INTRODUCCION A LOS SISTEMAS OPERATIVOS

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1 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS OPERATIVOS FUNCIONES 1. Gestión de Recursos: Asignación, protección, contabilidad. 2. Ejecución de Servicios a los programas (máquina extendida). a. Ejecución de programas. b. Ordenes de E/S c. Operaciones sobre archivos. d. Detección y tratamiento de errores. 3. Ejecución de ordenes de los usuarios (interfaz de usuario): Shell, archivos de órdenes, (scripts, bats). Usuarios (nombre y clave) y grupos de usuarios (identificador de grupo) SECUENCIA DE ARRANQUE 1. ROM a. Test de hardware b. Carga en memoria del cargador del SO 2. Cargador del SO (Boot): Carga en memoria los componentes del SO 3. Inicialización (control del Kernel, parte residente) a. Test de sistema de archivos b. Creación de estructuras de datos c. Completa la carga del SO residente d. Creación de procesos login SERVICIOS: 1. Gestión de procesos 2. Gestión de memoria 3. Gestión de E/S 4. Gestión de archivos y directorios 5. Comunicación y sincronización de procesos 6. Seguridad y protección ESTRUCTURAS DE LOS SO 1. Monolíticos 2. Estructurados a. Por capas b. Cliente servidor GESTION DE PROCESOS 1. Monotarea 2. Multitarea o multiproceso 3. Monousuario 4. Multiusuario SERVICIOS DE PROCESOS 1. Crear a. Desde proceso padre b. Desde ejecutable 2. Ejecutar a. Background b. Interactivo 3. Terminar a. Fin b. Error c. Orden de fin desde otro proceso 4. Cambiar el programa Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 1

2 GESTION DE MEMORIA 1. Solicitar memoria (pedir, reservar) 2. Liberar memoria 3. Compartir memoria COMUNICACIÓN 1. Crear 2. Enviar o escribir 3. Recibir o leer 4. Finalizar o eliminar SINCRONIZACION 1. Crear 2. Bloquear 3. Despertar 4. Finalizar o eliminar GESTION DE E/S 1. Dispositivos orientados a caracteres 2. Dispositivos orientados a bloques GESTION DE ARCHIVOS Y DIRECTORIOS 1. Tipo 2. Propietario 3. Tamaño 4. Fecha y hora 5. Derechos de acceso y atributos. SERVICIOS DE ARCHIVOS 1. Crear 2. Abrir 3. Escribir y leer 4. Cerrar 5. Borrar 6. Estructura física (nodo-i, NTFS, FAT) 7. Archivo especial (directorio) SERVICIOS DE DIRECTORIOS 1. Raiz 2. Path 3. Nombre relativo 4. Crear 5. Borrar 6. Abrir 7. Leer 8. Cerrar 9. Vincular SEGURIDAD Y PROTECCIÓN 1. Autenticación 2. Privilegios a. Información por recurso b. Información por usuario 3. Autenticidad 4. Confiabilidad 5. Disponibilidad 6. No repudio Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 2

3 ACTIVACION DEL SO 1. Llamadas al sistema desde programas 2. Interrupciones de periféricos 3. Condiciones de excepción 4. Capas de hardware INTERFAZ DEL PROGRAMADOR 1. POSIX 2. WIN 32 INTERFAZ DEL USUARIO 1. Funciones a. Gestión de archivos b. Ejecución de programas c. Desarrollo de aplicaciones (herramientas) d. Comunicación (con otros SO) e. Información del estado del SO f. Configuración de interfaz y entorno g. Intercambio de datos (entre aplicaciones) h. Control de acceso i. Ayuda, utilidades y herramientas 2. Interfaces alfanuméricas (intérprete de comandos) a. Internos b. Externos c. Gráficos d. Interfaz HISTORIA 1ra Generación 1. Cintas o fichas perforadas 2. Cargador o cableado 3. Ejecución 4. Impresión 5. Procesamiento por lotes 6. Rutinas de E/E 7. Recuperación 8. Lenguaje de Control con especificación de recursos 9. Ejemplos a. Fortran Monitor System (FMS), b. IBYSS (IBM 7094) 2da Generación 1. Multiprogramación 2. Independencia de dispositivos 3. Tiempo compartido 4. Primeros sistemas en tiempo real 5. Ejemplos a. (MIT) CTSS (Corbato 1962), primero de tiempo compartido para la IBM 7090, b. OS 360 (Realy 1966) c. MULTICS 3ra Generación 1. Propósito general 2. Multimodo de operación a. Lotes b. Multiprogramación c. Tiempo real d. Tiempo compartido Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 3

4 e. Multiprocesadores (capacidad de usar) 3. Ejemplos a. MVS (MÚLTIPLE VIRTUAL STORAGE) b. UNIX (SOLARIS-SUN, HP, SCO IRIS-SGI, AIX-IBM) Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 4

