Introducción a los Sistemas Operativos

Transcripción

1 Introducción a los Sistemas Operativos Ingeniería del Software EUITI UPM Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 2 1

2 Definición de SO Un sistema operativo (SO) es un conjunto de programas o software destinado a permitir la comunicación del usuario con un ordenador y gestionar sus recursos de manera eficiente. Un sistema operativo es una capa compleja entre el hardware y el usuario, concebible también como una máquina virtual, que facilita al usuario o al programador las herramientas e interfaces adecuadas para realizar sus tareas informáticas, abstrayéndole de los complicados procesos necesarios para llevarlas a cabo. 3 Objetivos de SO Ejecutar programas y facilitar la solución de los problemas del usuario Proporcionar una maquina virtual extendida Hacer un uso conveniente del computador Usar el computador de forma eficiente Gestión eficaz de recursos Usar el computador de forma segura Gestión de usuarios, seguridad, proteccion. Capacidad de evolución Ser capaz de desarrollar, probar e introducir nueva funcionalidad sin interferir en el servicio. 4 2

3 Clasificación SO Monotarea o monoproceso Multitarea o multiproceso Monousuario Multiusuario Obligatoriamente multitarea Tb se llama de tiempo compartido 5 Funciones del SO Gestor de recursos (CPU, memoria ) Asignación y recuperación de recursos. Mantener estructuras necesarias de recursos libres y ocupados Asignación según disponibilidad y prioridades, resolviendo conflictos. Recuperación de recursos (garbage collection) Protección Programas Información (usuarios) Contabilidad/monitorización Estadísticas, rendimiento, cuotas Futuras mejoras, facturacion. Soporte de usuarios Concepto de usuario (uid), grupo (gid). Administrador, superusuario, root. Acceso, cuotas, prioridades, etc. Detección y tratamiento de errores Internos y externos (memoria, dispositivos) Software (overflow, acceso a memoria) Denegación de petición al SO (memoria, etc.) Ejecución de servicios (Máquina extendida) Ejecución de programas (procesos) Lanzar, parar, información, comunicación y sincronizacion. Ordenes de E/S Pantalla, puertos Operaciones sobre archivos Creación, borrado, escritura, lectura. Interfaz de usuario Shell (interprete de mandatos, NO caracteriza al sistema operativo) Bucle infinito Alfanuméricas y graficas Shell script TAREAS del SO: Ejecución de procesos Gestor de memoria Comunicación y sincronización de procesos Gestor E/S Gestor archivos y directorios Seguridad y proteccion Comunicación con el usuario: interfaz programador y usuario 6 3

4 Niveles del SO HAL Kernel (nucleo) Memoria ppal. Funciones mas frecuentes, gestor de tareas y servicios drivers Servicios Memoria, seguridad, alimentacion, procesos, ficheros API Shell Usuario Programador Shell APIs Programas Utilidades Modo usuario Servicios Modo nucleo Kernel HAL Hardware Programador SO 7 Componentes del SO Kernel (núcleo) Gestión recursos, interrupciones y manejo básico de memoria drivers Servicios Gestión de procesos Gestión de memoria Gestión E/S Gestión de archivos y directorios Comunicación y sincronización de procesos Seguridad y protección API Win32 y POSIX (excluyentes) Shell Varios simultáneamente Shell Programas APIs Servicios Kernel HAL Utilidades Modo usuario Modo nucleo Hardware 8 4

5 Estructura del SO SO monolíticos Un único espacio de direcciones Todo se ejecuta en modo núcleo Sistemas pequeños que han crecido (MS-DOS y UNIX) Complejidad de modificación, desarrollo y depuración (no encapsulacion) W2K 32 Millones líneas SO estructurados Sistemas por capas Modularidad y ocultación de la información OS/2 Capa 3: Gestión E/S Modelo cliente-servidor Micronucleo Mensajes Minix, WinNT (servidores en modo núcleo) Capa 0: Hardware Desventaja: sobrecarga. Capa 5: Programas de usuario Capa 4: Controlador consola Capa 2: Gestión de Memoria Capa 1: Planificación CPU y multiprogr. 9 Ejemplo: NT 10 5

6 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 11 Arranque del computador El Reset carga valores predefinidos en registros y el PC apunta al cargador ROM Se ejecuta el cargador (iniciador) ROM del sistema Test Hardware Trae a memoria el boot (cargador) del SO Salta al boot del SO En el caso del PC la ROM contiene además software de E/S (BIOS) 12 6

