Computadores y Comunicaciones. Tema 5: Software y sistemas operativos

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1 Computadores y Comunicaciones Tema 5: Software y sistemas operativos Febrero, 2011 Jorge Juan Chico <jjchico@dte.us.es>, Julián Viejo Cortés <julian@dte.us.es> Departamento de Tecnología Electrónica Universidad de Sevilla Usted es libre de copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra y de hacer obras derivadas siempre que se cite la fuente y se respeten las condiciones de la licencia Attribution-Share alike de Creative Commons. Puede consultar el texto completo de la licencia en Objetivos Conocer el tipo de instrucciones que ejecuta la CPU de un ordenador Comprender los procesos de compilación y ensamblado de los programas de ordenador Conocer la forma en que se organiza el software para crear programas complejos Conocer las funciones de los sistemas operativos bajo la perspectiva de los distintos tipos de usuarios Conocer la evolución histórica de los sistemas operativos y relacionarla con los cambios en la forma de usar el ordenador Conocer los tipos de tareas principales que realiza un sistema operativo moderno 2

2 Contenidos Lenguaje máquina y ensamblador Jerarquía del software Sistema operativo. Bibliotecas. Aplicaciones. Funciones del sistema operativo Para el usuario. Para el programador. Tareas del sistema operativo Evolución. Gestión de procesos. Gestión de memoria. Gestión de E/S 3 Lenguaje máquina y ensamblador Lenguaje (código) máquina: código binario de las instrucciones que ejecuta la CPU Lenguaje ensamblador: representación del lenguaje máquina mediante palabras clave fáciles de entender para el programador Ensamblador eax, 4 ebx, 0 ecx, x top: add ebx, [ecx] add ecx, 4 dec eax jnz top done: [sum], ebx Código máquina b0 b804 b5 bb ba b9d060 bf c2 c104 c5 c8 75f6 c9 891c2560 4

3 Lenguaje ensamblador Ejemplo ; ejemplo introductorio; suma los números de de una lista SECTION.data ; comienzo del del segmento de de datos global x x: x: dd dd 1 dd dd 5 dd dd 2 dd dd sum: dd dd 0 SECTION.text ; comienzo del del segmento de de código eax, 4 ; EAX servirá de de contador para el el ; número de de datos que quedan por sumar ebx, 0 ; EBX EBX almacenará la la suma ecx, x ; ECX ECX apunta al al siguiente elemento ; a sumar top: add ebx, [ecx] add add ecx, 4 ; mueve el el puntero al al siguiente elemento dec dec eax eax ; decrementa el el contador jnz jnz top top ; si si el el contador no no es es 0, 0, repetir done: [sum], ebx ; hecho, almacena el el resultado en en [sum] 5 Compiladores suma2.c #include <stdio.h> int int main(void) { int int x[] x[] {1, {1, 5, 5, 2, 2, 18}; 18}; int int cont cont 4; 4; int int sum sum 0; 0; int int i 0; 0; while while (cont (cont > 0) 0) { sum sum sum sum + x[i]; x[i]; i++; i++; cont--; } printf("sum %d\n", sum); } Compilador suma2.o 0: 0: 8d 8d 4c 4c lea lea ecx,[esp+4] 4: 4: and and esp,0x esp,0x 7: 7: push push [ecx-4] [ecx-4] a: a: push push ebp ebp b: b: e5 e5 ebp,esp ebp,esp d: d: push push ecx ecx e: e: ec ec sub sub esp,0x34 esp,0x34 11: 11: [ebp-32],0x1 [ebp-32],0x1 18: 18: [ebp-28],0x5 [ebp-28],0x5 1f: 1f: e8 e [ebp-24],0x2 [ebp-24],0x2 26: 26: ec ec [ebp-20],0x12 [ebp-20],0x12 2d: 2d: [ebp-16],0x4 [ebp-16],0x4 34: 34: [ebp-12],0x0 [ebp-12],0x0 3b: 3b: [ebp-8],0x0 [ebp-8],0x0 42: 42: eb eb jmp jmp <main+0x54> : : eax, eax, [ebp-8] [ebp-8] 47: 47: eax, eax, [ebp+eax*4-32] [ebp+eax*4-32] 4b: 4b: add add [ebp-12],eax [ebp-12],eax 4e: 4e: inc inc [ebp-8] [ebp-8] 51: 51: 4d 4d dec dec [ebp-16] [ebp-16] 54: 54: 7d 7d cmp cmp [ebp-16],0x0 [ebp-16],0x0 58: 58: 7f 7f ea ea jg jg <main+0x> <main+0x> 5a: 5a: eax, eax, [ebp-12] [ebp-12] 5d: 5d: [esp+4],eax [esp+4],eax 61: 61: [esp],0x0 [esp],0x0 68: 68: e8 e8 call call <main+0x69> <main+0x69> 6d: 6d: c4 c add add esp,0x34 esp,0x34 70: 70: pop pop ecx ecx 71: 71: 5d 5d pop pop ebp ebp 72: 72: 8d 8d lea lea esp,[ecx-4] esp,[ecx-4] 75: 75: c3 c3 ret ret 9