5 PROCESOS CONCEPTO: Un proceso es un programa en ejecución. PCB: Bloque de control del proceso. 1. Imagen de memoria (core imagen) 2. Contenido de los registros. 3. Contenido del PCB JERARQUIA: Árbol, padre-hijo ENTORNO: Tabla nombre-valor. GRUPOS DE PROCESOS: Operaciones general sobre proceso a partir de un Shell (por ejemplo matar todos los procesos) MULTITAREA: Monotarea, monoproceso, multitarea, multiproceso, monousuario, multiusuario (tiempo compartido). BASE DE LA MULTITAREA: 1. Paralelismo real (E/S-Procesador) 2. Alternancia entre fases de E/S y procesamiento. 3. Memoria principal para varios procesos. PROCESOS 1 Más de 1 1 Monoproceso Multiproceso Monousuario Monousuario Más de Multiproceso Multiusuario TIPOS DE SISTEMAS OPERATIVOS PROCESO NULO: Bucle infinito de relleno entre procesos. ESTADOS: Ejecución, listo, espera (bloqueado, suspendido). PLANIFICACION: 1. Planificador (scheduler) en modo núcleo, elige el proceso a ejecutar. 2. Activador (dispatcher) ejecuta el proceso elegido. VENTAJAS DE LA MULTITAREA: 1. Facilita la programación. 2. Optimiza el servicio (varios usuarios, eficiente, interactivo, simultáneo. 3. Aprovecha el tiempo muerto de E/S para ejecutar otros procesos. 4. Aumenta el tiempo real de uso de la CPU Multiprogramación (grado: número de procesos activos) y Memoria principal (con y sin memoria virtual) CONJUNTO RESIDENTE: las páginas que un proceso tiene en memoria princpal. CONJUNTO DE TRABAJO DE UN PROCESO: está formado por el conjunto de páginas que un proceso está utilizado actualmente. INFORMACION DEL PROCESO: Estado del procesador (no confundir con estado del proceso): Está formado por el contenido de todos sus registros. 1. Registros generales 2. Contador de programa 3. Puntero de pila 4. Registro o registros de estado 5. Registros especiales (ej. RIED, registro identificador del espacio de direccionamiento) El estado del procesador de un proceso residen en los registros del procesador, cuando el proceso está en ejecución en el PCB cuando el proceso no está en ejecución. IMAGEN DE MEMORIA DEL PROCESO 1. Contiene toda la información del proceso. 2. Puede ser memoria virtual o física 3. Suele requerir asignación dinámica de memoria, por lo que puede crecer o decrecer. 4. Si existe memoria virtual, también se debe modificar el conjunto residente del proceso. 5. Puede ser un único segmento de tamaño fijo o variable (debe contener el texto o código, los datos (con o sin valor inicial y estáticos o dinámicos) y la pila. También puede ser un proceso con un número variable de segmentos de tamaño variable. INFORMACION DEL PCB 1. Información de identificación a. Identificador del proceso USUARIOS Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 5

6 b. Identificador del proceso padre (UNIX) c. Información sobre el usuario (id. De usuario y de grupo) 2. Información del control del proceso a. Información de planificación y estado i. Estado del proceso ii. Evento que espera (bloqueado) iii. Prioridad del proceso iv. Información de planificación. b. Descripción de los segmentos de memoria asignados al proceso c. Recursos asignados al proceso: i. Archivos abiertos (tabla de descriptores o manejadores de archivo) ii. Puertos de comunicación asignados. d. Punteros a procesos en colas o anillos. e. Comunicación entre procesos (p.e. buzones) TABLAS DEL SISTEMA OPERATIVO: describen a los procesos y recursos del sistema. Son eficientes porque aceleran los procesos, permiten compartir información. Exigen un control estricto para evitar las superposiciones de datos (p.e. si dos procesos tratan de escribir en el mismo archivo, los datos del mismo dependerán del orden de ejecución asignado por el planificador) TABLAS DE E/S: Información asociada a periféricos y operaciones de E/S. FORMACION DE UN PROCESO: 1. Asignar espacio de memoria para la imagen. (puede ser virtual y de varios segmentos) 2. Seleccionar un PCB libre de la tabla de procesos. 3. Llenar el PCB con los datos del proceso 4. Cargar el segmento de texto (código), las rutinas del sistema y los datos iniciales desde el archivo objeto. 5. Crear en el segmento de pila, la pila inicial del proceso. ESTADOS DEL PROCESO 1. Ejecución: Está siendo ejecutado reside en los registros del procesador. 2. Bloqueado: Está esperando un evento (p.e. una operación de E/S) 3. Listo: Esperando en la cola de ejecución (a órdenes del planificador) En una máquina con multiprocesadores se puede tener simultáneamente en ejecución tantos procesos como procesadores tenga. ESTADOS SUSPENDIDOS 1. Además de los anteriores, pueden estar en Espera y Suspendidos. 2. Es común tener una lista de procesos batch en espera para ser ejecutados cuando se pueda. 3. Los procesos salen del sistema cuando mueren, al ejecutar el servicio correspondiente o producir un error irrecuperable. Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 6

