El soporte del sistema operativo. Hace que un computador sea más fácil de usar. Permite que los recursos del computador se aprovechen mejor.

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1 El soporte del sistema operativo Objetivos y funciones del sistema operativo Comodidad Hace que un computador sea más fácil de usar. Eficiencia Permite que los recursos del computador se aprovechen mejor. El SO es un programa: pequeño, eficiente (queremos que el ordenador haga cosas útiles ). 1

2 Capas y puntos de vista de un computador Usuario final Programas de aplicación Programador Utilidades Sistema operativo Diseñador del sistema operativo Hardware del computador Servicios del sistema operativo Creación de programas de programas Acceso a los dispositivos de E/S Acceso controlado a los ficheros Acceso al sistema Detección de errores y respuesta Contabilidad 2

3 El sistema operativo como gestor de recursos COMPUTADOR Memoria Software del sistema operativo Programas y datos Controles de E/S DISPOSITIVOS DE E/S Procesador Procesador Almacenamiento S.O. Programas Datos Tipos de sistemas operativos Interactivos Sistemas de colas Un solo programa (monoprogramados) Multiprogramados (multiárea) 3

4 Los primeros sistemas De finales de los 40 a mediados de los 50. No eran sistemas operativos. El programador interactuaba directamente con el hardware. Dos problemas fundamentales: Planificación Tiempo de preparación Sistemas de colas simples Programa monitor residente. El ususario envía los trabajos a un operador. El operador pone los trabajos en cola. El monitor controla la secuencia de eventos para procesar la cola. Cuando el trabajo termina, se devuelve el control al monitor, que inmediatamente lee el siguiente trabajo. El monitor se encarga de la planificación. 4

5 Funciones necesarias del hardware Protección de memoria Para proteger el monitor. Temporización Para evitar que un único trabajo monopolice el sistema. Instrucciones privilegiadas Sólo pueden ser ejecutadas por el monitor. Ejemplo: instrucciones de E/S. Interrupciones Permite al procesador ceder y recuperar el control. Sistemas de colas multiprogramados Los dispositivos de E/S son muy lentos. Mientras que un programa está esperando una instrucción de E/S, otro puede utilizar la CPU. 5

6 Monoprogramación Espera Espera Tiempo Multiprogramación de dos programas Programa A Espera Espera Programa B Espera Espera Espera A B A B Combinado Espera Espera Tiempo 6

7 Multiprogramación de tres programas Programa A Espera Espera Programa B Espera Espera Espera Programa C Espera Espera Espera Combinado A B C A B C Tiempo Sistemas de tiempo compartido Permiten al usuario interactuar directamente con el computador. Ejemplo: en trabajos interactivos La multiprogramación permite a un determinado número de usuarios interactuar con el computador. 7

8 Planificación Es la clave de la multiprogramación Planificación a largo plazo Planificación a medio plazo Planificación a corto plazo Planificación de E/S Planificación a largo plazo Determina qué programas se admiten para ser procesados. De este modo, controla el grado de multiprogramación. Una vez admitido, un trabajo pasa a ser un proceso y se añade a una cola asociada al planificador a corto plazo. En algunos sistemas, se produce una función de intercambio y el trabajo se añade a la cola del planificador a medio plazo. 8

9 Planificación a medio plazo Normalmente se basa en la necesidad de gestionar la multiprogramación. Si el sistema no utiliza memoria virtual, este planificador también se encargará de la gestión de la memoria. Planificación a corto plazo También llamado distribuidor. Toma la decisión más específica: qué trabajo se ejecuta a continuación. Es decir, qué trabajo utilizará el procesador durante el próximo tiempo de espera. 9

10 Estados de los procesos Asignar procesador Nuevo Iniciar Preparado En ejecución Salida Salida Suspender Se produce el evento Esperar evento En espera Bloque de control de procesos Identificador Estado Prioridad Contador de programa Punteros a memoria Datos de contexto Información del estado de las E/S Información estadística 10

11 Elementos clave de un sistema operativo Sistema operativo Llamadas a servicios desde procesos Gestor de llamadas a servicios Cola a largo plazo Cola a corto plazo Interrupciones desde procesos Interrupciones desde E/S Gestor de interrupción Planificador a corto plazo Colas de E/S Cede el control Planificación del procesador Solicitud de proceso Cola a largo plazo Cola a corto plazo CPU FINAL E/S Cola de E/S E/S Cola de E/S E/S Cola de E/S 11

12 Gestión de la memoria Monoprogramación La memoria se divide en dos partes. Una para el sistema operativo (el monitor residente). Otra para el programa que se está ejecutando. Multiprogramación La parte de usuario se subdivide y se comparte entre los distintos procesos activos. Intercambio (swapping) Problema: las actividades de E/S son tan lentas en comparación con el procesador que, incluso en los sistemas multiprogramados, puede permanecer inactivo la mayor parte del tiempo. Soluciones: Se puede ampliar la memoria principal. Es caro. Origina procesos mayores. Otra solución es el intercambio. 12

