Sistemas Operativos. DIA. Universidad de Salamanca 1. Bibliografía. A. A. S. S. Tanenbaum SISTEMAS SISTEMAS OPERATIVOS. A.S. A.S. Tanenbaum.

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1 Sistemas Operativos Dpto. Dpto. Informática Automática Universidad Salamanca 1 Bibliografía MODERN MODERN OPERATING OPERATING SYSTEMS SYSTEMS A. A. S. S. Tanenbaum Tanenbaum Prentice-Hall Prentice-Hall International, International, SISTEMAS SISTEMAS OPERATIVOS OPERATIVOS Stallings Stallings Prentice PrenticeHall, ORGANIZACIÓN ORGANIZACIÓN DE DE COMPUTADORAS. COMPUTADORAS. A.S. A.S. Tanenbaum. Tanenbaum. Prentice PrenticeHall, Sistemas Operativos Dpto. Informática

2 Contenido: 1 Introducción Qué Quées es un un Sistema Sistema Operativo? Operativo? Historia Historia Sistemas Sistemas Operativos. Operativos Conceptos Conceptos sobre sobre Sistemas Sistemas Operativos. Operativos Estructura Estructura Sistemas Sistemas Operativos. Operativos. 2 Procesos Introducción Introducción a Procesos. Procesos Comunicación Comunicación entre entre Procesos. Procesos Problemas Problemas Clásicos Clásicos Comunicación. Comunicación Planificación Planificación (Scheduling) (Scheduling) Procesos. Procesos. 3 Contenido: (II) (II) 3 Gestión Memoria Gestión Gestión Memoria Memoria sin sin Swapping Swappingo Paginación. Paginación Swapping. Swapping Memoria Memoria Virtual. Virtual Algoritmos Algoritmos Desalojo Desalojo Páginas. Páginas Algoritmos Algoritmos Paginación. Paginación Diseño Diseño Mo Mo Sistemas Sistemas Paginación. Paginación Segmentación. Segmentación. 4 Sistemas Ficheros Ficheros. Ficheros Directorios. Directorios Implementación Implementación l l Sistema Sistema Ficheros. Ficheros Seguridad. Seguridad Mecanismos Mecanismos Protección. Protección. 4 Sistemas Operativos Dpto. Informática

3 Contenido: (III) 5 Entrada/Salida Principios Principios Hardware Hardware E/S. E/S Principios Principios Software Software E/S. E/S Disco. Disco Relojes. Relojes Terminales. Terminales. 5 Contenido: (IV) 7 Caso Caso Estudio 1 :: Unix Unix Historia Historia l l Unix. Unix Repaso Repaso Unix. Unix Conceptos Conceptos Fundamentales. Fundamentales Llamadas Llamadas l l Sistema. Sistema Implementaciones Implementaciones Unix. Unix. 6 Sistemas Operativos Dpto. Informática

4 Introducción Introducción Los Los ornadores ornadores sin sin un un software software acuado acuado son son prácticamente prácticamente chatarra. chatarra. Dos Dos clases clases Software: Software: programas programas l l sistema, sistema, que que controlan controlan las las operaciones operaciones l l computador computador en en si, si, programas programas aplicación, aplicación, que que resuelven resuelven problemas problemas usuarios. usuarios. Entre Entre programas programas l l sistema, sistema, el el Sistema Sistema Operativo Operativo es es el el más más importante importante :: controla controla recursos recursos l l computador computador (uno (uno o o más más procesadores, procesadores, memoria, memoria, discos, discos, interfaces interfaces red, red, dispositivos dispositivos E/S, E/S, etc), etc), sirve sirve base base para para que que sean sean escritos escritos programas programas aplicación. aplicación. 7 Introducción Gestión Bancos Reserva Vue Juegos Aventuras Programas Aplicaciones Compiladores Editores Sistema Operativo Intérpretes comandos Programas Sistema Lenguaje Máquina Microprogramación Hardware Dispositivos Físicos Un computador está compuesto por el hardware, programas sistema las aplicaciones. 8 Sistemas Operativos Dpto. Informática

5 Capas un un sistema informático 9 Niveles tratamiento Se Se suele suele dividir dividir el el tratamiento computadores en en seis seis niveles siguientes :: 10 Sistemas Operativos Dpto. Informática