7 CAMBIO DE CONTEXTO: Ante una interrupción se produce un cambio de contexto compuesto de dos operaciones: 1. Salvar el estado del procesador en el PCB 2. Pasar a ejecutar la rutina de tratamiento de interrupciones del SO. SALVAGUARDA DEL ESTADO: Imprescindible ante un cambio de contexto. ACTIVACION DE UN PROCESO. La realiza el activador (dispatcher): 1. Restituye el registro de estado (a ejecución) 2. Restituye el contador de programa (en la instrucción interrumpida del proceso en el ciclo anterior). La instrucción RETI es una instrucción-máquina que restituye los registro salvados por el hardware al aceptar una interrupción (registro de estado y contador de programa almacenados en la pila) PROCESOS LIGEROS (THREAD). Es un programa en ejecución que: 1. comparte la imagen de memoria y otras informaciones con otros procesos ligeros. a. Espacio de memoria b. Variables globales c. Archivos abiertos d. Procesos hijos e. Temporizadores f. Señales y semáforos g. Contabilidad. 2. Tiene informaciones propias que no comparte con otros procesos ligeros a. Contador de programa b. Pila c. Registros d. Estado del proceso ligero (ejecutando, listo o bloqueado) Pueden ejecutarse tantos procesos ligeros como procesadores tenga la máquina. PARALELISMO: Los procesos ligeros mejoran el uso del procesador, pero no aumentan la tasa total de uso del mismo. DISEÑO: Los procesos ligeros permiten: 1. Separación de tareas (encapsulamiento) 2. Modularidad (dividir trabajos en tareas parciales) 3. Aumenta la velocidad de ejecución PLANIFICACION 1. Largo plazo, añade procesos al sistema 2. Mediano plazo, trata la suspensión de procesos 3. Corto plazo, cambia procesos entre listo y ejecución. Expulsión: Mantiene el procesador mientras lo desee (minimiza la planificación pero permite monopolizar el procesador) ideal para procesos batch. Cola de procesos: Aumenta los tiempos de planificación pero permite el tiempo compartido. Objetivos: 1. Uso equitativo del procesador. 2. Optimizar el uso del procesador 3. Menor tiempo de respuesta en la interacción 4. Menor tiempo de espera (batch) 5. Mayor número de trabajos por unidad de tiempo (batch) 6. Cumplir plazos de ejecución en tiempo real ALGORITMOS DE PLANIFICACIÓN: 1. Round Robin (cíclica) Una fifo más un quantum de tiempo. 2. FIFO (First imput, first output) 3. Prioridades 4. Primero el más corto (SJF SHORT JOB FIRST) 5. Aleatorio o lotería (número aleatorios como prioridad) 6. Planificación en tiempo real (a plazo fijo: una vez en un determinado momento y periódico: en forma repetitiva en cierto), pocos procesos en listo. SEÑALES: Se usan en POSIX, el proceso detiene su ejecución, bifurca a una rutina de tratamiento de señal, la ejecuta y vuelve al proceso interrumpido (ej. Excepciones de hardware, comunicación, E/S asíncrona) EXCEPCIONES: Son típicas de WIN32, es un evento que ocurre durante la ejecución de un programa y que requiere la ejecución de un fragmento de código específico y ajeno al flujo normal de ejecución. Se Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 7

8 generan por hardware o software. Al ocurrir el SO toma el control y ejecuta la rutina de tratamiento de excepciones. TEMPORIZADORES: Permite ejecutar rutinas de cronómetro a partir del reloj del máquina. SERVIDORES: Un servidor es un proceso que está pendiente de recibir órdenes de trabajos desde otros procesos llamados clientes. DEMONIOS: Son procesos que: 1. Se ejecutan en background, 2. se inician al iniciarse el sistema, 3. no mueren, 4. esperan un evento o realizan labores permanentes (revisión del estado del vector de interrupciones), 5. algunos procesos servidores pueden actuar como demonios, 6. no están asociados a un termino o proceso login. Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 8

9 Objetivos: Gestión de Memoria 1. Ofrecer a cada proceso un espacio lógico propio a. Direcciones lógicas -- Direcciones físicas (Mapa) 2. Proporcionar protección entre los procesos a. No superposición (Desbordamiento) 3. Permitir que los procesos compartan memoria a. Traducción (Región crítica) 4. Dar soporte a las distintas regiones del proceso a. Tabla de regiones (Memoria particionada) b. Dir Lóg Dir Fís (excepción por acceso indebido u operación no permitida) 5. Maximizar el rendimiento del sistema a. Dir lógica direccionas 6. Proporcionar a los procesos mapas de memoria muy grandes a. Memoria virtual Modelo de Memoria Fases para un realizar un ejecutable: 1. Compilación 2. Montaje (enlace) con las bibliotecas 3. Bibliotecas (objetos o dinámicas) 4. Montaje de bibliotecas dinámicas( con enlace explícito, biblioteca conocida o sin enlace explícito, bibliotecas desconocidas como los archivos de Internet) 5. Formato del Ejecutable (datos en el PCB) Mapa de memoria del proceso Regiones: 1. Soporte de la región a. en archivo b. sin soporte 2. Uso compartido a. Privada (del proceso) b. Compartida (de varios procesos) 3. Protección a. Lectura b. Ejecución c. Escritura 4. Tamaño a. Fijo b. Variable 5. Operaciones a. Crear Región b. Eliminar Región c. Cambiar el tamaño de una región d. Duplicar una región. Esquemas basados en asignación contigua: 1. Por Hardware a. Registro límite: Direcciones generadas iguales o menores que el valor del registro b. Registro base: Direcciones a las que se suma el valor del registro para obtener la direcicón física. 2. Gestión del Sistema Operativo (puede generar fragmentación externa) 3. Políticas de asignación a. Best fit: El mejor ajuste b. Worst Fit: El peor ajuste c. First Fit: El primer ajuste 4. Intercambio o swaping Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 9

