Cap.2. Kernel Sistemas Operativos - Viña del Mar.

Transcripción

1 Cap.2. Kernel Sistemas Operativos - Viña del Mar. Maximiliano Osorio mosorio@inf.utfsm.cl Universidad Técnica Federico Santa Maria 19 de agosto de / 44

2 Tabla de contenidos 1 Proceso Protección de memoria Memoria virtual 2 Modo dual de operación Definiciones Interrupción Excepción Llamada de sistema 2 / 44

3 Proceso Proceso Definición Instancia de un programa corriendo con derechos limitados. 3 / 44

4 Proceso Componentes Un proceso es más que código Program counter: contiene o la dirección de la instrucción que es ejecutada. Stack: data temporal (parametros de funciones, direcciones de retorno y variable globales) Data section: variables globales. Heap: memoria dinamica que se aloca en el tiempo real. 4 / 44

5 Proceso Estados de proceso Nuevo: El proceso ha sido creado Corriendo: Instrucciones están haciendo ejecutadas. Esperando: El proceso está esperando algún evento que ocurra Listo: El proceso está esperando al procesador Terminado: El procesador ha terminado la ejecución 5 / 44

6 Proceso Estados de proceso 6 / 44

7 Proceso Process Control Block Definición Cada proceso está representado en el sistema operativo por un process control block Estado del proceso. Program counter CPU register CPU scheduling Memory management 7 / 44

8 Proceso Representación de un proceso en Linux pid t_pid ; /* process identifier */ long state ; /* state of the process */ unsigned int time_slice /* scheduling information */ struct task_struct * parent ; /* this process s parent */ struct list_head children ; /* this process s children */ struct files_struct * files ; /* list of open files */ struct mm_struct * mm; /* address space of this process */ 8 / 44

9 Proceso Protección de memoria Motivación Cómo el hardware limita que un programa pueda acceder a su propia memoria? 9 / 44

10 Proceso Protección de memoria Protección de memoria Processor s View Implementation Physical Memory Processor Virtual Address Virtual Memory Processor Virtual Address Base Physical Address Base Bound Base+ Bound Raise Exception 10 / 44

11 Proceso Protección de memoria Protección de memoria No es la solución final Cuál son los problemas? No se puede expandir el Heap y Stack No se puede compartir memoria Una vez que el programa comienza no se puede relocaliazar 11 / 44

12 Proceso Protección de memoria Alguna idea de como solucionar esto? 12 / 44

13 Proceso Protección de memoria Direcciones de memoria virtual Direcciones virtuales se convierten en direcciones físicas a través de una tabla. Virtual Address Translation Box ok? yes Physical Address Processor no Physical Memory raise exception Instruction fetch or data read/write (untranslated) 13 / 44

14 Proceso Protección de memoria Direcciones de memoria virtual Traducción por hardware usando tablas. Virtual Addresses (Process Layout) Physical Memory Code Data Heap Code Data Heap Stack Stack 14 / 44

15 Modo dual de operación 15 / 44

16 Definiciones Modo Dual de Operación En orden de asegurar que se pueda distinguir entre la ejecución entre sistemas operativos y código usuario. Los sistemas modernos proveen soporte hardware. Un bit llamado mode bit, es añadir al hardware para indicar el modo Kernel 0 User 1 16 / 44

17 Definiciones Modo Dual de Operación Modo kernel Ejecución con todos los privilegios del HW. Read/write a cualquier dirección de memoria, acceso a cualquier dispositivo de I/O, read/write a cualquier sector de disco, enviar y leer cualquier paquete de datos. Modo usuario Se chequea la instrucción antes de ejecutarla para verificar si está permitida. Privilegios restringidos. Sólo aquellos concedidos por el kernel del SO. 17 / 44

18 Definiciones Instrucciones privilegiadas El hardware permite instrucciones privilegiadas para ser ejecutadas sólo en modo kernel. Si existe un intento de utilizar alguna de estas instrucciones en el modo usuario, el hardware no ejecuta la instrucción y la trata como una excepción 18 / 44

19 Definiciones Ejemplos de instrucciones privilegiadas La instrucción para cambiar de modo usuario a modo kernel es una instrucción privilegiadas. Otros ejemplos son: cargar memoria. 19 / 44

20 Definiciones Modo dual 20 / 44

21 Definiciones Modo usuario a modo kernel Interrupciones Trap o excepciones System call (llamadas de sistemas) 21 / 44

22 Interrupción Interrupción Definición Un interrupción es una señal al procesador emitida por hardware o software indicando un evento que necesita atención. Por ejemplo, presionar una tecla del teclado o el mouse genera una interrupción de hardware que causa el procesador lea la tecla y posición. 22 / 44