13 Qué es el intercambio? Tenemos una cola a largo plazo de solicitudes de proceso almacenadas en disco. Los procesos se intercambian a medida que queda espacio disponible. Cuando un proceso ha concluido, se saca de la memoria principal. Si ninguno de los procesos en la memoria está en el estado preparado (por ejemplo, si todos están esperando una operación de E/S): El procesador intercambia uno de los procesos bloqueados, situándolo en una cola intermedia. A continuación, acepta una nueva petición de proceso. Pero... el intercambio es una operación de E/S. Definición de particiones La memoria se divide en secciones a las que se asignan los procesos (incluido el sistema operativo). Particiones de tamaño fijo: Pueden tener distinto tamaño. El proceso que se introduce en memoria se sitúa en la partición más pequeña que puede incluirlo. Se desperdicia algo de memoria. Consecuencia:particiones de tamaño variable. 13

14 Particiones fijas Sistema operativo Sistema operativo 2 M 4 M 6 M 12 M 16 M (a) Particiones de igual tamaño (b) Particiones de distinto tamaño Particiones de tamaño variable (1) Se asigna al proceso exactamente la memoria que necesita. Esto deja un hueco al final de la memoria, demasiado pequeño para poderse utilizar. Tan sólo queda un hueco pequeño (se desperdicia menos memoria). Cuando todos los procesos están bloqueados, se saca uno de la memoria y se carga otro nuevo. Puede que el proceso nuevo ocupe menos espacio que el que se ha retirado. Entonces queda otro hueco. 14

15 Particiones de tamaño variable (2) Al final quedan muchos huecos pequeños (fragmentación). Soluciones: Fusión: los huecos contiguos se unen en un hueco más grande. Compactación: de vez en cuando, el sistema operativo desplaza los procesos en memoria para juntar toda la memoria libre en un bloque (frente a la defragmentación de disco). Efecto de la partición dinámica Sistema operativo 128K 896K Sistema operativo Proceso 1 320K Sistema opeativo Proceso 1 Proceso 2 320K 224K Sistema opeativo Proceso 1 Proceso 2 Proceso 3 320K 224K 288K 576K 352K 64K Sistema operativo Proceso 1 Proceso 3 320K 224K 288K Sistema operativo Proceso 1 Proceso 4 Proceso 3 320K 128K 96K 288K 64K Sistema operativo 320K Proceso 4 128K 96K Proceso 3 288K 64K Sistema operativo Proceso 2 224K Proceso 4 96K 128K 96K Proceso 3 288K 64K 64K 15

16 Reposicionamiento No es seguro que el proceso se carguen la misma posición de la memoria. Las instrucciones contienen direcciones: Direcciones de datos Direcciones de instrucciones (de salto) Dirección lógica: indica una posición relativa al comienzo del programa. Dirección física: indica la posición actual en la memoria principal. Conversión automática utilizando la dirección base. Paginación La memoria se divide en partes iguales y relativamente pequeñas (marcos de página). Los programas (procesos) también se dividen en partes iguales y relativamente pequeñas (páginas). Se asigna el número de marcos de página que un proceso necesita. Un proceso no necesita marcos de página contiguos. El procesador utiliza una tabla de páginas para cada proceso. 16

17 Dirección lógica y física: paginación Memoria principal Página 0 de A Número Dirección relativa Número de página dentro de la página de página Dirección relativa dentro del marco Página 1 de A Dirección lógica Dirección física Página 2 de A Página 3 de A Tabla de páginas del proceso A Memoria virtual Paginación por demanda No es necesario que todas las páginas de un proceso se encuentren en la memoria. Cada página se introduce en la memoria sólo cuando se necesita. Fallo de página La página deseada no se encuentra en la memoria. El sistema operativo debe cargar la página deseada. Es posible que el sistema necesite sacar una página para dejar un hueco libre. Se selecciona la página que se va a sacar en función de su historia reciente. 17

18 Hiperpaginación Una memoria pequeña almacena demasiados procesos. El sistema operativo pasa la mayor parte del tiempo intercambiando páginas. Apenas se realizan trabajos efectivos. La luz del disco permanece encendida todo el tiempo. Soluciones: Un buen algoritmo que determine la página que se ha de remplazar. Reducir la cantidad de procesos en curso. Aumentar la memoria. Ventajas No es necesario que la memoria almacene todos los procesos que se van a ejecutar. Podemos intercambiar las páginas que necesitemos. Por lo tanto, podemos ejecutar procesos mayores que toda la memoria. La memoria principal recibe el nombre de memoria real. El programador o usuario percibe una memoria mucho mayor (memoria virtual). 18

19 Estructura de la tabla de páginas Dirección virtual Página # Desplazamiento Tabla de páginas Página # Elemento Cadena (Dispersión) Marco # Marco # Desplazamiento Tabla de dispersión Tabla de páginas invertida Dirección real Funcionamiento de paginación y TLB 19

20 Funcionamiento TLB y caché Segmentación Normalmente la paginación es invisible para el programador. La segmentación, en cambio, es visible. Normalmente el programador asignará segmentos distintos a programas y datos. Puede haber distintos segmentos de programas y de datos. 20

21 Ventajas de la segmentación Simplifica la gestión de estructuras crecientes de datos. Permite modificar los programas y recompilarlos independientemente, sin que sea necesario volver a enlazar y cargarlos todos. Permite que varios procesos compartan segmentos. Se facilita la protección. Algunos sistemas combinan la segmentación y la paginación. 21

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