Class 02 Introduction To Operating Systems

SISTEMAS OPERATIVOS

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Los Sistemas Operativos son programas para la administración eficiente de los recursos del computador.

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Tabla de Contenido i. • 1. 2.

Objetivos. Problemas que Resuelve un SO Introducción Estructura del SO 1. Componentes 2. Llamadas al Sistema 3. Estructura de un SO 4. Máquinas Virtuales 3. Diseño e Implementación 4. Bibliografía

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Objetivos de la Sesión • Definir las funciones y objetivos de un SO

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Problemas que Resuelve un SO

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Problemas que resuelve un S.O. • Un programa en ejecución es un conjunto de procesos en ejecución. 2

4

5

6

1 3

• Cómo sabe el proceso 2 que el proceso 1 ya terminó. • Dado que 2 y 3 se pueden ejecutar en paralelo, ¿quién se ejecuta primero? • Si 2 y 3 ya terminaron, ¿cómo se entera 4 de este suceso? 6 /58

Problemas que resuelve un S.O. • Los procesos requieren de recursos escasos para ser ejecutados, cada uno de los siguiente procesos se requiere la cantidad indicada de recursos. Ambos programas se ejecutan en paralelo. ¿en qué orden se debe de asignar los recursos a los proceso?. Considere que mientras un programa no termina, los procesos asociados no pueden soltar los recursos. Considere que una propiedad deseable de un SO es la multiprogramación. memoria

P1

P2

P3

P4

Prog1

init

1

3

Prog2

init

2

4

5

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Problemas que resuelve un S.O. • El siguiente problema se denomina “el abrazo mortal” y se presenta cuando el µP no puede asignar un recurso compartido a un conjunto de procesos pendientes de terminar. Los recursos que podría liberar uno de los procesos cuando termine seria suficiente como para continuar los otros procesos y por lo tanto terminar. 4

2

2

4 8 /58

INTRODUCCIÓN

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Sistema Operativo • Un Sistema Operativo es un programa que actúa como un intermediario entre el computador y el usuario. • Consta de un conjunto de rutinas (algoritmos) para gestionar los recursos del computador, como son: el Procesador, la memoria, los Dispositivos de E/S y los archivos • El Sistema Operativo: – Es un administrador de los recursos del computador. – Controla la ejecución de los programas de los usuarios. – Controla por ejemplo el acceso concurrente a los recursos. 10 /58

Sistema de Computo

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Sistema de Computo El usuario. • Puede ser una persona, una maquina u otro computador que quiere resolver un problema. Los Programas de Aplicación. • Define la via por la cual los recursos de hardware pueden ser usados para resolver problemas. Bases de Datos, compiladores, editores, etc. El Sistema Operativo. • Controla y coordina el uso de hardware entre varios programas de aplicación. El Hardware. • Provee los recursos de computación básicos. CPU, Memoria, E/S. 12 /58

Visión abstracta del sistema usuario 1

usuario 2

usuario 3

...

compilador

ensamblador

editor de texto

...

usuario n

base de datos

Aplicaciones del sistema Sistema Operativo Hardware del computador

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Definiciones de Sistema Operativo • Administrador de recursos: – Gestión y asignación de recursos del computador • Programa de control: – Controla la ejecución de los programas de usuario y las operaciones de los dispositivos de E/S • Núcleo: – El único programa que ejecuta siempre (por debajo y anterior a cualquier otro programa) • Máquina virtual: – Extiende y enmascara la funcionalidad del hardware

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Objetivos del Sistema Operativo • Objetivos del sistema operativo: – Facilitar el uso al usuario (interfaz) – Facilitar la programación al programador (máquina virtual extendida) – Ejecutar programas eficientemente (gestor de recursos)

• Conveniencia. Proveer un medio ambiente al usuario para ejecutar sus programas. por ejemplo en computadoras personales. • Eficiencia. Incrementar la productividad de los recursos de producción, como son: el HD del SC y el usuario del SC. por ejemplo en grandes sistema de computo 15 /58