7 Arranque sistema operativo Boot SO en zona predefinida (ej: 4 primeros sectores, MBR) Convenio entre iniciador ROM y SO sobre ubicación, dirección de arranque y tamaño del cargador del SO Diskette, CD-ROM, Disco Verificación mediante contraseña en posición prefijada. El iniciador ROM comprueba que es un cargador de SO. El cargador del SO puede redireccionar Múltiples SO (Linux Loader LILO, Grand Unified Bootloader GRUB) Parametros Windows sobreescribe el MBR, que salta directamente al inicio de la partición del sistema. 13 Arranque SO El cargador ROM carga el sector de boot del SO y le da el control El boot del SO: Comprueba el hardware (completa las pruebas del iniciador ROM) Comprueba el sistema de archivos Revisar todos los directorios, largo tiempo. Scandisk Establece las tablas del SO (procesos, memoria, E/S) Se carga el SO residente (siempre en memoria) Crea procesos (según el SO) Proceso INIT Procesos o tareas del sistema (demonio) Procesos de login (uno por terminal) Tras la autenticación, el proceso login se convierte en shell Monousuario se convierte automáticamente. El shell ejecuta archivos de mandatos o shellscripts Autoexec.bat en MS-DOS,.login.cshhrc en linux 14 7

8 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 15 Gestión de procesos Definición: Un proceso es un programa en ejecución Una instancia de un programa corriendo La unidad de procesamiento gestionada por el SO Una entidad que puede ser asignada y ejecutada por el procesador Una unidad de actividad caracterizada por el procesamiento secuencial, un estado y un conjunto de recursos. 16 8

9 Gestión de procesos Un proceso necesita recursos: CPU, memoria, ficheros El SO tiene la responsabilidad de gestionar los procesos: Creación y destrucción Suspensión y reanudacion Multiproceso (planificación, activación) Gestionar interrupciones y concurrencia Asignación y mantenimiento de los recursos. Proporcionar mecanismos de sincronización y comunicación Gestionar los interbloqueos. 17 Elementos de un proceso Ejecutable Archivos de datos asociados Contexto del proceso BCP, tablas memoria, tablas E/S, registros (estado del procesador) 18 9

10 Elementos de un proceso 19 Servicios de procesos Crear un proceso solicitado por otro proceso A partir de un proceso padre (UNIX) Copia exacta A partir de un archivo ejecutable (Win32) Ejecutar un proceso Batch (no asociado a terminal, de archivo a archivo) Background (demonio, servicios) Interactiva Terminar la ejecución de un proceso Ha terminado Se ha producido una condición de error Otro proceso o el usuario (u otro pero con permisos) deciden terminar. Cambiar el programa que ejecuta un proceso Sustituir el programa que ejecuta el proceso por otro de disco (exec de UNIX) 20 10

11 Ejemplo: NT 21 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 22 11

12 Gestión de memoria Memoria: vector de palabras o bytes cada una con su dirección Compartido por CPU y dispositivos E/S Volatil El SO tiene la responsabilidad de gestionar la memoria: Memoria virtual Mantener un mapa del uso de la memoria Decidir que procesos se deben cargar y donde cuando hay memoria disponible Asignar y liberar espacio de memoria cuando sea necesario Ofrecer servicios para que los procesos puedan compartir memoria. 23 Servicios de gestión de memoria Solicitar memoria Aumenta el espacio de datos del proceso, en caso posible (SO), devolviendo un apuntador que se utiliza como referencia relativa Liberar memoria Vuelve a añadir a la lista de memoria libre Compartir memoria Los procesos pueden crear y liberar este tipo de segmentos de memoria Problemas: Apuntadores inválidos (error fatal) Perdida de memoria (memory leak, no fatal pero acumulativo) 24 12

13 Ejemplo: NT 25 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 26 13

14 Comunicación y sincronización entre procesos Un proceso es un ente independiente y aislado Cuando se divide una tarea compleja en distintos procesos, es necesario que se comuniquen y que se sincronicen. Estos mecanismos deben dar solución a este problema sin violar la seguridad. Cadenas de bytes o estructuras, que deben convenir e interpretar los propios procesos Tipos Locales Remotos 27 Servicios de comunicación y sincronización Servicios de comunicación: Crear el mecanismo Enviar datos a un proceso Recibir datos de un proceso Destruir el servicio Servicios de sincronizacion Crear el mecanismo Bloquear un proceso hasta que ocurra un evento Despertar a un proceso bloqueado Destruir el mecanismo 28 14

