJECUTA RUTINA DEL S. O CAMBIO DE CONTEXTO DE EJECUCION EJECUTA RUTINA DEL S. O Modo Kernel CAMBIO DE CONTEXTO DE EJECUCION EL PROGRAMA USUARIO SIGUE SU EJECUCION EXIT TO USER

Características Necesarias en HW: Interrupciones Mediante una Clasificación según sus prioridades: Señal detiene El proceso en curso SW: generadas por programas (System Call, Comienzo E/S). HW: generadas por componentes físicos. (Time-out, Finalización de E/S) • Enmascarable (menor). El SO se detiene y lo atiende. • No Enmascarable (mayor). El SO termina lo suyo y luego lo atiende. P. A. I. Pedido de atención de interrupción (o IRQ) R. A. I. Rutina de Atención de Interrupción Señales por distintos motivaciones. Reconocimiento del P. A. I. Polling Vector de Interrupciones Operación de Consulta Periódica Contiene direcciones de memoria de las R. A. I. sobre direcciones de memoria (responsable de atender el pedido del P. A. I). Asincrónica. (Sincrónica) Antes de atenderla se guardan el contenido de registros y otra información en P. C. B Mediante un Cambio de Contexto (Context Switch)

Características Necesarias en HW: Interrupciones Primer paso pedido int. evento int perm. ? no maskable? si PAI: Pedido de Atención de Interrupción si Fin no Atender int. Segundo paso System Call (Dispatch) Se salva el PCB del Proceso que estaba ejecutando Se carga la RAI Servicio de la RAI P r o c e s a d o r Secuencia de Ejecución (Tiempo) Se carga un PCB ( nuevo o el anterior RAI Determina el orígen de la Interrup. Carga la rutina que trata la interrupción brindando un servicio Llama al Dispatch (S. O. )

Características Necesarias en HW: Canales D. M. A. (Direct Memory Access) D. M. A. Para hacer Transferencias entre CPU o Memoria y los Periféricos • Se ideó, para transmitir datos desde un dispositivo periférico a la memoria RAM mediante un procesador especializado. • En los comienzos, el procesador central debía ocuparse de leer los datos del dispositivo y enviarlos a la memoria central o viceversa, no pudiendo dedicarse a otra actividad mientras estaba ejecutando ese proceso. • Para agilizar esa transferencia, el dispositivo accede directamente a memoria mediante un procesador DMA sin que la CPU tenga que preocuparse de ese proceso, con lo que se consigue un gran ahorro de tiempo, además de ser más rápido.

CARACTERISTICAS DE DISEÑO DE UN SO 39

Características de Diseño de un SO Los diseños difieren en los siguientes puntos: • • • Objetivos. Restricciones. Aplicaciones y ambientes. Criterios. Razones Económicas. En cuanto al diseño de un S. O. se debe tener fundamentalmente en cuenta los siguientes puntos: • • Conocer el procesador en profundidad, (Hardware). Conocer ampliamente el Set de instrucciones del procesador. Conocer profundamente técnicas algorítmicas. Definir las características que deben incorporarse en el diseño. 40

Características de Diseño de un SO Además los objetivos de diseño de un Sistema Operativo deben cumplir los siguientes requerimientos: – – – – Simple. Portable. Estructurado (modular). Confiable. Soporte de múltiples usuarios o procesos. Soporte de red o procesamiento distribuido. Etc. Los principales objetivos que debe incluirse en el diseño, entre otros, son: – – – – Eficiencia: Todo el uso del sistema requiere de eficiencia y en particular algunos puntos para evaluar la eficiencia pueden ser: Tiempo transcurrido entre tareas o procesos. Tiempo ocioso del procesador central. Tiempo de ejecución utilizado por los procesos, ya sea Batch u otros. Tiempo de respuesta en los accesos de los recursos. Grado de utilización de los recursos. 41 Rendimiento (Trabajos ejecutados por hora).

CARACTERISTICAS DE LOS SO’s 42

Características de los SO’s En general, se puede decir que un Sistema Operativo debe tener las siguientes características: • Conveniencia: Hacer más conveniente el uso de una computadora. • Eficiencia: Permitir que los recursos de la computadora se usen de la manera más eficiente posible. • Habilidad para evolucionar: Deberá construirse de manera que permita el desarrollo, prueba o introducción efectiva de nuevas funciones del sistema sin interferir con el servicio del mismo. • Encargado de administrar el hardware: Encargarse de manejar de una mejor manera los recursos de la computadora en cuanto a hardware se refiere, esto es, asignar a cada proceso una parte del procesador para poder compartir los recursos. • Relacionar dispositivos (gestionar a través del kernel): Deberá encargarse de comunicar a los dispositivos periféricos, cuando el usuario así lo requiera. 43 • Organizar datos: para acceso rápido y seguro.