6 Molo Von Neumann En En se se publicó un un informe en en el el que que se se establecieron fundamentos las las computadoras actuales. Los Los dos dos puntos principales fueron: Concepto Concepto programa programa almacenado. almacenado. Utilización Utilización l l sistema sistema binario binario numeración. numeración. El El esquema propuesto, conocido como como molo Von VonNeumann se se usó usó por por vez vez primera en en la la máquina IAS IAS (Institute for foradvanced Studies), la la Universidad Princeton. En la memoria se almacenan datos secuencias instrucciones. La Unidad Control termina el conjunto acciones a ejecutar por la unidad Aritmética Lógica El conjunto UC-UAL se llama Unidad Central Proceso (UCP) 11 Diferentes tipos datos: 12 Sistemas Operativos Dpto. Informática

7 Un computador completo: 13 Computador completo con con más más talle 14 Sistemas Operativos Dpto. Informática

8 CPU 15 Memoria Principal 16 Sistemas Operativos Dpto. Informática

9 Un computador completo 17 Qué Quées es un un Sistema Operativo? Introducción Casi Casi todos todos sabemos sabemos qué quése se está estáhablando, pero pero no no resulta resulta fácil fácil finirlo. finirlo. Existen Existen dos dos finiciones finiciones que, que, en en cierto cierto modo, modo, se se complementan: complementan: Conjunto Conjunto programas programas encargados encargados gestionar gestionar forma forma eficiente eficiente todos todos recursos recursos un un sistema sistema informático informático entre entre todos todos procesos procesos que que compiten compiten por por el. el. Conjunto Conjunto programas programas encargados encargados dar dar al al usuario usuario la la ilusión ilusión estar estar utilizando utilizando una una máquina máquina relativamente relativamente simple, simple, ocultando ocultando todos todos talles talles implementación implementación (principio (principio embellecimiento) embellecimiento).. 18 Sistemas Operativos Dpto. Informática

10 Introducción El El Sistema Operativo como como una una Máquina Virtual. A 640 R0 R1 R2 B 121 sumador Sistema Sistema Operativo Operativo A=640; B=121; C=A+B; Unidad Aritmético Lógica C 761 LOAD 640, A LOAD 121, B MOV A, RO MOV B, R1 ADD R0, R1 MOV R0, C Programa Memoria Código Máquina 19 Introducción El El Sistema Operativo como como un un Gestor Gestor Recursos. Usuario 1 Recurso 1 Usuario 2 Sistema Sistema Operativo Operativo Recurso 2 Usuario n Recurso m Peticiones Respuestas 20 Sistemas Operativos Dpto. Informática

11 Gestor recursos 21 Introducción Historia Sistemas Operativos. Primer Primer computador computador digital: digital: la la Máquina Máquina Analítica Analítica Charles Charles Babbage Babbage ( ). ( ). No No tenía tenía sistema sistema operativo. operativo La La Primera Primera Generación Generación ( ): ( ): Válvulas Válvulas Vacio Vacio Tableros Tableros Conexiones: Conexiones: Los Los programas programas eran eran cableados cableados no no existía existía el el sistema sistema operativo. operativo. Tarjetas Tarjetas perforadas. perforadas. Un Un mismo mismo grupo grupo gente gente diseñaba, diseñaba, construía, construía, programaba programaba mantenía mantenía cada cada computador. computador. 22 Sistemas Operativos Dpto. Informática

12 23 24 Sistemas Operativos Dpto. Informática

13 25 Calculadora (1700) Deutsches Museum Munich 26 Sistemas Operativos Dpto. Informática

15 29 La La Máquina Análítica La primera máquina calcular Babbage Reproducción en el Museo Ciencias Londres. 30 Sistemas Operativos Dpto. Informática