10 a. Con preasignación: Al crear el proceso se le asigna b. Sin preasignación: Al explusar el proceso se le asigna 5. Memoria Virtual (Se pueden ejecutar programas más grandes que la RAM disponible. a. Paginación b. Swap c. Proximidad de referencias (saltos cortos, idem. Memoria caché) d. Conjunto residente (todo el programa) e. Conjunto de trabajo (las páginas accedidas por el proceso) Paginación 1. Mapa de memoria dividida en páginas. 2. Marcos de páginas 3. Mapa de memoria a. Información de protección b. Página válida c. Página accedida d. Página modificada e. Desactivación de caché (pe para acceso a dispositivos 4. Implementación a. TLB sin identificación de procesos b. TLB con identificación de procesos UMM (Unit Memory Manager) Hardware TLB (Translation Lookaside Buffer) Software 1. Tablas de páginas multinivel Vector-Indice-Página 2. Tablas directas Memoria lógica - Memoria física 3. Tablas Invertidas Memoria física Memoria lógica Segmentación Tabla de regiones para cada proceso (se trata de una región p.e. 10 páginas contiguas) Segmentación paginada: Segmento formado por un conjunto de páginas no obligatoriamente contiguas. Paginación por demanda (memoria virtual) genera fallos de páginas. Los fallos de páginas múltiples producen hiperpaginación, se soluciona con el conjunto de trabajo (paginas recientemente usadas) Políticas de memoria Virtual 1. Reemplazo 2. Asignación de segmentos a los procesos Algoritmos de reemplazos 1. Optimo (máximo tiempo futuro sin uso) 2. FIFO 3. Del reloj (FIFO, más un bit de acceso reciente) 4. LRU (menor recientemente usada) 5. Buffering de páginas (conjunto de trabajo) 6. Retención de páginas en memoria Política de asignación de marcos de página 1. Fija 2. Dinámica (por reemplazo local o por reemplazo global) Archivos proyectado en memoria 1. Proyectar un archivo: Incluir en el mapa de memoria un archivo Desproyectar un archivo: Eliminar una proyección previa o parte de la misma Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 10

11 COMUNICACIÓN Y SINCRONIZACION DE PROCESOS PROCESOS CONCURRENTES: En un SO multitarea pueden coexistir varios procesos activos, ejecutando todos ellos en forma concurrente. En general emplean uno de los siguiente modelos: 1. Multiprogramación con un único procesador: Se opera mediante tiempo compartido. El SO posee un planificador que administra una cola cíclica que alimenta el procesador y una o más colas inteligentes que abastecen a la cola cíclica. 2. Multiprocesador: Está formada pro un conjunto de procesadores que comparten la memoria principal. Pueden ejecutarse en forma simultánea tantos procesos como procesadores haya. En el caso de Windows, utiliza un procesador como planificador y el otro para ejecutar. 3. Multicomputadora. Consisten en varios procesadores con su propia memoria (distribuida), pudiendo poseer sus propios periféricos. Cada uno de estos procesadores se denomina nodo. Cada nodo se encuentra unido a otros nodos, mediante una red, empleando el método de paso de mensajes. Concurrencia aparente: Más procesos que procesadores Concurrencia real: un proceso por procesador VENTAJAS DE LOS PROCESOS CONCURRENTES: 1. Facilitan la programación. 2. Aceleran los cálculos. 3. Permiten el uso interactivo de múltiples usuarios. 4. Permite un mejor aprovechamiento de los recursos. TIPOS DE PROCESOS CONCURRENTES: 1. Un proceso es independiente si se ejecuta sin la cooperación de otros procesos. 2. Un proceso es cooperante si debe trabajar conjuntamente con otra actividad, interactuando entre si. a. Interacciones entre procesos que comparten o compiten por el acceso a un recurso. b. Interacciones entre procesos que se comunican y sincronizan entre si. PROBLEMAS CLÁSICOS DE LA COMUNICACIÓN Y SINCRONIZACION: 1. El problema de la sección crítica: Al considerar n procesos que comparten un área de memoria denominada sección crítica. Dentro de esta sección los procesos acceden y modifican recursos compartidos (variables, registros, archivos). Para identificar cada proceso se le asigna un identificador de proceso (PID). a. Exclusión mutua: Si un proceso está ejecutando código en la sección crítica, ningún otro proceso podrá hacerlo. b. Progreso: Si ningún proceso está ejecutando dentro de la sección crítica, la decisión de qué proceso ingresa se hará sobre el conjunto de procesos en espera para ingresar. c. Espera acotada: Debe existir un límite en la cantidad de veces que ingresan otros procesos, luego que uno nuevo haya efectuado una solicitud de entrada, hasta que le sea concedida. 2. El problema del productor y consumidor. 3. El problema de los lectores y escritores. 4. El problema de la cena de los filósofos. 5. El problema del peluquero dormilón. 6. Comunicación cliente-servidor: Los procesos llamados servidores ofrecen una serie de servicios a otros procesos denominados clientes. Muchas aplicaciones y servicios de red, como el correo electrónico y la transferencia de archivos se basan en este modelo. MECANISMOS DE COMUNICACIÓN Y SINCRONIZACION. El SO brinda servicios que permiten a los procesos comunicarse y sincronizarse: 1. Los mecanismos de comunicación principales son: a. Archivos. b. Tuberías. c. Variables de memoria compartida. d. Paso de mensajes. 2. Para que los procesos puedan sincronizarse es necesarios disponer de servicios que permitan bloquear o suspender en ciertos casos la ejecución de un proceso, entre ellos: a. Señales. b. Tuberías. c. Semáforos. Valor entero, con un valor inicial. Al que sólo se puede acceder mediante dos operaciones atómicas wait and signal (up, down). Si el valor es menor o igual a 0 wait Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 11