4 Compiladores. Enlazado #include #include <stdio.h> <stdio.h> int int main(void) main(void) { int int x[] x[] {1, {1, 5, 5, 2, 2, 18}; 18}; int int cont cont 4; 4; int int sum sum 0; 0; int int i i 0; 0; while while (cont (cont > > 0) 0) { sum sum sum sum + x[i]; x[i]; i++; i++; cont--; cont--; } printf("sum printf("sum %d\n", %d\n", sum); sum); } Interpretan un lenguaje de programación de alto nivel y generan código máquina que puede ejecutar la CPU Compilador biblioteca (printf,...) suma.o Enlazador suma 10 Compilación. Comparativa eax, eax, 4 ebx, ebx, 0 ecx, x top: top: add add ebx, ebx, [ecx] [ecx] add add ecx, 4 dec dec eax eax jnz jnz top top done: done: [sum], [sum], ebx ebx #include #include <stdio.h> <stdio.h> int int main(void) main(void) { int int x[] x[] {1, {1, 5, 5, 2, 2, 18}; 18}; int int cont cont 4; 4; int int sum sum 0; 0; int int i 0; 0; while while (cont (cont > 0) 0) { sum sum sum sum + x[i]; x[i]; i++; i++; cont--; } printf("sum printf("sum %d\n", %d\n", sum); sum); } 0: 0: 8d 8d 4c 4c lea lea ecx,[esp+4] 4: 4: and and esp,0x esp,0x 7: 7: push push [ecx-4] [ecx-4] a: a: push push ebp ebp b: b: e5 e5 ebp,esp ebp,esp d: d: push push ecx ecx e: e: ec ec sub sub esp,0x34 esp,0x34 11: 11: [ebp-32],0x1 [ebp-32],0x1 18: 18: [ebp-28],0x5 [ebp-28],0x5 1f: 1f: e8 e [ebp-24],0x2 26: 26: ec ec [ebp-20],0x12 [ebp-20],0x12 2d: 2d: [ebp-16],0x4 [ebp-16],0x4 34: 34: [ebp-12],0x0 3b: 3b: [ebp-8],0x0 [ebp-8],0x0 42: 42: eb eb jmp jmp <main+0x54> <main+0x54> : : eax, eax, [ebp-8] [ebp-8] 47: 47: eax, eax, [ebp+eax*4-32] [ebp+eax*4-32] 4b: 4b: add add [ebp-12],eax [ebp-12],eax 4e: 4e: inc inc [ebp-8] [ebp-8] 51: 51: 4d 4d dec dec [ebp-16] [ebp-16] 54: 54: 7d 7d cmp cmp [ebp-16],0x0 [ebp-16],0x0 58: 58: 7f 7f ea ea jg jg <main+0x> 5a: 5a: eax, eax, [ebp-12] [ebp-12] 5d: 5d: [esp+4],eax [esp+4],eax 61: 61: [esp],0x0 [esp],0x0 68: 68: e8 e8 call call <main+0x69> <main+0x69> 6d: 6d: c4 c add add esp,0x34 esp,0x34 70: 70: pop pop ecx ecx 71: 71: 5d 5d pop pop ebp ebp 72: 72: 8d 8d lea lea esp,[ecx-4] 75: 75: c3 c3 ret ret 11