17 33 MARK II 34 Sistemas Operativos Dpto. Informática

18 ENIAC 35 ENIAC 36 Sistemas Operativos Dpto. Informática

19 Von VonNeumann 37 Tabuladora perdoradora fichas (1948) 38 Sistemas Operativos Dpto. Informática

20 Ornadores Primera Generación Memoria tambor magnético 39 Introducción La La Segunda Generación ( ): El El Transistor Sistemas Batch. Batch. La La introducción introducción l l transistor transistor cambió cambióradicalmente la la escena. escena. Los Los computadores computadores se se podían podían comercializar comercializar comprar. comprar. Separación Separación entre entre diseñadores diseñadores usuarios. usuarios. entrada proceso salida $END $RUN $LOAD $FORTRAN $JOB,10,3,pepe Datos Programa FORTRAN 40 Sistemas Operativos Dpto. Informática

21 Ejemplo trabajo en en la la segunda generación Un Un ejemplo conjunto fichas fichas perforadas para para ejecutar un un programa en en Fortran con con el el sistema Operativo FMS: FMS: $JOB, 5494, LUIS $XEQ $FORTRAN $DATA $END Fichas para la gestión l CPD Llamada al compilador Fortran Fichas con el programa en Fortran Fichas con datos para el programa Fortran 41 Ornador cálculo tiro (1961) Museo Naval El Ferrol 42 Sistemas Operativos Dpto. Informática

22 IBM 7094 (1962) El IBM 7094 la Universidad Columbia. (1965) 43 Introducción La La Tercera Generación ( ): ICs ICs Multiprogramación. Dos Dos tenncias tenncias :: cálculo cálculo científico científico tratamiento tratamiento masivo masivo datos. datos. Exigencia Exigencia más más rapiz. rapiz. Familia Familia computadores computadores :: misma misma arquitectura, arquitectura, diferente diferente precio precio prestaciones prestaciones circuitos circuitos integrados integrados (ICs) (ICs) SO SO versátiles, versátiles, grans grans complejos. complejos. multiprogramación multiprogramación partición partición memoria memoria spooling Particiones spooling tiempo tiempo compartido compartido Memoria Trabajo 3 Trabajo 2 Trabajo 1 Sistema Operativo 44 Sistemas Operativos Dpto. Informática

23 IBM 360/91 (1969) Un IBM 360/91 en la NASA (1969) El Sistema Operativo era OS/360 VAX 11 DEC (1978) El Sistema Operativo era VMS 45 Olivetti Sistemas Operativos Dpto. Informática

24 Introducción La La Cuarta Cuarta Generación ( ): Ornadores Personales. circuitos circuitos integrados integrados alta alta escala escala integración integración (VLS). (VLS). computadores computadores personales personales workstations. workstations. industria industria l l software, software, user-friendl user-friendl, usuarios usuarios no no tienen tienen que que saber saber nada nada sobre sobre informática. informática. dos dos SOs SOs :: el el MS-DOS MS-DOS (PCs (PCsIntel x86) 80x86) el el UNIX UNIX (WSs). (WSs). res res PCs PCs :: SO SO red red SO SO distribuidos. distribuidos. SO SO red, red, usuarios usuarios conocen conocen la la existencia existencia multiples multiples computadores. computadores. SO SO distribuido, distribuido, usuarios usuarios no no berían berían saber saber dón dón se se están están ejecutando ejecutando sus sus programas, programas, o o dón dón están están localizados localizados sus sus ficheros. ficheros Actualidad LA LA revolución revolución maor maor está estáproducida por por la la Red Red res res (Internet) (Internet) que que ha ha producido producido una una serie serie fenómenos fenómenos tecnológicos tecnológicos,, sobre sobre todo, todo, sociológicos sociológicos cuo cuo alcance alcance está está todavía todavía por por terminar. terminar. Amás, Amás, avances avances en en la la microelectrónica microelectrónica scensos scensos en en costes costes han han hecho hecho que que computadores computadores estén estén presentes presentes en en casi casi todos todos ámbitos. ámbitos. 47 Spectrum 1982 Procesador Zilog Zilog Z80A Z80A 8 bit bit a 3,5 3,5 MHZ, MHZ, memória 64K 64K (ROM, RAM) RAM) UAL. UAL. La La ROM, ROM, con con 16K, 16K, almacenaba modo modo permanente programas, tablas etc. etc. necesarios para para el el funcionamiento l l sistema un un interprete BASIC. La La RAM RAM tenía tenía un un área área trabajo 48K. 48K. Foto: Museo Virtual la Universidad Minho (Portugal) 48 Sistemas Operativos Dpto. Informática