23 Interrupción Tipos de interrupción Se puede definir que existen dos tipos de interrupciones: Hardware: Producida por un dispositivo externo Software: 23 / 44

24 Interrupción Tratamientos de interrupciones Cuando se produce una interrupción: 1. Almacena el estado de la ejecución del proceso en el Bloque de Control de procesos (PCB). 2. Se pasa la CPU a modo kernel. 3. Se ejecuta el código del sistema operativo que realiza el tratamiento de la interrupción. Este decide la acción correspondiente dependiendo del tipo de interrupción. 4. Se devuelve el control de la ejecución al planificador del sistema operativo. 24 / 44

25 Interrupción Mecanismo básico de interrupción CPU hardware tiene una ĺınea llamada interrupt-request line que el computador consulta después de cada instrucción. Si se detecta una señal, la CPU guarda el estado y salta interrupt-handler routine. interrupt-handler routine determina la causa y realiza el procesamiento adecuado. Realiza la restauración y ejecuta la instrucción siguiente. 25 / 44

26 Interrupción Ejemplo con disco 26 / 44

27 Interrupción Lineas de interrupción No-mascarable: Que es reservada para eventos especiales. (Errores de memoria no recuperable). Mascarable: Esta puede ser apagada por la CPU antes que una instrucción crítica que no debe ser interrupida. 27 / 44

28 Interrupción Vector de interrupción El mecanismo de interrupción acepta una dirección, donde se encuentra la interrupt-handler routine Esta dirección es un offset en una tabla llamada vector de interrupción. Este vector contiene las direcciones de interrupt-handler 28 / 44

29 Interrupción Vector de interrupciones Definición el vector de interrupciones es un vector que almacena la dirección de atención a la interrupción. En muchas arquitecturas de computación típicas, los vectores de interrupción se almacenan en una tabla en una zona de memoria, la llamada tabla de vectores de interrupción 29 / 44

30 Interrupción Vector de interrupción Processor Register Interrupt Vector handletimerinterrupt() {... } handledividebyzero() {... } handlesystemcall() {... } 30 / 44

31 Interrupción Timer Para asegurar que el sistema operativo mantenga el control sobre la CPU. Evitar que exista un loop infinito. Para lograr lo anterior se usa un timer. El timer puede interrumpir la CPU luego de un tiempo en especifico. Si el timer interrumpe, el control se pasa al modo kernel, para luego darle tiempo a otro proceso. Modificar el timer es una instrucción priviliegiada. 31 / 44

32 Excepción Excepción Definición Una excepción es un tipo de interrupción sincrónica causada por un condición excepcional. (division by zero, invalid memory access). 32 / 44

33 Llamada de sistema System Call Qué hace? System call entregan la posibilidad que un programa de usuario pueda preguntar al sistemas operativo realizar tareas reservadas. Qué es? Llamada al sistema (en inglés system call) es el mecanismo usado por una aplicación para solicitar un servicio al sistema operativo. Un system call se invocan en distintas formas dependiendo que la funcionalidad entregada por el procesador. 33 / 44

34 Llamada de sistema System Call Cuando una llamada de sistemas es ejecutada, tipicamente es tratada como por el hardware como una interrupción de software, el control es pasado a través del interrupt vector a una rutina del sistema operativo 34 / 44

35 Llamada de sistema System Call Esta rutina es parte del sistema operativo. El kernel examina la instrucción para determinar que syscall ha sucedido, un parámetro indica que tipo de servicio ha pedido el usuario. 35 / 44

36 Llamada de sistema System Call El kernel verifica que los parametros sean correctos y legales, ejecuta la solicitud y retorna el control a la instrucción siguiente del syscall 36 / 44

37 Llamada de sistema Ejemplo Ejemplo: Un programa que escriba desde un archivo a otro archivo. 37 / 44

38 Llamada de sistema Syscall - API Los programadores nunca ven este nivel de detalle. Tipicamente, los desarrolladores diseñan programas acorde a interfaces application programming interface (API) API especifica un set de funciones que se encuentran disponibles para el usuario. system calls son complejas y dificiles de implementar. 38 / 44

39 Llamada de sistema API conocidas Windows API POSIX Java API 39 / 44

40 Llamada de sistema System call interface La mayoría de los lenguajes provee un interfaz system-call interface que sirve como link para las syscall implementandas en el sistema operativo. 40 / 44

41 Llamada de sistema open posix 41 / 44

42 Llamada de sistema read posix 42 / 44

43 Llamada de sistema Tipos de syscall 43 / 44

44 Llamada de sistema PCB 44 / 44