Fundamentos de Sistemas Operativos

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1 Fundamentos de Sistemas Operativos Sistemas Informáticos Fede Pérez Índice TEMA Fundamentos de Sistemas Operativos 1. - Introducción 2. - El Sistema Operativo como parte de un Sistema de Computación 2.1 Componentes Esenciales de un Sistema de Computación 2.2 Funciones de un Sistema Operativo 2.3 Enfoque Jerárquico de un Sistema Operativo 2.4 Elementos de un Sistema Operativo 3. Tipos de Sistemas Operativos 3.1 Primeros Sistemas 3.2 Sistemas Monitor Simple; Sistemas por Lotes Sencillos 3.3 Sistemas por Lotes Multiprogramados 3.4 Sistemas de Tiempo Compartido 3.5 Sistemas de Computador Personal 3.6 Sistemas Paralelos 3.7 Sistemas Distribuidos 3.7 Sistemas de Tiempo Real 4. Funcionamiento de los Sistemas de Computación 5. Elementos de Sistemas Operativos 5.1 Componentes del Sistema 5.2 Servicios del Sistema Operativo 5.3 Llamadas al Sistema 5.4 Programas de Sistema 6. Arquitecturas de Sistemas Operativos 6.1 Estructura del Sistema

2 Definición Sistema Operativo Es un programa que actúa como intermediario entre el usuario de un computador y el hardware de éste s de un Sistema Operativo Ejecución de programas de usuario Amigabilidad Eficiencia Servicios de un Sistema Operativo asignar recursos del ordenador (CPU, memoria,...) a los programas dar acceso indirecto a los dispositivos del ordenador y a los periféricos proporcionar un sistema organizado de almacenamiento de datos comunicación interactiva con el usuario Componentes Esenciales de un Sistema de Computación Componentes de un Sistema de Computación el hardware los programas de aplicación los usuarios el sistema operativo

3 Funciones de un Sistema Operativo Funciones de un Sistema Operativo Asignar Recursos Programa de Control Facilitador de tareas de usuarios Usuarios Información Máquina Virtual Datos Hardware Sistema Operativo Programas de Aplicación Enfoque Jerárquico de un Sistema Operativo Máquina Desnuda Características físicas del computador (hardware), sin ningún revestimiento lógico (software) Entorno árido de programación Conocimiento profundo del sistema Máquina Extendida Máquina virtual que se constituye a partir de la máquina desnuda dotada de módulos lógicos Amigable Eficiente Segura Dos Niveles Máquina Extendida Interna Operaciones elementales y comunes que actúan sobre algún elemento físico del sistema Máquina Extendida Externa Módulos físicos que pueden extraerse y funcionar sobre el nivel de máquina extendida interna

4 Elementos de un Sistema Operativo Elementos Software de un Sistema Operativo Núcleo o Kernel Programas de Aplicación Núcleo Kernel Tipos Sistemas Operativos Primeras Realizaciones Primeros Ordenadores (antes de los 50) Máquinas muy grandes que carecían de elementos lógicos Características El programador debía ser operador Explotación mediante listas de reserva Problemas: Tiempo asignado insuficiente Tiempo asignado mayor Primeras Mejoras Dispositivos Físicos: lectoras, impresoras, cintas Dispositivos lógicos: ensambladores, cargadores, linkadores y drivers Lenguajes de alto nivel: compiladores (FORTRAN, COBOL) Problemas Uso ineficiente de recursos Baja utilización de la CPU Tiempo requerido para dejar listo un programa para ejecución (setup time)

5 Sistemas Monitores Residentes Disminuir el setup time Operador Profesional Estrategia de explotación: agrupación por Lotes Secuenciamiento automático de trabajos Control de finalización de tareas Tratamiento de errores Carga y ejecución automática de la siguiente tarea Memoria Sistema Operativo Primer Sistema Operativo Monitor residente, realiza automáticamente el secuenciamiento de tareas Introduce tarjetas de Control ($FNT $JOB $END) Funciones Intérprete de tarjetas de Control Cargador Drivers de dispositivos Problemas Falta de iteración entre usuario y maquina Lentitud frente a operaciones de E/S Área de Programas de Usuario Sistemas por Lotes Operaciones de E/S Mejorar el rendimiento de los sistemas por lotes perfeccionando técnicas de E/S Técnicas Buffering Esquema de operación de E/S en el que las transferencias de E/S se realizan a través de un área intermedia de memoria (buffer) Permite solapar operaciones de E/S de una tarea con instrucciones de CPU de esa misma tarea Operaciones Off-line Modo de operación de ciertos equipos de E/S que trabajan no controlados directamente por la CPU Se reemplazan dispositivos mecánicos por dispositivos electrónicos (cintas mágnéticas) Operaciones On-line (Spooling) (Simultaneous Peripheral Operation On-Line) Consiste en usar el disco como tampón o sistema de buffering. Existe una tarea especial el spooler Permite solapar operaciones de E/S de una tarea con instrucciones de CPU de otras tareas