25 Ornadores personales Osborne 1 (1982) Primer ornador potátil (11 Kg) MacIntosh (1984) 49 Le Moore evolución tecnológica 50 Sistemas Operativos Dpto. Informática

26 Algunos hitos en en la la historia computadores Año Z1 COLOSSUS Mark 1 ENIAC IAS PDP-1 Serie PDP-11 VAX IBM PC HP UX MIPS SPARC Pentium Nombre Máquina Analítica K. Zuse Gobierno Británico H. Aiken Von Neumann Digital IBM CDC Digital Digital IBM Hewlett Packard MIPS SUN Intel Hecho por C. Babbage Eckert, Mauchl Máquina relés. Primer computador electrónico Primer electromecánico Inicio la historia. Arquitectura actual Primer minicomputador (se vendieron 50) Primera familia productos. Primer superornador Mini más vendido Comentario Primer intento construcción Mini-super-ornador Primer computador personal Version comercial Unix. Primera máquina RISC Primera máquina RISC-SPARC Procesador 32 bits computador 51 Microsoft 52 Sistemas Operativos Dpto. Informática

27 53 Organización típica un un computador. 54 Sistemas Operativos Dpto. Informática

28 Ciclo básico instrucción 55 Algunas mejoras sobre Von Neumann(1) 56 Sistemas Operativos Dpto. Informática

29 Algunas mejoras sobre Von Neumann(2) 57 Algunas mejoras sobre Von Neumann(3) Máquinas superescalares :: 58 Sistemas Operativos Dpto. Informática

30 Algunas mejoras sobre Von Neumann(4) Sistemas multiprocesadores :: 59 Componentes un un Sistema Operativo 60 Sistemas Operativos Dpto. Informática

31 Introducción Conceptos sobre sobre Sistemas Operativos. Llamadas Llamadas al al Sistema Sistema :: interface interface entre entre el el SO SO programas programas usuario. usuario. crean, crean, borran borran utilizan utilizan objetos objetos software software gestionados gestionados por por el el SO. SO. Procesos. Procesos. Ficheros. Ficheros. 61 Introducción Procesos Genérico: Genérico: Proceso Proceso = secuencia secuencia actividas actividas llevadas llevadas a cabo cabo para para un un propósito propósito específico. específico. Por Por ejemplo, ejemplo, proceso proceso penal, penal, proceso proceso químico, químico, etc. etc. Informática Informática :: proceso proceso = programa programa en en ejecución ejecución toda toda la la información información necesaria necesaria para para ejecutar ejecutar el el programa. programa. En En sistemas sistemas tiempo tiempo compartido, compartido, cuando cuando se se suspen suspen la la ejecución ejecución un un proceso proceso be be guardarse guardarse su su estado estado para para por por restaurarlo restaurarlo spués: spués: Tabla Tabla Procesos. Procesos. Proceso 1 Proceso 2 Proceso 3 Proceso n direcciones datos P. C. Stack Pointer Pila Registros Estructura relativa a un Proceso Tabla Procesos Creación Creación strucción strucción Procesos Procesos hijo hijo Comunicación Comunicación entre entre procesos: procesos: señales señales Intificación Intificación procesos procesos 62 Sistemas Operativos Dpto. Informática

32 Introducción Ficheros el el SO SO se se encarga encarga presentarnos presentarnos un un molo molo sistema sistema ficheros ficheros inpendiente inpendiente dispositivo dispositivo las las llamadas llamadas al al sistema sistema se se encargan encargan las las operaciones operaciones con con ficheros ficheros directorio: directorio: una una manera manera organizar organizar agrupar agrupar ficheros ficheros jerarquía jerarquía directorios, directorios, árbol árbol directorios directorios path pathname root rootdirector proceso proceso pipe working workingdirector A B sistema sistema protección protección ficheros ficheros dispositivos dispositivos E/S E/S vistos vistos como como ficheros ficheros pipes pipes 63 Las Las Llamadas al al Sistema Introducción count=read(file,buffer,nbtes) Programa usuario READ file,buffer,nbtes Llamada al sistema Sistema Ficheros file disco nbtes cilindro buffer pista read Biblioteca Procedimiento Procedimientos lectura RETURN FROM TRAP TRAP datos Sistema Sistema Operativo Operativo 64 Sistemas Operativos Dpto. Informática