12 bloquea el proceso, si mayor wait no bloquea. Signal incrementa el valor del semáforo. Un semáforo admite valores negativos para controlar procesos en cola. P.e. para una cola de impresión d. Mutex y variables condicionales. (accesos exclusivo a los recursos compartidos que aseguren la exclusión mutua) e. Paso de mensajes. COMUNICACIÓN MEDIANTE ARCHIVOS. Un archivo es un mecanismos que puede usarse para comunicar procesos. Permite comunicar muchos procesos, son sencillos y fáciles de utilizar. Son lentos (por la escritura en disco) y necesitan sincronización de acceso. TUBERÍAS: Es un pseudoarchivo mantenido por el sistema operativo. Cada proceso ve la tubería como un conducto con dos extremos, uno se usa para escribir o insertar datos y el otro para extraer o leer dato de la tubería. La comunicación de este tipo es unidireccional, es decir los datos se extraen en el mismo orden en que se insertaron. Existen otras comunicaciones bidireccionales, donde los datos pueden viajar en ambos sentidos y todos los procesos pueden hacer de receptor y emisor. Las tubería pueden poseer nombre y se usan para comunicar y sincronizar procesos independientes o ser una tubería sin nombre y emplearse para sincronizar procesos que desciendan del proceso que creo la tubería (herencia padre-hijo). Nota: Existen tres formas de identificar un mecanismo de comunicación o sincronización: 1. Sin nombre: Lo usan un proceso padre y sus hijos. 2. Con un nombre local: Lo usan todos los procesos que se ejecutan en la misma máquina y tiene permiso de acceso. 3. Con nombre de red: Se identifican en forma única en la red y pueden comunicar y sincronizar procesos desde computadoras distintas. SECCION CRITICA CON TUBERÍAS: se inserta en la tubería un dato inicial que hace de testigo. El proceso que la necesita retiene el testigo, la usa y luego lo reinserta al salir de la sección crítica. Los restantes procesos permanecen bloqueados hasta que se libera el testimonio. PRODUCTOR CONSUMIDOR CON TUBERÍAS: Cuando el productor ha elaborado un elemento lo inserta en la tubería mediante una escritura. El consumidor usa una operación de lectura. El consumidor se bloquea cuando no hay datos que consumir, el productor cuando la tubería se encuentre llena. EJECUCIÓN DE COMANDOS CON TUBERÍAS: Permite conectar programas sencillos para realizar una tarea más compleja. P.e en UNIX el comando who!wc-1, imprime información sobre los usuarios conectados al sistema. El comando wc-1 lee los datos de la entrada estándar y calcula el número de lineas existentes. La salida del comando who pasa a ser la entrada del comando wc-1. SINCRONIZACION MEDIANTE SEÑALES: Se emplean para sincronizar procesos, especialmente en POSIX. Tienen como inconveniente los comportamientos asíncronos y la imposibilidad de encolar las señales. SEMÁFOROS. Son mecanismos de sincronización, que consisten en objetos con un valor entero al que se accede mediante operaciones atómicas (wait y signal. Up y down, v y p). Cuando el valor del semáforo es menor o igual a cero el semáforo bloquea los procesos (y eventualmente los encola), cuando es positivo realiza la operación correspondiente y se decrementa (p.e. asignar un recurso, pensemos en una cola de impresión). SECCION CRITICA MEDIANTE SEMÁFOROS: Se encierra la sección critica entre dos operaciones atómicas (wait y signal), se inicializa en 1, lo que asegura un solo proceso en la sección crítica. PRODUCTOR CONSUMIDOR CON SEMÁFOROS: Se usa un almacén o buffer circular compartido por ambos procesos. Cada proceso incrementa o decrementa el semáforo a medida que inserta o extra elementos del almacén. LECTORES ESCRITORES CON SEMÁFOROS: Se utiliza un semáforo para asegurar la exclusión mutua en el acceso al dato a compartir. Este método concede prioridad a los procesos lectores, ya que los escritores deben esperar hasta la última consulta de un lector. MEMORIA COMPARTIDA: se utiliza para comunicar procesos que se ejecutan en la misma máquina (monoprocesador o multiprocesador). Se almacena un valor en una variable y otro proceso puede acceder con sólo consultarla. Cuando se quiere emplear memoria compartida entre procesos creados con fork es necesario crear un segmento de memoria compartida al que ambos pueden acceder por medio de posiciones de memoria situadas dentro de su espacio de direcciones. MUTEX Y VARIABLES CONDICIONALES: Son mecanismos especialmente concebidos para la sincronización de procesos ligeros. Permiten obtener acceso exclusivo a recursos compartidos y asegurar la exclusión mutua sobre secciones críticas. Se basan en dos operaciones atómicas básicas: Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 12