• • Características de los SO’s Manejar las comunicaciones en red: Permitir al usuario manejar con alta facilidad todo lo referente a la instalación y uso de las redes de computadoras. Procesamiento por bytes: De flujo a través del bus de datos. Facilitar las entradas y salidas: Deberá hacerle fácil al usuario el acceso y manejo de los dispositivos de Entrada / Salida de la computadora. Técnicas de recuperación de errores: Deberá proveer las rutinas necesarias para protegerse, y poder recuperarse de los errores (ya sean de hardware, o de software), con el menor perjuicio para los usuarios. Evita que otros usuarios interfieran: Evitará que los usuarios se bloqueen entre ellos, informándoles si esa aplicación esta siendo ocupada por otro usuario. Generación de estadísticas: Para poder cobrarle a los diferentes usuarios del centro de procesamiento, la parte proporcional que les corresponde del gasto generado por el mantenimiento del mismo. Permite que se pueda compartir: tanto el hardware como 44 los datos de los usuarios y entre los usuarios.

Características Comunes a todos los SO’s Gestión y reparto del conjunto de recursos Mucha demanda Varios usuarios Recursos escasos Lo realiza sin conflictos Planificando en base a reglas de reparto DEjecución dual de instrucciones Protección para preservar recursos y procesos DMutua exclusión: recurso accedido por un solo proceso solución Cooperación entre procesos Herramientas de sincronización y comunicación ofrecidas por el S. O. u Comparten objetos u Genera conflictos Se comunican entre ellos u Compiten por el uso del recurso u Se producen Bloqueos 45

Características Comunes a todos los SO’s Enlace (binding) Gestión de información Asocia objeto a Manejo Direcciones Asignación de descriptores Espacios físicos Virtual y real retrasa Elección de un recurso

Características Comunes a todos los SO’s Protección y Seguridad Objetivo: Garantizar la integridad de los recursos y de los Procesos, como también validar los usuarios en el sistema. Para resolver este conflicto el S. O. ofrece los siguientes mecanismos: 1. Ejecución dual de instrucciones: Maestro - Esclavo (este concepto se amplía en el próximo punto de éste módulo). 2. Mutua Exclusión: (consiste en asegurar que los recursos compartidos sean accedidos por un solo proceso a la vez bajo ciertas condiciones 3. Control de accesos. User - 1 User 2 - A C C E S O RECURSOS (Únicos) User - n Proteger los Recursos y los Procesos contra: 1) Otros User, 2) el S. O. , 3) Errores de programación y 4) Competencia desleal

ARQUITECTURA (Estructura) DE UN SISTEMA OPERATIVO 48

Arquitectura de un SO: Estructura Tradicional o Monolìtica No están bien separadas interfases y niveles Tradicional Estructura interna no definida No existe modularidad, ni ocultamiento de información Carecen de protección y privilegios PRG. USER SO HW Ejemplos: PROGRAMAS USUARIO KERNEL MS-DOS DRIVERS MS-DOS PROGRAMAS USUARIOS KERNEL UNIX signals terminales CPU scheduling swapping i/o system demand paging terminales disco memoria DRIVERS DE ROM BIOS ESTRUCTURA DE MS-DOS device drivers Estructura de UNIX 49

Arquitectura de un SO: Estructura Jerárquica Módulos organizados Facilita protección Ocultamiento de la información, lentitud al referenciar servicios en niveles inferiores USUARIO NIVEL N NIVEL 3 NIVEL 2 shell File system Memory manager I/O manager INTERFASE 3/2 NIVEL 1 Programas usuarios HARDWARE NIVEL 0 spool Ejemplos: CPU scheduling

Arquitectura de un SO: Estructura Jerárquica • El sistema es dividido en módulos, utilizando un “enfoque por capas”, que divide al S. O. en varias capas(niveles), cada una construida sobre las inferiores. • Cada capa constituye una implantación de un objeto abstracto que contiene datos y operaciones que pueden manipular esos datos. • Ventajas – Facilita la protección. – Permite implementar el principio de ocultamiento de la información “information hiding”. – Facilita la sustitución y verificación de componentes modularización). • Desventajas – La definición de los distintos niveles es difícil. – Algunas comunicaciones entorpecidas por la jerarquía. – Son más lentos. 51