33 Introducción El El Shell Shell compiladores editores etc... tratamiento las llamadas al sistema Sistema Operativo intérprete comandos $ $ date $ date >fichero $ sort <fichero1 >fichero2 $ cat file1 file2 sort >/v/lp $ cat file1 file2 sort >/v/lp & $ Herramientas Shell Terminal usuario 65 Introducción Estructura l l Sistema Operativo Hasta Hasta ahora ahora hemos hemos estado estado analizando analizando al al SO SO s s fuera, fuera, s s su su función función objetivos. objetivos. En En esta esta sección sección vamos vamos a examinar examinar cuatro cuatro diferentes diferentes estructuras estructuras l l mismo mismo que que han han sido sido probadas, probadas, para para por por hacernos hacernos una una ia ia las las posibilidas. posibilidas. 66 Sistemas Operativos Dpto. Informática

34 Sistemas Monolíticos Llamada al Sistema Introducción Programa Usuario 2 Programa Usuario 1 Programas Usuario Ejecutandose en Modo Usuario Memoria Principal (1) (2) Tabla (4) (3) Procedimiento Servicio Sistema Operativo Ejecutandose en Modo Supervisor o kernel Pasos implicados en una llamada al sistema : (1) programa usuario manda una llamada (TRAP) al kernel. (2) El SO termina el numero l procedimiento servicio requerido. (3) El SO localiza llama al procedimiento servicio implicado. (4) El control es vuelto al programa usuario. 67 Sistemas Monolíticos (cont.) (cont.) Introducción Esta Esta organización organización sugiere sugiere la la siguiente siguiente estructura estructura básica básica l l SO: SO: Un Un programa programa principal principal que que invoca invoca al al procedimiento procedimiento respuesta respuesta servicio. servicio Un Un conjunto conjunto procedimientos procedimientos servicio servicio que que tratan tratan las las llamadas llamadas al al sistema. sistema Un Un conjunto conjunto procedimientos procedimientos utilidad utilidad que que aun aun a a procedimientos procedimientos servicio. servicio. Procedimiento Principal Procedimientos Servicio Procedimientos Utilidas 68 Sistemas Operativos Dpto. Informática

35 Introducción Sistemas Estructurados por por Capas. Capas. Una Una generalización generalización la la aproximación aproximación anterior anterior es es organizar organizar el el SO SO como como una una jerarquía jerarquía a capas, capas, cada cada una una las las cuales cuales está estáconstruida sobre sobre otra otra que que está estápor por bajo bajo ella. ella. Ejemplo Ejemplo :: el el THE THE El Operador Programas Usuario Gestión E/S Comunicación Operador-Procesos Gestión Memoria Localización Procesos Multiprogramación Estructura l Sistema Operativo THE 69 Máquinas Virtuales Introducción tiempo tiempo compartido compartido separar separar la la multiprogramación multiprogramación la la máquina máquina extendida extendida Monitor Monitor Máquina Máquina Virtual Virtual :: justo justo por por encima encima l l hardware, hardware, permite permite multiprogramación multiprogramación proporciona proporciona varias varias máquinas máquinas virtuales. virtuales. Máquina Máquina Virtual: Virtual: copia copia exacta exacta l l hardware hardware subacente. subacente. Conversational ConversationalMonitor Sstem Sstem :: sistema sistema interactivo interactivo monousuario. monousuario. Máquinas 370 virtuales Instrucción E/S se atrapa aquí. Usuario1 Usuario1 Usuario1 CMS CMS CMS VM/370 Hardware l 370 Llamada al sistema se atrapa aquí. Estructura l VM/370 con CMS 70 Sistemas Operativos Dpto. Informática