6 Sistemas por Lotes Multiprogramados Mejorar el rendimiento de la CPU Motivación Consecuencia de la planificación de tareas (job scheduling) Procedimiento Conmutación de CPU: cuando una tarea deba esperar, los recursos de CPU son asignados a otra tarea preparada para ejecución Tareas del Sistema Operativo Gestión de Memoria Planificación de la CPU Planificación de Trabajos Protección Control de Concurrencia (Dead Lock) Memoria Sistema Operativo Trabajo 1 Trabajo 2 Trabajo 3 Sistemas de Tiempo Compartido Mejorar la interactividad con el usuario Caracterización Sistemas multiprogramados e interactivos. Asignación de la CPU en rodajas de tiempo a todos los usuarios, consiguiendo: Tiempos de respuesta cortos Impresión de usuario único Tareas del Sistema Operativo Sistema Multitarea (tarea <> proceso) Sistema Interactivo Sistema de Archivos (archivos/directorios) Sistema Multiusuario Memoria Virtual (memoria lógica)

7 Sistemas de Computador Personal Sistemas de computador dedicados a un solo usuario Propiedades Adaptados al usuario y sus necesidades Dispositivos de E/S Teclado Ratón Pantallas Pequeñas impresoras Características Adoptan funcionalidades de grandes sistemas No necesitan características de utilización eficiente de CPU, ni protección Sistemas Paralelos Sistemas multiprocesador. Sistemas fuertemente acoplados Propiedades Con más de un procesador, comparten bus, reloj, memoria, periféricos,... Características Mayor rendimiento Compartir recursos Sistemas tolerantes a fallos Sistemas de multiprocesamiento Multiprocesamiento simétrico: cada procesador ejecuta una copia del sistema operativo Multiprocesamiento asimétrico: cada procesador tiene una tarea específica

8 Sistemas Distribuidos Sistemas multicomputador (distribuir el cómputo entre varios procesadores). Sistemas débilmente acoplados Propiedades Los procesadores no comparten ni memoria, ni reloj. Se comunican entre sí a través de líneas de comunicación Características Recursos compartidos Computación más rápida Confiabilidad Comunicación Sistemas de Tiempo Real Los requisitos de tiempo de la operación de procesador o del flujo de datos son estrictos Tipos Tiempo real duro: garantiza que las tareas críticas se terminarán a tiempo Tiempo real bando: una tarea de tiempo real crítica tiene prioridad respecto a otras tareas

9 Funcionamiento de los Sistemas de Computación Sistema de Computación Controlador de dispositivo Bus de sistema Memoria compartida Controlador Controlador de dispositivo: componente hardware device controler Controlador software: componente software device driver Programa de Arranque Init: primer proceso Interrupción: Interrupción hardware: a través de bus de sistema Interrupción software: Llamada al sistema Elementos de Sistemas Operativos Componentes del Sistema Gestión de Procesos crear y eliminar procesos, tanto de usuario como de sistema suspender y reanudar procesos proveer mecanismos para la sincronización de procesos proveer mecanismos para la comunicación de procesos proveer mecanismos para manejar bloqueos mutuos (dead locks) Gestión de Memoria Principal conocer el estado actual de la memoria y quien la está utilizando decidir que procesos se cargarán en la memoria cuando se disponga de espacio asignar y liberar espacio de memoria según se necesite suspender y reanudar procesos Gestión de Archivos crear y eliminar archivos crear y eliminar directorios proveer primitivas para la manipulación de archivos y directorios establecer la correspondencia de los archivos con el almacenamiento secundario resguardar los archivos en medios de almacenamiento estables (no volátiles) Gestión del Sistema de E/S crear y eliminar directorios un componente de gestión de memoria que incluye buffers, cachés, y spool un interfaz general con los controladores de dispositivos Drivers (controladores software) Gestión de Almacenamiento Secundario administración del espacio libre de almacenamiento secundario asignación del almacenamiento planificación del almacenamiento secundario Trabajo con Redes Sistema de Protección Sistema de Interpretación de Órdenes intérprete de línea de comandos interfaz gráfica de usuario