Servicios del SO como interfaz U/PC 1. Creación de programas (editores, depuradores) 2. Ejecución de programas (Carga las Instruciones en MP, inicializa los dispositivos) 3. Acceso a dispositivos de E/S (cada uno requiere un conjunto peculiar de Instrucciones) 4. Acceso controlado a los archivos (formato de los archivos y del medio de almacenamiento) 5. Acceso al sistema (En sistemas compartidos) 6. Detección y respuesta de errores (Internos y externos al hardware) 7. Contabilidad, estadísticas (de uso y rendimiento)

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Máquina Extendida/Controlador Los SO llevan a cabo dos funciones que en esencia no tienen relación. • Máquina Extendida: La función del SO es presentar al usuario el equivalente de una máquina extendida o virtual que sea más fácil de programar que el hardware que hay por debajo. • Controlador de recursos: La función del SO es controlar todas las piezas de un complejo sistema. Proporcionar una asignación ordenada y controlada de los procesadores, memoria, dispositivos de E/S para los varios programas que compiten por ellos. 17 /58

Modo dual de operación • Compartir recursos – El SO asegura que un programa no afectará a otro

• Solución: – Mecanismo de protección hardware (bit) que permite, al menos, 2 modos de ejecución: usuario (1) y sistema (0).

• Instrucciones privilegiadas sólo posibles en modo sistema • Cuando hay interrupción, trap o excepción, el hardware cambia a modo sistema

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Modo dual de operación

interrupción/fallo

monitor

usuario

pasar a modo usuario

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Protección por hardware • E/S: – siempre instrucciones privilegiadas, modo sistema • Memoria: – registros base y límite por programa – accesos fuera originan un fallo de protección • UCP: – temporizador que interrumpe periódicamente para dar control al SO y que decida

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Protección por hardware 0 monitor 256000

256000 tarea 1

300040

registro base 300040

tarea 2

registro límite

420940 21 /58

Arquitectura general del sistema Si las instrucciones de E/S son privilegiadas, ¿cómo ejecuta el usuario la E/S? • Llamada al sistema: – Método estándar de acceso a los servicios del SO – El programa genera un trap (interrupción sw) – Se salta a ejecutar la RTI (servicio del SO) y a la vez se cambia a modo sistema – El SO verifica los parámetros, ejecuta la petición y devuelve control en la instrucción siguiente • El SO oculta las llamadas al sistema en bibliotecas que se instalan con el SO

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ESTRUCTURA.

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Estructura del Sistema Operativo 1. 2. 3. 4.

Componentes del sistema Llamadas al sistema Estructura de un sistema operativo Máquinas virtuales

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1. COMPONENTES DEL SO

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Componentes del SO •

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Básicos: 1. Gestor de procesos 2. Gestor de memoria 3. Gestor de E/S 4. Gestor del almacenamiento secundario Servidores: 5. Servidor de ficheros 6. Servidor de protección y seguridad 7. Servidor de comunicaciones por red Utilidades: 8. Intérprete de mandatos 9. Programas de sistema 26 /58

1. Gestor de procesos • Un proceso es un programa en ejecución • Es la unidad que consume recursos: – UCP, memoria, ficheros, etc. • El SO gestionar lo siguiente de los procesos: – Creación y destrucción – Suspensión y reanudación – Mecanismos de comunicación y sincronización – Asignación de los recursos al proceso

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2. Gestor de memoria • Memoria: – Vector enorme de palabras o bytes (direcciones) – Compartida por UCP y dispositivos E/S – Volátil: pierde su contenido sin alimentación • El SO gestiona lo siguiente de la memoria: – Qué partes están en uso y quién las está usando – Qué procesos se deben cargar, y dónde – Asigna y libera espacio cuando se requiere

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3. Gestor de entrada/salida • El gestor de E/S está formado por: – Almacenamiento intermedio en memoria (caché) – Manejadores genéricos, uno por cada clase de dispositivo – Gestión individualizada por dispositivo existente • El SO gestiona lo siguiente de la E/S: – Traduce peticiones a formato de manejador – Copia memoria de/hacia el controlador – Controla transferencias por DMA

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4. Gestión del almacenamiento secundario • Dispositivos rápidos de E/S (discos) – Vector enorme de “bloques” – Almacenamiento no volátil – Usado como respaldo de memoria principal • El SO gestiona lo siguiente del almacenamiento secundario: – Asignación y liberación de espacio – Planificación de accesos a los discos