36 Introducción Molo Cliente-Servidor Kernel Kernelmínimo Proceso Proceso cliente, cliente, (modo (modo usuario), usuario), solicita solicita servicio servicio (mediante (mediante mensajes mensajes que que maneja maneja el el kernel), kernel), que queefectua efectuael el proceso proceso servidor servidor (modo (modo usuario) usuario) Problema: Problema: procesos procesos usuarios usuarios sin sin acceso acceso total total a hardware hardware Solución: Solución: procesos procesos servidores servidorescriticos criticosen en modo modokernel kernelo supervisor. supervisor. jar jar en enkernel kernelmecanismos las las políticas políticas cisión cisión en en procesos procesos modo modo usuario. usuario. Proceso Cliente Proceso Cliente Servidor Servidor Servidor Servidor Procesos Terminales Ficheros Memoria Modo Usuario Kernel Modo Kernel El Cliente obtiene Servicio mandando Mensajes al Servidor 71 Introducción Molo Cliente-Servidor (cont.) (cont.) sistemas sistemas distribuidos: distribuidos: el el cliente cliente no no necesita necesita conocer conocer si si el el mensaje mensaje se se queda queda en en su su propia propia máquina máquina o si si navega navega a través través la la red red hacia hacia una una máquina máquina remota. remota. Máquina 1 Máquina 2 Máquina 3 Máquina 4 Cliente Servidor Ficheros Servidor Procesos Servidor Terminales Kernel Kernel Kernel Kernel Mensaje l Cliente al Servidor Red 72 Sistemas Operativos Dpto. Informática

37 Estructura un un sistema Unix Unixtípico :: 73 Estructura Windows Sistemas Operativos Dpto. Informática

38 Caracteristicas Sistemas Operativos Actuales Arquitectura Arquitectura micronúcleo micronúcleo (MICROKERNEL) (MICROKERNEL) architecture architecture El El núcleo núcleo solamente solamente tiene tiene unas unas pocas pocas funciones funciones esenciales: esenciales: address address space space interprocess interprocess communication communication (IPC) (IPC) basic basic scheduling scheduling Multihilo Multihilo(Multithreading Los Los procesos procesos se se divin divin en en hi hi que que puen puen ejecutarse ejecutarse simultánemente simultánemente Hilo Hilo : : mínima mínima unidad unidad trabajo trabajo spachable spachable Se Se ejecuta ejecuta forma forma secuencial secuencial es es interrumpible interrumpible Un Un proceso proceso es es una una colección colección uno uno o o más más hi hi Multiproceso Multiprocesosimétrico simétrico (Smmetric (Smmetric multiprocessing) multiprocessing) Ha Ha múltiples múltiples procesadores. procesadores. Todos Todos procesadores procesadores son son idénticos idénticos comparten comparten la la memoria memoria la la E/S E/S Sistemas SistemasOperativos OperativosDistribuidos (Distributed (Distributed operating operating sstems) sstems) Dan Dan la la ilusión ilusión una una única única memoria memoria enorme enorme (principal (principal secundaria) secundaria) Usado Usado para para sistemas sistemas ficheros ficheros distribuidos. distribuidos. Diseño DiseñoOrientado Orientadoa Objetos Objetos (Object-oriented (Object-oriented sign) sign) Para Para añadir añadir extensiones extensiones modulares modulares a a un un núcleo núcleo pequeño. pequeño. Permite Permite que que programadores programadores personalicen personalicen un un SO SO sin sin perturbar perturbar la la integridad integridad l l sistema. sistema. 75 Sistemas Operativos Actuales Windows Windows ( ( sucesores: sucesores: XP, XP, Vista, Vista, ): ): Aprovecha Aprovecha la la potencia potencia microprocesadores microprocesadores bits. bits. Multitarea Multitarea completa completa en en un un entorno entorno usuario usuario único. único. Cliente/servidor Cliente/servidor Estructura Estructura modular. modular. Se Se ejecuta ejecuta en en varias varias plataformas plataformas hardware. hardware. Soporta Soporta aplicaciones aplicaciones escritas escritas para para otros otros SO. SO. Unix: Unix: El El SO SO roa roa al al hardware. hardware. El El SO SO se se llama llama el el núcleo núcleo (kernel) (kernel) Viene Viene con con varios varios servicios servicios usuario usuario e e interfaces: interfaces: shell shell C C compiler compiler Familias Familias Unix: Unix: Sstem Sstem V V Release Release 4 4 (SVR4) (SVR4) Solaris Solaris 2.x 2.x 4.4BSD 4.4BSD Linux Linux 76 Sistemas Operativos Dpto. Informática

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