10 Elementos de Sistemas Operativos Servicios del Sistema Servicios para comodidad del programador Ejecución de Programas Operaciones de E/S Manipulación de Sistema de Archivos Asignación de recursos Contabilización Protección Servicios para aseguran el funcionamiento eficiente Comunicaciones Detección de Errores Elementos de Sistemas Operativos Llamadas al Sistema Llamadas al Sistema Interfaz entre el proceso y el Sistema Operativo Disponibles como instrucciones en lenguaje ensamblador o lenguajes de alto nivel, y se listan en los manuales empleados en la programación del lenguaje Categorías 1. Control de procesos y tareas cargar, ejecutar fin, abortar crear proceso, terminar proceso obtener atributos, establecer atributos del proceso esperar tiempo esperar sucesos, indicar sucesos asignar, liberar memoria 2. Manipulación de Archivos crear, eliminar abrir, cerrar leer, escribir, reposicionar obtener atributos, establecer atributos 3. Manipulación de Dispositivos solicitar, liberar leer, escribir, reposicionar obtener atributos, establecer atributos conectar, desconectar lógicamente 4. Mantenimiento de Información obtener, establecer fecha y hora obtener, establecer datos del sistema obtener atributos de proceso, archivo o dispositivo establecer atributos de proceso, archivo o dispositivo 5. Comunicaciones crear, eliminar conexión enviar, recibir mensajes transferir información de estado conectar, desconectar dispositivos remotos

11 Elementos de Sistemas Operativos Programas del Sistema Programas del Sistema Algunos de ellos son interfaces entre el usuario y las llamadas al sistema, mientras que otros son mucho más complejos Ubicados en el núcleo del sistema operativo y los programas de usuario Categorías 1. Manipulación de Archivos crear, eliminar, copiar, cambiar nombre, Información de Estado fecha, hora, espacio de disco, número de usuarios, Modificación de Archivos editores de texto, Apoyo a Lenguajes de Programación ensambladores, compiladores, intérpretes, Carga y Ejecución de Programas ensambladores, compiladores, intérpretes, Comunicaciones acceso remoto, transferencia de archivos, correo electrónico,... Arquitectura de Sistemas Operativos Estructura del Sistema Modelos de Diseño Forma en que se puede construir un Sistema Operativo para que funcione correctamente y pueda modificarse con facilidad. 1. Estructura Simple: D.O.S 2. Modelo de Capas: UNIX, OS/2 3. Modelo de Máquina Virtual: VM 4. Modelo Cliente/Servidor: Windows-NT

12 Arquitectura de Sistemas Operativos Estructura Simple Estructura Simple Los sistemas operativos con esta estructura son generalmente sistemas pequeños, sencillos y limitados. Los recursos se estructuran por bloques. Máximo de funcionalidad en un mínimo de espacio, con hardware limitado Programa de Aplicación Núcleo del Sistema Residente Controladores de dispositivos de S.O. Usuarios Shells y órdenes Compiladores e intérpretes Bibliotecas del sistema Interfaz con el núcleo mediante llamadas al sistema Controladores de dispositivos en ROM BIOS Estructura de bloques de D.O.S. Manejo de terminales por señales Sistema de E/S por caracteres Drivers de terminales Sistema de archivos Sistema de E/S por intercambio de bloques Drivers de disco y cinta Planificación de CPU Reemplazo de páginas Paginación por demanda Memoria virtual Interfaz del núcleo con el hardware Controladores de Terminales Controladores de Dispositivos Controladores de Memoria Terminales Discos y Cintas Memoria Física Estructura de bloques de UNIX Clásico Arquitectura de Sistemas Operativos Estructura por Capas Modelo por Capas Diseñados para utilización de hardware más avanzado, estos sistemas operativos se encuentran mucho más fragmentados. s 1. Mayor libertad para implementadores 2. Modularidad en los sistemas 3. Ocultamiento de información para que los programadores Operaciones nuevas Operaciones existentes Operaciones ocultas Capa M Capa M-1 Capa de un Sistema Operativo Capa 6: Programas de Usuario Capa 5: Controladores de dispositivos Capa 4: Memoria virtual Capa 3: Canal de E/S Capa 2: Planificación de CPU Capa 1: Intérprete de instrucciones Capa 0: Hardware Estructura de capas de Venus

13 Arquitectura de Sistemas Operativos Máquinas Virtuales Máquinas Virtuales Utilizando planificación de la CPU y técnicas de memoria virtual, un sistema operativo puede crear la ilusión de que múltiples procesos se ejecutan cada uno en su propio sistema. Otro tipo de visión de máquina virtual es la de Java, donde los programas se ejecutan sobre una JVM (Java Virtual Machine), haciendo a los programas independientes del hardware utilizado. Procesos Procesos Interfaz de programación Núcleo Hardware Máquina no virtual Procesos Procesos Núcleo Núcleo Núcleo Máquina Virtual Hardware Máquina virtual

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