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5. Servidor de ficheros y directorios • Fichero: – Conjunto de información lógicamente relacionada • Directorio: – Fichero que contiene asociaciones entre nombres de fichero e identificadores internos del SO • El SO gestiona lo siguiente de los ficheros: – Creación y borrado de ficheros y directorios – Primitivas para manipularlos – Proyectar los ficheros en memoria – Respaldar los ficheros en dispositivos no volátiles

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6. Servidor de protección y seguridad I • Protección: – Controlar el acceso a los recursos por parte de los procesos (de los usuarios) • El servidor de protección debe: – Distinguir entre uso autorizado y no autorizado – Especificar los controles de acceso a llevar a cabo – Proporcionar métodos de control de acceso

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6. Servidor de protección y seguridad II • Seguridad: – Proteger al sistema de un uso indebido (fraudulento) • El servidor de seguridad debe: – Autenticar a los usuarios – Evitar amenazas al sistema (gusanos, virus, piratas, fuego, etc.) – Evitar intercepción de comunicaciones (cifrado, canales seguros, etc.)

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7. Servidor de comunicaciones • Sistema en red o distribuido: – Conjunto de procesadores que no comparten memoria – Conectados mediante una red de comunicación • El servidor de comunicaciones debe: – Proporcionar mecanismos para comunicación local y remota entre procesos – Para distintos tipos de redes (Ethernet, ATM, telefónica, etc.) • Responsabilidad del SO: – Resolución de nombres, enrutamiento, conexiones y control de flujo 34 /58

8. Intérprete de mandatos • Programa cuya función es obtener los mandatos del usuario y lanzar su ejecución • Hay dos tipos básicos: – Intérprete de mandatos en línea en modo texto, como el shell de UNIX y LINUX – Interfaz gráfico de usuario, como el de Windows y X-Windows • Puede haber múltiples intérpretes de mandatos sobre el mismo SO – La visión del mismo SO cambia según el usuario (POSIX sobre Windows NT o Win32 sobre LINUX)

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9. Programas de sistema • Proporcionan un entorno adecuado para el desarrollo y ejecución de programas • Son la visión del SO que tienen muchos usuarios, y no la de las llamadas al sistema • Categorías: – Manipulación de ficheros: copia, mover, ... – Información de estado: monitores, ... – Programación: compiladores, depuradores, … – Carga y ejecución: cargador, … – Comunicaciones: telnet, ftp, … – Aplicaciones: servidores BD, navegadores, ... 36 /58

2. LLAMADAS AL SISTEMA

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Llamadas al sistema • Interfaz entre aplicaciones y SO – Con un trap o interrupción sw – Acceso como función en los lenguajes (C, …) • Paso de parámetros: – En registros – En memoria, se pasa la dirección en un registro – En la pila y dejar que el SO los extraiga • El SO se define por sus llamadas al sistema: – Estándar POSIX en UNIX y LINUX – Win32 en Windows NT

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Paso de llamadas al sistema Programa de usuario 1

...

Programa de usuario n

llamada al sistema Tabla de RTI

Control vuelve al programa de usuario 1 rutina de servicio

trap

Se ejecuta en modo NO privilegiado

Se ejecuta en modo PRIVILEGIADO

Procesamiento de la interrupción

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3. ESTRUCTURA DE UN SO

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Sistemas monolíticos I • Núcleo: – Todo entre las llamadas al sistema y el hardware – No dividido en módulos – Interfaces y niveles de funcionalidad no separados • Ej: Monitor o ejecutivo (MS-DOS) – Escritos para funcionalidad específica y gestionar hardware reducido – Monoproceso

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Sistemas monolíticos II Programas de usuario Intérprete Programas de mandatos de sistema Llamadas al sistema POSIX

Win32

Núcleo Servidores Ficheros Memoria Protección Comunicaciones

Manejadores Teclado Ratón Disco

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Sistemas modulares I • Núcleo: – Dividido en módulos con funcionalidad e interfaces claramente definidos – Modular y estructurado – Se pueden sustituir componentes por otros con el mismo interfaz (manejadores, sistemas de ficheros, ...) – Un único trap, el proceso existe en dos modos • Ej: UNIX, LINUX • Muchas funcionalidades • Multiproceso y multiusuario 43 /58

