Estructura de los sistemas de cómputo

Transcripción

1 Estructura de los sistemas de cómputo Introducción Elementos básicos de un computador Registro del procesador Ejecución de las instrucciones Interrupciones Hardware de protección

2 Introducción Qué es un sistema operativo? Un SO es un conjunto de programas que por medio de abstracciones ponen el hw del computador, de modo seguro, a disposición del usuario Conjunto de programas que gestionan los recursos del sistema, optimizan su uso y resuelven conflictos

3 Introducción Qué es un sistema operativo? Es una máquina extendida Esconde los detalles del hardware Presenta una máquina virtual Presenta abstracciones: fichero, proceso, I/O, memoria

4 Introducción Qué es un sistema operativo? Es un gestor de recursos Memoria, procesador, discos, impresoras, Dispositivos no compartidos Protección de memoria Quién utiliza qué recurso? Multiplexar recursos en tiempo y espacio

5 Elementos básicos de un computador Procesador Controla el computador. Lleva el control Realiza funciones de procesamiento de datos y ejecución de instrucciones Si solamente un solo procesador -->CPU Memoria Principal Conocida como memoria real o memoria primaria Almacena datos y programas; Es volátil

6 Elementos básicos de un computador Dispositivos de E/S Transporta datos entre el computador y su entorno exterior Gran variedad de dispositivos (Memoria secundaria, equipos para comunicaciones, terminales, impresoras, etc.) Bus del Sistema Comunicación entre el procesador, la memoria, y los dispositivos E/S

7 Registros del procesador

8 Registros del procesador El procesador lleva el control Una de sus funciones: intercambiar datos con la memoria Para esto hace uso de dos registros internos: Registro de dirección de memoria (MAR): Dirección de memoria donde va hacer la siguiente lectura o escritura Registro de intermedio (buffer) de memoria (MBR): Datos que van a ser escritos en memoria o que fueron leídos de ésta

9 Registros del procesador Otros registros para la comunicación con disp. E/S: I/O AR (Input Output Address Register): especifica un dispositivo I/O BR (Input Output Buffer Register): se utiliza para intercambiar datos entre módulos de E/S y el procesador

10 Registros del procesador Hay un conjunto de registros que ofrecen un nivel de memoria más rápido y pequeño que la memoria principal Registros Visibles para el Usuario Permite al programador reducir al mínimo referencias de memoria principal optimizando uso del registro Registros de control y estado Usados por el procesador para controlar la operación del procesador Usado por las rutinas del Sistema Operativo para controlar la ejecución de programas

11 Registros del procesador Registros Visibles para el Usuario Puedes ser referenciados mediante código máquina o ensamblador (ASM) Disponibles para todos los programas (programas de usuario y del sistema operativo) Se pueden reducir accesos a memoria Lenguajes de alto nivel optimizan código mediante la selección de registros a utilizar. Otros lenguajes como C permiten hacer referencia implícita a registros

12 Registros del procesador Tipo de registros Registros de Datos de propósito general y para uso de cualquier instrucción que requiera realizar operaciones sobre datos Registros de Dirección Registros Índice Añadir un índice a una dirección base para obtener una dirección

13 Registros del procesador Tipo de Registros Registros de Dirección Puntero de segmento Cuando la memoria está dividida en segmentos, la memoria es referenciada por un segmento y un offset (desplazamiento) Puntero de Pila Si hay direccionamiento de pila esta se encuentra en la memoria principal Hay un registro que apunta la cima de la pila.

14 Registros del procesador Tipo de Registros Otra categoría de registros Registros que contienen códigos de condición Parcialmente visibles para el usuario flags o bits activados por el procesador como resultado de determinadas operaciones Conocidos como PSW (Program Status Word)

15 Registros del procesador Registros de control y estado Registros para controlar operaciones del procesador Además de los registros MAR, MBR, IOAR, IOBR hay otro conjunto de registros utilizados por el procesador para la ejecución de programas: Program Counter (PC) Contiene la dirección de la instrucción siguiente Instruction Register (IR) Contiene la última instrucción leída

16 Registros del procesador Registros de control y estado Program Status Word (PSW) Códigos de condición Interrupciones Habilitadas/Deshabilitadas Modo Supervisor/Usuario Códigos o Flags de Condición (PSW) Bits marcados por el procesador como resultado de las operaciones Puede ser accedido por cualquier programa, pero no modificado Ejemplos: Resultado positivo, Resultado negativo, Cero, Overflow

17 Registros del procesador Registros de control y estado Program Status Word (PSW) Códigos de condición Interrupciones Habilitadas/Deshabilitadas Modo Supervisor/Usuario Códigos o Flags de Condición (PSW) Bits marcados por el procesador como resultado de las operaciones Puede ser accedido por cualquier programa, pero no modificado Ejemplos: Resultado positivo, Resultado negativo, Cero, Overflow

18 Registros del procesador

19 Ejecución de las instrucciones Tarea básica de un computador: ejecución de programas Un programa consta de un conjunto de instrucciones almacenadas en memoria El procesador ejecuta las instrucciones especificadas en el programa Ejecución de instrucciones el procesador trae las instrucciones desde la memoria ejecuta cada instrucción El procesamiento de una instrucción: ciclo de instrucción