Arquitectura de un SO: Estructura Cliente/Servidor Tratamiento de Interrupciones Reduce código S. O. Cliente/ Servidor Sincronización de mensajes Multiprogramación Funciones Servicios implementadas Emplea técnica Kernel Mínimo (microkernel) Programa Usuario Message Passing Las funciones del Kernel son pocas. Entre ellas: a) Tratamiento de interrupciones. b) Multiprogramación. c) Sincronización de mensajes. d) Protección y seguridad 52

Arquitectura de un SO: Estructura Cliente/Servidor Ventajas • El sistema es altamente modular • Los distintos módulos del sistema no tienen acceso directo al hardware • Son especialmente útiles en ambientes distribuidos Desventajas • Algunos módulos del SO no pueden ser implementados como procesos de usuarios. • Ejemplo: drivers de dispositivos, ciertas partes del administrador de memoria (memory manager) 53

Arquitectura de un SO: Estructura Maquinas Virtuales Estructura en estratos Copia idéntica del H. W. base Máquinas Virtuales Posee un Kernel Monitor Virtual Alto nivel de protección Acceso restringido a recursos e instrucciones del procesador Integra distintos S. O. 54

Arquitectura de un SO: Estructura Maquinas Virtuales Ventajas • Cada usuario del sistema puede usar un SO distinto. • Permite un alto nivel de protección. • Todas las máquinas virtuales son independientes. Desventajas • Difícil Implementación : se necesita un duplicado exacto del HW adyacente • Cada maquina virtual es más lenta que la máquina real 55

PRESTACIONES DEL SISTEMA OPERATIVO 56

Prestaciones del Sistema Operativo Desde el Punto de Vista del Usuario EJECUCION DE PROGRAMAS FACILIDADES 1. PARA CARGAR EN MEMORIA 2. PARA PREPARAR AMBIENTE DE EJECUCION OPERACIONES DE ENTRADA/SALIDA PRESTACIONES PARA EL USUARIO FACILIDADES 1. PROGRAMA PUEDA TRATAR UN ARCHIVO 2. ENVIAR, RECIBIR DATOS A UN DISPOSITIVO MANEJO DE ARCHIVOS FACILIDADES ACCESOS, USOS ORGANIZACION DEL SISTEMA. DE ARCHIVOS SERVICIOS OFRECIDOS POR EL S. O

Prestaciones del Sistema Operativo Desde el Punto de Vista del Sistema ASIGNACION DE RECURSOS CONFLICTOS CUANDO VARIOS PROCESOS O USUARIOS COMPITEN POR ELLOS SOLUCION CONJ DE MECANISMOS DE RESOLUCION DE CONFLICTOS PRESTACIONES SISTEMA CONTABILIDAD PARA SU FACTURACION PROTECCION CONTROL DE TIEMPOS DE UTILIZACION DE RECURSOS PARA LA OBTENCION DE ESTADISTICAS DE UTILIZACION ANTE ACCIONES NO DESEADAS

Servicios que brinda un Sistema Operativo Sistema Usuario Programa Servicios del S. O. realizados por 2 mecanismos System Call Programación a través de instrucciones Rutina de System Program No residen en memoria Se invocan SHELL ofrecen si se Entorno para ejecución mas cómodo invocan Se carga a memoria para su ejecución Interrumpe el Proceso en ejecución 59

Servicios que brinda un Sistema Operativo System Programs/System Calls SYSTEM PROGRAMS SOLUCIONES A PROBLEMAS COMUNES NO DURANTE EJ. DEL PROG NO RESIDEN EN MEMORIA SE CARGAN RAPIDAMENTE EN MEM, RESIDEN EN SOPORTE DE ACCESO DIRECTO INCORPORACION DE ALGUNAS FUNCIONES: FILE MANIPULATOR, STATUS INFORMATION, APLICATION PROGRAMS SYSTEM CALLS (PARA PROGRAMAS en EJECUCIÓN) OFICIAN DE INTERFASES ENTRE PROG EN EJECUCION Y EL S. O COMPUESTO POR: CONJ DE INSTRUCCIONES EN EL LENGUAJE DE MAQUINA EJECUCION ATOMICA, SIN INTERRUPCIONES PROCESAMIENTO DEL SYSCALL PROGRAMA USUARIO CAMBIO EST. PROCESADOR FOPEN AL EJECUTARLO SE PRODUCE UNA INTERRUPCION DEL PROCESO Y SE EJECUTA LA RUTINA EJEMPLO: RESPECTO A UN JOB CREATE_JOB, DELETE_JOB RUBROS: A) MANEJO DE PROCESOS B)EJECUCION DE PROGRAMAS C) MANEJO DE OP. DE E/S D)COMUNICACIONES ETC. S. O EN MEM. PPAL LLAMA RUTINA S. O SYSCALL UN CODIGO EN MEM. PPAL CALL FOPEN() CAMBIO EST. PROCESADOR Y VUELVE AL PROGRAMA