Sistemas modulares II Programas de usuario Intérprete Programas de mandatos de sistema Llamadas al sistema POSIX

Win32

Núcleo Servidores Ficheros Memoria Protección Comunicaciones

Manejadores Teclado Ratón Disco

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Sistemas por capas • Núcleo: – Dividido en múltiples niveles, capas de una cebolla – El más alto la interfaz de llamadas – Cada nivel usa únicamente servicios del inferior y da servicio al superior – Comunicación entre capas vía traps • Ej: THE, Multics • Problema: – Una llamada puede necesitar varios niveles de traps

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Sistemas con micronúcleo • Núcleo: – Reducido a las funcionalidades mínimas imprescindibles – Se sacan fuera del núcleo los demás servicios – Comunicación vía paso de mensajes

• Servidores: – Hilos de ejecución independiente – Los más altos ofrecen la interfaz de llamadas – Los más bajos gestionan el hardware

• Problema: – Una llamada puede necesitar muchos mensajes

• Ventaja: – Piezas separables, paso a SO Distribuido

• Ej: MINIX, Mach (Windows-NT) 46 /58

4. MAQUINAS VIRTUALES

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Máquinas virtuales I • Una MV crea una copia idéntica del hardware – Procesador con su propia memoria y E/S – Sobre una MV se puede ejecutar cualquier SO – Sobre el mismo computador varios SSOO a la vez

• El Monitor de MVs ejecuta sobre el HW real ¿Cómo se hace? – Planificación UCP para MV ? multiproceso – Spooling y sistema ficheros ? multiplexación E/S – MV del operador ? control del sistema

• Ventajas: – Protección sencilla, muy modular, bueno para investigación y desarrollo (SO distribuido)

• Inconvenientes: – Difícil compartir recursos – Difícil implementar duplicados exactos del HW

• Usado para emular SSOO sobre otros • Ej. VM-370, MS-DOS en Windows, VMware 48 /58

Máquinas virtuales II 370 virtual

trap Instrucciones de E/S

trap CMS

MS-DOS

Llamadas al sistema

OS/2

Monitor de máquinas virtuales Hardware desnudo

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DISEÑO E IMPLEMENTACION.

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Aspectos de Diseño e Implem. • Objetivos de diseño • Implementación • Arranque del sistema

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Objetivos de diseño de un SO • Para el usuario: – Fácil de usar, fiable, seguro, potente y sencillo • Internamente: – Fácil de implementar y mantener – Flexible, fiable, eficiente y estar libre de errores • Diferenciar claramente entre: – Mecanismos: qué cosas se pueden hacer – Políticas: criterio para decidir qué hacer – Separarlos es importante para poder afinar bien los sistemas

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Implementación del sistema • Tradicionalmente: ensamblador • Actualmente: C y ensamblador • Uso lenguaje alto nivel: – Desarrollo más rápido – Más fácil de comprender y depurar – Más fácil de transportar de un hardware a otro (Ej. UNIX, Linux, Windows-NT) • Base: – HAL (Hardware Abstraction Layer) – Oculta los detalles específicos de la arquitectura – Proporciona una interfaz de alto nivel 53 /58

Arranque del sistema 1.

Cargador ROM –

2.

Master Record Boot (sector de arranque) –

3.

Inicializa el núcleo Arranca e inicializa los manejadores de los dispositivos existentes Crea el primer proceso (PID==1) init.

Proceso init – – – –

5.

Carga y ejecuta el ejecutable del SO

Ejecutable del SO – – –

4.

Carga y ejecuta el MRB

Ejecuta scripts del nivel (rc.#) Se lanzan los servidores Sigue el guión inittab Crea un proceso login por terminal

Proceso login – –

Autentifica el acceso de usuarios al sistema Crea un shell (intérprete de mandatos) 54 /58

BIBLIOGRAFIA 1. Sistemas Operativos, 2da Edición (1997) William Stallings, Prentice Hall España 2. Sistemas Operativos, conceptos fundamentales , 3ra. Edición (1994) A. Silberschatz, J. Peterson, P. Galvin, Addison-Wesley Publishing Company USA 3. Sistemas Operativos, 2da Edición (1993), H. M. Deitel, Addison-Wesley Publishing Company USA

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PREGUNTAS

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