13 1. lock, intenta bloquear al mutex, si ya está bloqueado el proceso se bloquea, en caso contrario se bloquea el mutex sin bloquear al proceso. 2. unlock, desbloquea el mutex. Si existen procesos bloqueados, se desbloqueara a uno de ellos. El unlock sólo lo puede ejecutar el proceso ligero que lo bloqueo con anterioridad. Permite resolver el problema de la sección crítica, del de lectores-escritores y unido a variables condicionales el del productor y consumidor. PASO DE MENSAJES: Permiten interconectar procesos en modo local y entre máquinas, siempre que exista un enlace de comunicación entre ellas. Se comunican mediante dos operaciones básicas: send (envía un mensaje al proceso destino) y receive (recibe un mensaje del proceso origen). TAMAÑO DEL MENSAJE: Pueden ser de tamaño fijo o variable. FLUJO DE DATOS: Puede ser unidireccional o bidireccional. NOMBRES: La comunicación es directa cuando un proceso que desea enviar o recibir un mensaje de otro lo debe nombrar en forma explícita. Indirecta cuando los mensajes no se envían directamente al emisor o receptor, sino a estructuras de datos denominadas colas de mensajes o puertos. Un puerto es una estructura similar a una cola de mensajes, pero se encuentra asociado a un proceso y únicamente puede recibir de un puerto, un proceso. (una cola es una estructura libre de conexión y un puerto una estructura orientada a la conexión) SINCRONIZACION: La comunicación entre dos procesos es síncrona cuando los dos procesos deben ejecutar los servicios de comunicaciones al mismos tiempo, en caso contrario es asíncrona. 1. Envío y recepción bloqueante. Síncrona, llamada cita, ambos se bloquean hasta la entrega del mensaje. 2. Envío no bloqueante y recepción bloqueante: El proceso que espera el mensaje se bloquea hasta que le llega. 3. Envío y recepción no bloqueante: Es necesario disponer servicios para saber si se ha entregado el mensaje. ALMACENAMIENTO: Puede haber capacidad propia en el enlace par almacena mensajes o puede no tenerla y depender de la asignación del sistema operativo. Las colas de mensajes permite solucionar el problema de la sección crítica y del productor-consumidor. PASO DE MENSAJES EN ESQUEMA CLIENTE-SERVIDOR: El proceso servidor se encuentra en un bucle infinito esperando la recepción de peticiones de lo clientes (receive) los clientes solicitan el servicio mediante un mensaje (send). Los servidores se pueden clasificar en: 1. Servidores secuenciales: El servidor satisface el pedido del cliente y devuelve los resultados, atiende un cliente por vez. 2. Servidores concurrentes: El servidor crea un proceso hijo por cliente, puede atender varios clientes a la vez. ASPECTOS DE IMPLEMENTACION: 1. Espera activa: Todo proceso que se encuentra con un valor negativo de un semáforo entra en un bucle, con evaluación continua del valor del semáforo. 2. Espera pasiva: Cuando un proceso no puede continuar la ejecución se bloquea, sus pendiendo la ejecución. Debe ser despertado desde fuera. Para Bloquea un proceso: a. Inserta el proceso en la lista de procesos bloqueados en el semáforo b. Cambia el estado del proceso a bloqueado c. Llama al planificador para elegir otro proceso a ejecutar y a continuación al activador (dispatcher) para ponerlo a ejecutar. Para despertarlo (signal): d. Extrae el primer proceso bloqueado de la lista de procesos bloqueados en el semáforo e. Cambia el estado del proceso a listo para ejecutar. f. Llama al planificador para elegir a otro proceso (que puede ser el que llama a signal o el que se despierta) y a continuación al activador. INTERBLOQUEOS: Supone un bloqueo permanente de un conjunto de procesos que compiten por recursos o bien se comunican o sincronizan entre sí. Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 13

14 INTEBLOQUEOS Recursos 1. Reutilizables. 2. Consumibles 3. Compartidos 4. Exclusivos 5. Único 6. Múltiples 7. Expropiables (apropiativos) 8. No Expropiables (no apropiativos) 9. Internos del sistema 10. Del usuario Interbloqueos: Un conjunto de procesos está en interbloqueo si cada proceso está esperando un recurso que sólo puede liberar (o generar en el caso de los consumibles) otro proceso del conjunto. Condiciones 1. Exclusión mutua (recursos de uso exclusivo) 2. Retención y espera (retiene los recursos capturados) 3. Sin expropiación (liberación voluntaria de recursos) 4. Espera circular (lista interdependiente de espera) Condición necesaria y suficiente El estado de un sistema se puede reducir por un proceso S si se pueden satisfacer las necesidades del proceso con los recursos disponibles. Tratamiento 1. Estrategias de detección y recuperación 2. Estrategias de prevención 3. Estrategias de predicción 4. Ignorar (algoritmo del avestruz) Estado Seguro: Un estado es seguro si el estado de asignación de recursos que resulta al considerar que todos los procesos realizan en ese instante todas sus posibles peticiones está libre de interbloqueos. Algoritmos de predicción: 1. Grafo de recursos 2. Del banquero 3. Matríz de necesidad Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 14