Servicios para el Usuario Login Protección (Password, Dominios, etc. ) Shell Servicios para Usuarios System Calls Teclado u otro dispositivo Sytem Program intervención Algunas funciones File Manipulator Status Information Program loading and execution File Modification Aplication Program Shell 61

Servicios para los Programas Create_Process() Crea Proceso load() execute () Protección Kill() Carga , ejecución, terminación del programa funciones Interrupciones Manipulación de archivos ACCESOS usuarios Servicios para los Programas System Calls Detección de Errores Hardware Software programas Reparto de Recursos Cambio de Contexto Contabilidad 62

Servicios para el Sistema End() Abort() Kill() Get() funciones Servicios para el Sistema Interrupciones de dispositivos de E/S Proceso espera Proceso ejecuta Put() Etc. Manejo de Excepciones (Traps) Llamadas al S. O. Terminación normal Terminación anormal Programa en ejecución NO SI Se produce un error grave en la ejecución de una Instrucción Petición de E/S Fecha Petición de estado Hora Espacio de Memoria 63

Protecciones er be e D e ev pr De be pre vee r Debe preveer De E/S De Memoria Del Procesador A través Drivers de los dispositivos que le devuelven el control al SO cdo. Se produce un error. Cada proceso tiene una zona de memoria asignada. Una forma de evitar que acceda fuera de esa zona es usar dentro de la CPU dos registros: • LIMITE INFERIOR • LIMITE SUPERIOR Par evitar la existencia de procesos infinitos o accesos al procesador procesos que nunca liberan de su uso. solución El HW incluye un reloj que en un determinado tiempo se produce una interrupción y el SO toma el control 64

SISTEMAS OPERATIVOS PARA MULTIPROCESADORES 65

Tipos de S. O. para Multiprocesadores • Existen los siguientes tipos básicos: 1. Maestro – esclavo 2. Supervisores separados. 3. Simétricos (es el más común). 4. Sistemas de multiprocesador con tiempo compartido 66

Tipos de S. O. para Multiprocesadores • Maestro - Esclavo (MASTER - SLAVE): Posee estructura jerárquica, tradicional, pero requiere que todos los procesadores sean idénticos (homogéneos). • Planifica los trabajos. Cuando un S. O. usa el procesador y lo hace maestro, planifica para todos en ese momento. Se maneja con un sistema de mensajes (no hay interrupciones) • Controla la ejecución de los esclavos. • El Sistema Operativo puede ejecutarse en cualquier procesador (maestro flotante) • Puede tomarse a cualquier procesador como master (con este método se manejan la arquitectura de procesadores llamada hipercubos). – VENTAJAS: • Sencillo de implementar y fácil de adaptar. • Permite paralelismo en las aplicaciones pero no en el S. O. – DESVENTAJAS: • Los esclavos tienen como cuello de botella al master. • Gran overhead por la estructura jerárquica. 67

Tipos de S. O. para Multiprocesadores • Supervisor separado: – Cada nodo tiene su propio kernel que gestiona el procesamiento del nodo (procesador, Memoria, E/S), en forma independiente (caso del hipercubo o crosstalk). – Cómo lograr el paralelismo de la aplicación? : • Cada Nodo ejecutará una tarea. • Subdividiendo la aplicación en tareas (task), del sistema. – La planificación macroscópica de la ejecución de las aplicaciones lo hace un SUPERVISOR que puede implementarse en modo simétrico o Master-Slave. – Las funciones del Supervisor son: Asignación de procesadores a tareas, Mensajes, Redireccionamientos, Almacenamientos, etc. . 68