15 Tipos de comunicación Síncrona Los dos procesos han de ejecutar los servicios de comunicación al mismo tiempo Asíncrona No tienen que ejecutar los servicios al mismo tiempo 29 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 30 15

16 Gestión E/S Objetivos Facilitar la tarea de los dispositivos periféricos Interfaz sencilla, uniforme Gestión de errores. Ofrecer mecanismos de protección que impidan a los usuarios acceder sin control 31 Gestión E/S El gestor E/S esta formado por: Un sistema global de almacenamiento intermedio en memoria Manejadores genéricos, uno por cada clase de dispositivo Manejadores específicos para cada dispositivo Almacenamiento secundario no volátil en dispositivos (disco) El SO tiene la responsabilidad de gestionar la E/S y el almacenamiento secundario: Traducir peticiones a formato de manejador Copiar memoria de/a memoria de controlador Controlar operaciones por DMA Controlar dispositivos de E/S serie: teclado, ratón, etc. Asignación y liberación de espacio Planificación de accesos a los dispositivos

17 Servicios de E/S Servicios orientados a caracteres: Impresoras, terminales Servicios orientados a bloques La operación de E/S se hace sobre un bloque de información. Discos Independencia del acceso a los dispositivos modelándolos como archivos especiales \dev\ 33 Ejemplo: NT 34 17

18 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 35 Gestión de archivos y directorios Objetivos Facilitar la tarea de los dispositivos periféricos, ofreciendo una visión lógica simplificada de los mismos. Proteger a los usuarios poniendo limitaciones a los archivos que es capaz de manejar un usuario. 2 tipos: Archivos (datos) Directorios (nombres) 2 visiones: Visión lógica Visión física 36 18

19 Gestión de archivos y directorios Archivo: conjunto de información lógicamente relacionada y definida por su creador Directorio: conjunto de identificadores lógicos de archivos y su relación con identificadores internos del SO Archivos frecuentes: programas (fuentes y ejecutables) y datos. El SO tiene la responsabilidad de gestionar los siguientes aspectos: Creación y borrado de archivos y directorios Primitivas para manipular archivos y directorios. Proyectar los ficheros sobre almacenamiento secundario. 37 Visión lógica del sistema de archivos Archivo: Informacion asociada a un nombre Tipo de archivo (datos, ejecutable ) Propietario (usuario) y grupo del usuario Tamaño del archivo. Menor que el espacio de disco asignado, ya que el ultimo bloque puede quedar a mitad. Instantes (fecha y hora) Creación Modificación Ultimo acceso Derechos de acceso (lectura, escritura, ejecucion) 38 19

20 Visión lógica de un archivo Vector de bytes Flexibilidad Puntero de posicion 39 Visión física de un archivo Elementos físicos del periférico Enumeración ordenada de los bloques en los que reside el archivo Bloque (numero prefijado de sectores, potencia de 2) vs. Sector Estructura de información que recoja esta información: descripción física FAT en MS-DOS y nodo-i en UNIX Residen en el propio disco, para que sea autocontenido. El servidor de archivos encuentra e interpreta estas estructuras 40 20

21 Servicios de archivos Aplicadas a la visión lógica: Crear un archivo => int creat(const char*path int oflag) Vacio Interpretación del nombre Permisos Devuelve un identificador del archivo (abierto) Abrir un archivo => int open(const char*path int oflag) Nombre Permisos Devuelve un identificador del archivo (abierto) Escribir y leer (de memoria a fichero) write(int file, void*b, size_t num) Utilizan el identificador en lugar del nombre Utilizan el puntero (fscanf) Cerrar un archivo Elimina identificador y libera recursos Borrar un archivo int unlink(const char* path) Borra su nombre, marca libres los bloques de datos y la metainformacion. Vida de un archivo Se crea un archivo Se abre: se genera un descriptor de archivo Se escribe y lee (puede crecer) Se cierra Se borra 41 Esquema jerárquico de un directorio Directorio es un objeto que relaciona un nombre con un archivo Nombre->Archivo univoca Archivo ->Nombre puede ser múltiple (link) Visión lógica: jerarquía facilita esta unicidad Caminos relativos y absolutos (.,.. /) Visión física: Archivo de nombres-identificadores 42 21