15 ENTRADA Y SALIDA Dispositivos: 1. Interfaz con el usuario (teclado, monitor, mouse) 2. Almacenamiento (Discos, cintas) 3. Comunicaciones (Redes) Registros, RAM, Secundaria (disco), terciario (cintas). En este orden decrece la velocidad y los precios y aumenta la capacidad. Objetivos: 1. Facilitar el manejo de los dispositivos de E/S (interfaz) 2. Optimizar la E/S del sistema 3. Dispositivos virtuales de conexión con dispositivos físicos (Drivers) 4. Conexión on line de dispostivos automática (Plug and Play) Conexión: 1. Periférico (físico) 2. Controlador (lógico) a. Dirección E/S (puertos o registros en memoria, generan vectores virtuales, p.e vector de interrupción) b. Unidad de transferencia (dispositivos de caracteres, como el MODEM o el video o de bloques como el disco) p.e. DMA c. Interacción computadora-controlador (operaciones de inicio, actualización y fin) Entrada y salida programada o por interrupciones. Esto implica prioridades. Tratamiento 1. (RGTI) Rutina genérica de tratamiento de la interrupción a. capturar interrupción (determinar prioridad) b. salvar el estado del procesador (WPCB) c. activar rutina de interrupción d. colocar la rutina en listo (planificador) e. desactivar interrupción f. restaurar el estado del procesador (RPCB) g. ceder el control (ejecutar RETI, rutina específica de tratamiento de interrupción. DMA (acceso directo a memoria) Datos que debe suministrar el procesador al DMA: 1. Tipo de operación (R/W) 2. Periférico involucrado 3. Dirección de destino (W) 4. Número de bytes a transferir (contador) Administración de canales del DMA 1. Selector (1 dispositivo) 2. Multiplexor (varios dispositivos 3. Caché de disco 4. Búsqueda y transferencia simultánea (multiprocesamiento del DMA) 1. Interfaz de E/S del SO 2. Sistemas de archivos (virtuales) 3. Gestor de redes 4. Gestor de bloques 5. Gestor de caché 6. Manejadores de dispositivos Arquitectura E/S 1. Controlador de interrupción 2. Controlador de dispositivo (drivers) Software de E/S Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 15

16 3. Programas de E/S independientes. 4. Interfaz del SO (llamadas al sistema) Interfaz de aplicaciones 1. Bibliotecas (traducen la petición del usuario a llamada al sistema) 2. Demonios (red, spooler de impresión) 3. Características: a. Nombres independientes de dispositivos b. E/S bloqueante (rutinas esperan que termine la tarea y vuelva el dato) y no bloqueante (dispositivos siguen con su trabajo) c. Accesos compartidos y dedicados (mandatos externos y llamadas al sistema) d. Indicaciones de error e. Uso de estándares (permite al programador alcanzar la portabilidad de aplicaciones) Almacenamiento Secundario 1. Discos a. SCSI (Small computer system interface) b. IDE (Integrated drive elecronics) c. Rigídos d. Flexibles e. Fijos f. Removibles g. Magnéticos h. Ópticos i. Considerar pista, sector, cilindro y cluster respecto de los movimientos del cabezal en coordenadas polares y los motores de rotación y paso a paso. j. Cintas magnéticas 2. Controlador de Disco a. Estructura física Densidad de pista Intercalado de sectores Almacenamiento intermedio Controladores inteligentes (varias búsquedas simultáneas) b. Estructura lógica Tabla de particiones Dispositivos de bloques Dispositivos de caracteres Bloque de carga (programa cargador del SO) Los controladores de disco pueden ser genéricos o particulares. La planificación se realiza en general por medio de FCFS y la gestión de errores es por control de paridad. Discos en memoria: RAM o sólidos (chips de RAM en placas) Características de los discos modernos Confiabilidad (almacenamiento estable) Tolerancia a fallos (Redundant Array of Independent Disks) 1. RAID 1: Simple espejado de disco 2. RAID 2: Datos distribuidos a nivel caracteres 3. RAID 3: Datos distribuidos a nivel bit 4. RAID 4: Distribución por bloques y control de paridad en un disco específico 5. RAID 5: Reparto de bloques y control de paridad repartidos y cíclicos Almacenamiento Terciario Cintas magnéticas Reloj 1. Del procesador (ciclos, MIPS) 2. Del sistema (fecha y hora) 3. Temporizador (cronómetro) Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 16

17 Terminal 1. Entrada (ASCII) 2. Salida (video mediante pixeles) 3. Proyectadas a memoria (interrupción y prioridad) 4. Series RS-232 Teclado: 1. caracteres 2. caracteres de edición 3. caracteres de control de procesos 4. caracteres de flujo 5. caracteres de escape Red 1. Interfaz de aplicaciones 2. Protocolos 3. Dispositivo de Red Servicios de E/S genéricos 1. Fecha y hora 2. Temporizaciones 3. Contabilidad y estadística. TP pg 391, pg 406, pg 410, Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 17