Tipos de S. O. para Multiprocesadores Simétricos / Asimétricos Simétricos: Simétricos – Todos los procesadores son funcionalmente idénticos. Cualquier procesador puede acceder a cualquier dispositivo de I/O o a cualquier Memoria, menú, etc. Por esto se dice que es simétrico. – El S. O. puede ser ejecutado en cualquier procesador e incluso en paralelo en varios procesadores. Para ello deben diseñarse y construirse funciones que ejecutan autónomamente y deben existir adecuados controles y sincronizaciones para las estructuras comunes o compartidas. – La implementación más sencilla es la de “Maestro Flotante”. – El S. O. no está ligado a ningún procesador y flota de uno a otro. Por lo general, el código del S. O. es monolítico por lo que se ejecuta en un solo procesador. El S. O. es una sola “Región Critica” de grandes dimensiones. Temporalmente el procesador que ejecuta el S. O. es el 69 Maestro y planifica el trabajo para los demás procesadores.

Tipos de S. O. para Multiprocesadores Simétricos Ejemplo UNIX: La ejecución es seleccionada de la cola de procesos listos en Memoria Compartida, la asignación se hace: – Primer proceso a primer procesador y así sucesivamente hasta agotar procesadores o procesos. – El Procesador que se libera toma el siguiente proceso de la cola de listos para ejecutar. – La concurrencia se administra mediante funciones que controlan las interrupciones (habilitaciones/deshabilitaciones). – No funcionan las prioridades en multiprocesadores (es un mecanismo de monoprocesador). – Funcionan los threads 70

Tipos de S. O. para Multiprocesadores Simétricos • VENTAJAS: – Fácil de portar de S. O. – Monoprocesador a multiprocesadores – Se logra buena ejecución en paralelo. • DESVENTAJA: – Difícil reprogramación del control de la concurrencia. Memoria Privada del S. O. KERNEL (Se ejecuta sobre cualquier Proc. ) Memoria Compartida por todos los procesadores PROCESADOR MAESTRO PROCESADORES 71

Tipos de S. O. para Multiprocesadores Simétricos / Asimétricos: Asimétricos • Solo algunos procesadores tienen acceso a Memoria y dispositivos. 72

Tipos de S. O. para Multiprocesadores Sistemas de Multiprocesador con Tiempo Compartido FUNCIONES DEL S. O. PARA MULTIPROCESADORES: • Gestión eficiente de recursos (procesadores, memoria central, E/S). • Planificación de procesadores (múltiples). Esto significa dos cosas: – Asignación de procesadores a las aplicaciones en forma consistente. – Asegurar el uso eficiente de los procesadores asignados a las aplicaciones. • Esto afecta a la velocidad. • La velocidad y la productividad dependen de las prioridades o sea de la planificación. • Mecanismos y facilidades que fomentan el paralelismo. – Mecanismos de sincronización flexibles y eficientes entre procesadores y entre procesos. – Creación y gestión de un gran número de threads. – Gestión de Memoria Central: depende de la Arquitectura y del interconexionado (fuertemente o débilmente acoplados). – Gestión de dispositivos de E/S (Generalmente se usan arrays de discos RAID con buses SCSI). 73

Tipos de S. O. para Multiprocesadores Sistemas de Multiprocesador con Tiempo Compartido 4. SISTEMAS DE MULTIPROCESADOR CON TIEMPO COMPARTIDO: – Ofrecen la imagen de un único sistema pero lo hacen mediante la vía de centralizar todo, por lo que en realidad este caso es un único sistema. Los multiprocesadores con tiempo compartido NO son sistemas distribuidos. – Este tipo de sistemas es una combinación de software fuertemente acoplado en hardware fuertemente acoplado. – Existe una sola cola de ejecución: una lista de todos los procesos en el sistema que no están bloqueados en forma lógica y listos para su ejecución. La cola de ejecuciones una estructura de datos contenida en la 74 memoria compartida.

Tipos de S. O. para Multiprocesadores Sistemas de Multiprocesador con Tiempo Compartido • Ninguna de las CPU’s tiene memoria local y todos los programas se almacenan en la memoria global compartida, no importa sobre que CPU se ejecute un proceso. • Un aspecto colateral es que si un proceso se bloquea en espera de E/S en un multiprocesador, el sistema operativo tiene la opción de suspenderlo o bien dejarlo que realice una espera ocupada. • Este tipo de multiprocesador difiere de manera apreciable de una red o un sistema operativo distribuido es la organización del sistema 75

Asignatura: Sistemas Operativos FIN MODULO 1 Conceptos Introductorios 76