22 Servicios de directorios Crear un directorio mkdir vs. int mkdir(const char*path, mode_t mode) Borrar un directorio rmdir vs. int rmdir(const char*path) Abrir un directorio DIR* opendir (const char* dirname); Leer un directorio Cambiar directorio int chdir(const char* path) Directorio actual int getcwd(const char* current_dir,int tam) Cerrar un directorio int closedir(dir* dirp) 43 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 44 22

23 Seguridad y protección Protección: controlar accesos a los recursos de usuario y sistema Garantizar la identidad del usuario: autenticación Definir lo que puede hacer: privilegios. Definir el acceso a archivos: permisos. El servidor de protección debe: Distinguir entre uso autorizado y no autorizado Especificar los controles de acceso a llevar a cabo Auditoria de acceso. Seguridad: proteger al sistema de un uso indebido Evitar amenazas al sistema (gusanos, virus, piratas) Evitar la intercepción de comunicaciones: (cifrado, canales seguros, etc) 45 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 46 23

24 Activación de los servicios del SO Fuentes de las peticiones: Mandatos de los usuarios interpretados por el shell Llamadas al sistema emitidas por los programas Interrupciones producidas por los periféricos Reloj del computador Condiciones de excepción o error del hardware Forma de solicitar los servicios: Por llamada -> problema de seguridad Por interrupción o trap Rutina de biblioteca Instrucciones maquina que preparan la llamada al SO 47 Fases en la activación del SO 48 24

25 Servicios del SO Los servicios se programan mediante funciones de la interfaz en un lenguaje (C) Interfaz => biblioteca de sistema que prepara la solicitud del servicio con un conjunto de instrucciones que terminan con una instrucción de trap El trap, como toda interrupción es tratada por el SO El SO realiza el servicio pedido y devuelve un valor Ejemplo 49 Paso de llamadas al sistema 50 25

26 Paso de parámetros a las llamadas Tres métodos genéricos para pasar parámetros a las llamadas al sistema: En registros En una tabla de memoria, cuya dirección se pasa al SO en un registro Poner los parámetros en la pila del programa y dejar que el SO los extraiga Cada SO proporciona sus propias llamadas al sistema: Estándar POSIX en UNIX y LINUX Win32 en WindowsNT. 51 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 52 26

27 Interfaz del programador Recupera los servicios del sistema que los usuarios pueden utilizar desde sus programas. Solo una parte del SO Una de las partes mas importantes: la maquina extendida. POSIX Win32 53 POSIX Interfaz de sistemas operativos portables de IEEE basado en UNIX Año 96. UNIX estandar industrial. Portabilidad (fuentes) entre las distintas implementaciones de UNIX (Solaris, IRIX, Linux, etc) y distintas plataformas Familia de estándares (no implementación) en evolución Servicios básicos del SO a Extensiones a los servicios básicos b Extensiones de tiempo real c Extensiones de procesos ligeros Shell y utilidades b Utilidades adicionales ISO/IEC

28 Características POSIX Nombres cortos y en minúsculas fork read close Algunos tipos de datos no se definen en el estándar, sino en la implementación <sys/types.h> Funciones devuelven 0 en caso de éxito o -1 en caso de error, almacenando el error en la variable errno definida en <errno.h> Los recursos gestionados por el sistema operativo se referencian mediante descriptores (enteros>=0) 55 Win32 Servicios ofrecidos por Windows 95/98, NT y 2000 por Microsoft (no es un estándar), totalmente distinto a POSIX Los recursos se referencian con manejadores (No POO). Nombres largos y descriptivos GetFileAttributes CreateNamedPipe Tipos de datos predefinidos BOOL (32 bits, valor logico) DWORD (unsigned int de 32 bits) TCHAR (tipo carácter de 2 bytes) LPSTR (puntero a una cadena de caracteres) Los tipos predefinidos evitan usar el operador indirección (LPSTR=*TCHAR) Notación tipo húngara lpszfilename (puntero largo a cadena acabada en cero) Las funciones devuelven true o false 56 28