20 Ejecución de las instrucciones Ciclo de instrucción simple: El procesador trae la instrucción de la memoria La instrucción actual es almacenada en el registro de instrucción (IR) El contador de programa (PC) almacena la dirección de la siguiente instrucción El contador de programa (PC) se incrementa después de cada instrucción que trae

21 Ejecución de las instrucciones Tipos de Instrucciones Procesador-Memoria Transfiere datos entre el procesador y la memoria Procesador E/S Datos transferidos desde o hacia un dispositivo periférico Procesamiento de datos Operaciones aritméticas o lógicas sobre los datos Control Modificar la secuencia de ejecución (saltos)

22 Ejecución de las instrucciones

23 Ejecución de las instrucciones Funciones de E/S Los intercambios de E/S ocurren directamente con la memoria El procesador permite a los módulos de E/S leer o escribir en memoria directamente El procesador cede la responsabilidad del intercambio a los módulos de E/S El procesador está libre para hacer otras operaciones Esta técnica se conoce como Direct Memory Access (DMA)

24 Interrupciones Definición de Interrupción: Interrupción de la secuencia normal de una ejecución Mejora la eficiencia del proceso Permite al procesador ejecutar otra instrucción mientras una operación de E/S está en marcha Una suspensión de un proceso causado por un acontecimiento externo a ese proceso y realizado de una manera tal que el proceso pueda ser recuperado.

25 Interrupciones Clases de Interrupciones De programa Desbordamiento aritmético, división por cero Ejecución de una instrucción ilegal Acceso fuera del espacio de memoria del usuario Reloj interno del procesador E/S Terminación normal. Diferentes cond de error Fallos Hardware

26 Interrupciones Manejador de Interrupciones (interrupt handler) Un programa que determina la naturaleza de la interrupción y realiza las acciones necesarias El control es transferido a este programa Tras la ejecución de este programa el control pasa a la instrucción siguiente del programa interrumpido el manejador de instrucciones coloca en el PC la dirección de la siguiente instrucción Generalmente es parte del sistema operativo

27 Interrupciones

28 Interrupciones Ciclo de interrupción: El procesador comprueba si hay interrupciones Si no hay interrupciones recoge la instrucción siguiente del programa actual Si hay una interrupción pendiente, suspende la ejecución del programa actual, y cede el control al manejador de interrupciones Hay cierta sobrecarga en el proceso, pero mayor es el desperdicio de tiempo por operaciones de E/S.

29 Interrupciones Interrupciones Múltiples Es posible que se produzca una interrupción cuando se está tratando otra Dos enfoques: Inhabilitar interrupciones cuando se está tratando una interrupción. Tratamiento secuencial. No se tienen en cuenta prioridades Interrupciones por prioridad. Definir prioridades y permitir que una interrupción de mayor prioridad interrumpa el tratamiento de la interrupción actual.

30 Hardware de protección Objetivo: Evitar la interferencia entre procesos de usuario, y entre los procesos y el SO Método: Definir como instrucciones privilegiadas aquellas que pueden potencialmente dañar a otros procesos o usuarios (operaciones de E/S, actualización de reloj, deshabilitar interrupciones, etc.) Consecuencia: diferentes modos de funcionamiento del hardware.

31 Hardware de protección Mecanismo de protección Compartición de recursos requiere mecanismos de protección Errores pueden ser detectados por hardware y pueden ser manejados por el S.O Errores generalmente generan una interrupción que es atrapa por el S.O Ejemplos: Instrucción ilegal Violación del espacio de direcciones

32 Hardware de protección Modo Dual de Operación Dos modos de ejecución: usuario o supervisor (kernel, monitor, privilegiado o del sistema) Cuando el sistema arranca, parte en modo monitor Cuando ocurre una interrupción, la CPU cambia a modo supervisor (lo atiende el S.O) El S.O debe velar siempre que cambie a modo usuario cuando se transfiere el control al usuario Instrucciones privilegiadas de máquina sólo pueden ejecutarse en modo supervisor La ejecución de una instrucción privilegiada en modo usuario causa interrupción/excepción con error de instrucción ilegal

33 Hardware de protección Protección de la E/S Un programa usuario puede causar daño si ejecuta instrucciones ilegales de E/S Se debe proteger el acceso a los dispositivos E/S para evitar accesos concurrentes a dispositivos Solución: Usuario sólo puede realizar operaciones de E/S indirectamente mediante una llamada al sistema (modo supervisor) Operaciones de E/S se definen como instrucciones privilegiadas

34 Hardware de protección Protección de Memoria Se debe proteger la memoria del S.O (núcleo) (p.e: vector de interrupciones y rutinas de manejo de interrupciones) Se debe proteger mutuamente los programas de los usuarios (multiprogramación) Técnica básica: registro base y registro límite Estos registros deben ser posibles de modificar sólo en modo privilegiado

35 Hardware de protección Técnica de registro base y límite

36 Hardware de protección Protección de la CPU Uso de temporizador (timer) para impedir monopolizar el procesador por parte de un programa Se aplican también en la programación de otros eventos futuros Timers se utilizan en sistemas de tiempo compartido para definir ranuras de tiempo Timeout (expiración de tiempo) causa una interrupción