5 Contenidos Lenguaje máquina y ensamblador Jerarquía del software Sistema operativo. Bibliotecas. Aplicaciones. Funciones del sistema operativo Para el usuario. Para el programador. Tareas del sistema operativo Evolución. Gestión de procesos. Gestión de memoria. Gestión de E/S 12 Jerarquía del software Software Aplicaciones Sistema Operativo Hardware 13

6 Jerarquía del software aplicaciones usuario utilidades desarrollador bibliotecas kernel S.O. implementador hardware 14 Contenidos Lenguaje máquina y ensamblador Jerarquía del software Sistema operativo. Bibliotecas. Aplicaciones. Funciones del sistema operativo Para el usuario. Para el programador. Tareas del sistema operativo Evolución. Gestión de procesos. Gestión de memoria. Gestión de E/S 15

7 Funciones del S.O. El Usuario: interfaz Software genérico que viene instalado con el ordenador Interfaz hombre/máquina: interfaz de usuario Utilidades varias: editor de textos, calculadora, etc. Aplicaciones de uso general: reproductor multimedia, navegador web, correo electrónico, etc. Funciones del S.O. El programador: interfaz de programación Funciones y utilidades básicas que permiten la instalación y desarrollo de otras aplicaciones Programas básicos: editor de textos, comandos básicos Biblioteca de funciones básicas Herramientas de desarrollo: compilador, enlazador, ensamblador, etc.

8 Funciones del S.O. El Implementador: máquina virtual Como gestor de recursos y controlador de la ejecución de procesos. Abstracción del hardware Gestión de archivos Gestión de memoria Gestión de tareas Gestión de entrada/salida Máquina virtual

9 Contenidos Lenguaje máquina y ensamblador Jerarquía del software Sistema operativo. Bibliotecas. Aplicaciones. Funciones del sistema operativo Para el usuario. Para el programador. Tareas del sistema operativo Evolución. Gestión de procesos. Gestión de memoria. Gestión de E/S 20 Evolución de los S.O. Sistemas sin S.O. programación directa en código máquina los programas (cada instrucción) se cargan en memoria directamente (ej: mediante tarjetas perforadas) los errores se indican con indicadores luminosos Sistemas primitivos existe software pre-programado de uso general ensambladores, compiladores, bibliotecas,... se escriben programas en lenguajes de alto nivel planificación de tareas manual tiempo de preparación alto, grandes pausas entre tareas gran desperdicio de tiempo de CPU entrada: tarjetas/cinta magnética salida: impresora

10 Evolución de los S.O. Sistemas de colas sencillos trabajos ordenados en una cola de entrada monitor residente: programa que carga y ejecuta trabajos automáticamente preparación automática: lenguaje de control de trabajos soporte del hardware: interrupciones protección de memoria temporización instrucciones privilegiadas: E/S, etc. inconveniente: pérdida de tiempo de CPU durante E/S Evolución de los S.O. Sistemas de colas sofisticados Multiprogramación: varios programas cargados en memoria a la vez necesaria protección de memoria necesaria planificación de tareas Un nuevo proceso pasa a ejecutarse cuando otro está en espera de que concluya una operación de E/S Soporte del hardware múltiples interrupciones acceso directo a memoria (DMA) Sistemas de tiempo compartido Uso interactivo del sistema Ejecución de tareas de forma casi simultánea multitarea preeventiva

11 Tareas de los S.O. Planificación de procesos asignación eficiente de recursos a programas en ejecución implementación de la multitarea protección entre procesos comunicación entre procesos Gestión de memoria asignación dinámica de memoria protección de memoria implementación de la memoria virtual Gestión de entrada/salida (E/S) control del acceso a E/S gestión de permisos implementación de sistemas de archivos

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