18 ARCHIVOS Y DIRECTORIOS Soporte de Información. Archivo: Es una unidad de almacenamiento lógico no volátil que agrupa un conjunto de información relacionada, bajo un mismo nombre. Los SO, utilizan sistemas de archivos ASCII, binarios especiales (de caracteres, de bloques). Los datos necesarios para identificar un archivo son: 1. Nombre 2. Identificador único (número individual) 3. Tipo de archivo (extensión) 4. Mapa del archivo 5. Protección (atributos: SRHA, RWX (Usuario, Grupo, Todos) 6. Tamaño 7. Información temporal (creación, acceso, actualización) 8. Control a. Nodo-i (UNÍX) b. MTF, NTFS (Microsoft Tape Format, WINDOWS) c. FAT (File Allocation Table, DOS) Nombres y extensiones, éstas pueden ser únicas o diversas. Estructura: 1. Arbol de registros 2. Registro de longitud fija 3. Registro de longitud variable 4. Archivo de biblioteca Métodos de acceso 1. Secuencial 2. Por índices (indexado) 3. Aleatorio (directo) Coutilización (Compartir) 1. UNIX (compartidos) 2. Sesión (Copia versiones) 3. Archivos inmutables (copy on write) Directorios: Objeto que relaciona el nombre de usuario de un archivo y el descriptor interno del mismos usado por el SO. Estructuras de Directorios 1. Nivel (único o dos niveles en (CP/M) Programa de control para microordenadores) 2. Árbol jerárquico (raíz, path, directorio de trabajo. 3. Grafos acíclicos. Nombres jerárquicos: 1. Nombre absoluto (todo el path) 2. Nombre relativo (desde el directorio de trabajo) Direccionadores:. (este),.. (padre), \ (raíz) 3. Unidades (en DOS hay dispositivos explícitos) (en UNÍS, dispositivos implícitos, con nombre propio y transparente al usuario) Servicios de archivos: Crear, borrar, abrir, cerrar, leer, escribir, cambiar apuntador, cambiar atributos. Servicios de directorios: Crear, borrar, abrir, cerrar, leer, cambiar de directorio, enlazar (nuevo nombre para un acceso diferente) Sistemas de archivos: 1. volúmenes o particiones (1 activa), 2. bloque de carga (boot) código de carga del DOS, 3. FAT: Boot, 2 FAT, dir raíz, datos y directorios : DOS Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 18

19 Nodo-I: Boot, super bloque, mapas de bits, nodos-i, datos y directorios : UNÍX NTFS: Boot, super bloque, mapas de bits, descriptores físicos de archivos, datos y directorios: WINDOWS NT Implementaciones en otros sistemas: 1. FFS (Fast File System), UNÍS, EXT2 (Extended File System) LINUX (reducen el tiempo de búsqueda) 2. RAID (1 a 5), multiparticiones, tolerancia a fallos 3. Archivos paralelos, archivos con bandas (NT) 4. LFS (Log Structured File System) para las escrituras menores que un bloque. (un bloque son varios clusters) Servidor de archivos: Datos: Atributos, apuntador nodo-i, apuntador de función (datos, ejecutables, etc) Estructura de organización: 1. módulo de organización 2. servidor de bloques 3. controlador de dispositivo 4. flujo de datos en el servidor de archivos Estructura de datos: 1. tabla de nodos-v (vectores) 2. bloque de descripción del proceso (PCB) 3. Tabla de archivos abiertos Mecanismos de asignación: 1. bloques contiguos 2. bloques no contiguos 3. lista enlazada 4. índice enlazado 5. índice multinivel 6. bloques de índices Gestión de espacio libre: mapas de bits, listas de recursos libres. Prestaciones: 1. Discos RAM 2. Caché de Datos 3. Caché de Bloques Políticas de reemplazo: 1. FIFO 2. MRU (Most Recently Used) 3. LRU (Last Recently Used) Rendimiento: 1. Escritura inmediata (Write, trough) 2. Escritura retrasada (delayed write) 3. Compresión Red: Unidades lógicas de redes (de pares como Novel Lite, Lantastic y Windows 3.1 o clientes servidor como NT, Linux e Unís) Fiabilidad y recuperación: Copias de respaldo, discos espejo, RAID. Servicios: Actualización atómica (sin intervención de otros, archivos propietarios exclusivos), transacciones, replicación, copia primaria, gestión colectiva) Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 19

20 SEGURIDAD Y PROTECCIÓN Objetivos de la protección: 1. Evitar pérdida de datos 2. Mantener la confidencialidad de los datos 3. Controlar el acceso a datos y recursos Problemas: 1. Uso indebido o malicioso de programas 2. Usuarios inexpertos 3. Usuarios no autorizados 4. Virus 5. Gusanos 6. Destructores de sistemas de protección (SATAN Security Administrator Tools for Analising Networks) 7. Bombardeo (Bajo identidades de otros usuarios SPOOFING) Elemento Confidencialidad Integridad Disponibilidad Equipos informáticos Robado Copiado Sobrecargado Destruido Pinchado Falsificado Fallido Robado Destruido No disponible Programas Datos Servicios de Seguridad: 1. Confiabilidad 2. Disponibilidad 3. Autenticación 4. Integridad 5. No repudio 6. Control de accesos Robado Copiado Copiado ilegalmente (pirateado) Descubiertos Espiados Inferidos Ataques: 1. Pasivos a. Intercepción b. Lectura de mensajes c. Análisis de tráfico 2. Activos a. Interrupción (ataque a la disponibilidad) b. Modificación (ataque a la integridad) c. Fabricación (ataque a la integridad) Caballo de Troya Modificado Falsificado Dañados Error hardware Error programas Error usuario Borrado Mal instalado Caducado Borrado Mal instalado Destruido Políticas de Seguridad: 1. es-cert (organismo de certificación español, consultar los RFC) 2. niveles militares (público, público militar, reservado, confidencial, secreto, estrictamente secreto) 3. acceso acorde a la necesidad de saber 4. acceso mínimo (por tiempo limitado) 5. Políticas comerciales, muralla china (objetos, grupos, clases de conflicto) Modelos de seguridad: 1. Multinivel (rejilla, Bell-La Padula, BIBA) Prof. Ing. Arellano González - Prof. Ing. Darahuge Página 20

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