29 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 57 Interfaz de usuario Ejecutar un programa o borrar un archivo sin programar. Además de servicios (programador) debe permitir dar instrucciones (ej. Borrar archivo) de modo interactivo (texto rm o grafico) Ha sufrido gran evolución, debido a la expansión de las computadoras en personal no informático Interfaz alfanumérica Grafica Evolución de la integración con el núcleo. Integrado No integrado EL SISTEMA OPERATIVO SE CARACTERIZA POR LOS SERVICIOS QUE PROPORCIONA Y SU FUNCIONALIDAD, NO POR SU INTERFAZ (que puede ser diferente) 58 29

30 Interfaz de usuario No hay acuerdo sobre que programas forman parte de la interfaz del sistema (IE) Funciones Manipulación de archivos y directorios Ejecución de programas Herramientas de desarrollo de aplicaciones (ensamblador) Comunicación con otros sistemas (ftp y telnet, no IE) Información del estado (fecha, memoria disponible) Configuración de la propia interfaz y entorno (idioma, teclado) Intercambio de datos entre aplicaciones Control de acceso (contraseña) Sistema de ayuda interactivo Interfaz de administrador Tipos: Alfanuméricas (interpretes de comandos) Graficas 59 Interprete de mandatos Programa cuya función es obtener los mandatos del usuario y ordenar su ejecución al sistema operativo Hay dos tipos básicos: Interpretes de mandatos internos Interpretes de mandatos externos Casi todos los mandatos son sentencias de control para los gestores del SO descritos (procesos, E/S, ficheros, protección y comunicaciones) Puede haber múltiples interpretes de mandatos sobre el mismo SO -> la visión del mismo SO cambia según el usado. Ejemplo: POSIX sobre Windows o Win32 sobre Linux Espera un comando (con sus argumentos) definido por un retorno de carro, lo ejecuta y vuelve a mostrar el prompt 60 30

31 Interprete mandatos internos MS-DOS (command.com) algunos externos, DISKCOPY 61 Interprete mandatos externos El anterior puede ser muy grande Unix Shells, excepto algunos comandos como cambiar de directorio 62 31

32 Shell script Archivos de texto que contienen comandos ejecutables por el interprete de mandatos Secuencial No binario Admite IF, GOTO Debe tener permiso ejecución chmod a+x MiScript 63 Interfaz grafica Graphical user interface, GUI Usuarios no especialistas Potencia del PC. Xerox PARC (Alto), Apple, Unix X, por ultimo MS-DOS (Windows) Características Ventanas, iconos y menús Internamente Gestor de ventanas Administrador de programas (arrancar aplicaciones) Gestor de archivos Herramienta de configuración (de la interfaz) Otros Intercambio de datos entre aplicaciones (copiar y pegar) Ayuda interactiva API grafica Acceso a la interfaz alfanumérica 64 32

33 Índice Introducción Definición Objetivos Niveles Componentes y estructura Arranque del SO Funciones Gestión de procesos Gestión de memoria Comunicación y sincronización entre procesos Gestión E/S Gestión archivos y directorios Seguridad y protección Activación del SO Interfaz del SO Programador Usuario Historia de los SO 65 Historia de los SO Prehistoria (años 40) Primeras computadoras No existían SO El programa se codificaba a mano y se introducía mediante tarjetas perforadas Impresión en cinta Trabajos en serie Primera generacion (años 50) Los trabajos siguen ejecutandose en serie. Se procesan trabajos por lotes, con mecanismos rapidos de cambio entre trabajos, y recuperacion en caso de que un trabajo acabe en error. JCL Rutinas E/S (manejadores de dispositivos) 66 33

34 Historia SO Segunda generación (años 60) Aparece el concepto de multiprogramación Aparecen conceptos Multiprocesador Independencia del dispositivo Tiempo compartido (interactividad) Rodajas Sistemas de tiempo real Sistemas CTSS MIT MULTICS, MIT y laboratorios BELL, origen de UNIX 67 Historia SO Tercera generación (años 70) Sistemas de propósito general Por lotes Multiprogramación Tiempo compartido Modo multiprocesador Caracterizados Complejidad SO Dificultad de aprendizaje Recursos UNIX (v6) se reescribe en C BSD => sockets y memoria virtual Solaris, IRIX

35 Historia SO Cuarta generacion (años 80->actual) SO para PC (MS-DOS, Windows y LINUX) Aparecen SO de tiempo real (QNX) Procesamiento distribuido SO distribuidos (Mach, Amoeba) Middleware (CORBA, DCOM) Interfaces de programacion (POSIX) 69 35