PDF de programación - Características Hardware Relevantes a los SO's

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Introducción
Introducción

Sistemas Concurrentes
Definición de Sistema Operativo
Breve historia de los SOs.
Soporte hardware para los SOs.
Estructuras de SOs.

SOI

Sistemas Concurrentes
Sistemas Concurrentes

Sistema Concurrente es aquel sistema
software en cual existen diversas
actividades separadas en progreso en el
mismo instante.
Algunos sistemas concurrentes: sistemas
operativos, entornos de ventanas,
sistemas de control de tráfico aéreo, etc.
La Vida esta repleta de ellos: cocinar,
conducir, nosotros mismos, etc.

SOI

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Sistemas Concurrentes
Sistemas Concurrentes

Comunicación
de datos y redes

Hardware y
Arquitectura

Sistemas

Concurrentes

Lenguajes y
Programación

Programación
Concurrente

Sistemas
Operativos

Sistemas
de Tiempo

Real

Sistemas

Distribuidos

Bases de Datos:
implementación
Prerrequisitos Fundamentos Aplicaciones

SOI

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Sistemas concurrentes
Sistemas concurrentes
en nuestras titulaciones
en nuestras titulaciones
Asignaturas directamente relacionadas:

Sistemas Operativos I y II
Diseño de Sistemas Operativos
Programación Concurrente
Programación Distribuida y Paralela.
Gestión de Bases de Datos.
Arquitectura de Computadores II
Sistemas Informáticos Distribuidos.
Desarrollo de Sistemas de Tiempo Real.
Bases de Datos Distribuidas.

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¿Qué es un Sistema
¿Qué es un Sistema
Operativo? ...
Operativo? ...

Un sistema operativo (SO) es un programa
de ordenador que gestiona los recursos de
la máquina (CPU, memoria, dispositivos de
E/S, discos, red, etc.)
¿Por qué no gestiona el usuario esos
recursos?

Coexisten varias aplicaciones
El SO crea una máquina virtual “privada”
El SO eleva el nivel de abstracción para
los usuarios

SOI

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... ó mejor ¿qué hace?
... ó mejor ¿qué hace?

SO como máquina virtual - presenta al
usuario una máquina abstracta más fácil
de programar que el hardware de base,
ocultando su complejidad, y tratando
homogéneamente diferentes objetos de
bajo nivel (archivos, procesos,
dispositivos, etc.)
SO como gestor de recursos - controla y
protege los recursos (procesadores,
dispositivos de E/S, memoria, etc.) de los
programas y/o usuarios.

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El hardware
El hardware

La realidad tangible es el hardware del
computador, que contiene elementos de:

Procesamiento: CPU, DMA,
procesadores de E/S
Memoria: RAM, disco, cintas,..
Dispositivos de E/S: teclado, ratón,
pantalla, impresora,..
Dispositivos de comunicaciones: red
ethernet, líneas serie y paralelas, ...

SOI

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Las abstracciones
Las abstracciones

Abstracción=considerar una cualidad, estado,
acción o fenómeno con independencia del
objeto en que existe o por que existe”.
El SO simplifica el hardware construyendo una
serie de abstracciones:

Proceso: una CPU dedicada a un programa.
Memoria virtual: simula una RAM infinita.
Archivo: memoria permanente de datos con
tipo.
Canal: dispositivo E/S de datos con tipo.
Shell: interfaz de usuario programable …

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SOI

Las técnicas
Las técnicas

Ideamos técnicas para construir abstracciones
Planificadores de recursos: CPUs, discos,etc.
Gestión de memoria: paginación, ...
Sistema de archivos: designación, ...
Interrupciones, sondeo
Bufering
Hebras (threads).
Dominios, listas de acceso, capacidades,
criptosistemas de clave pública, ...

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Breve historia de los SOs
Breve historia de los SOs

Veremos SOs:
por lotes
multiprogramados
de tiempo
compartido
de tiempo real
distribuidos
paralelos
de Internet

SOI

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Breve historia de los SO’s
Breve historia de los SO’s

En un principio, el SO era sólo un
fragmento de código que se enlazaba con
los programas, se cargaba todo en
memoria, y se ejecutaba con el programa
- como una biblioteca en tiempo de
ejecución.
Problema: uso ineficiente de recursos
caros (baja utilización de la CPU) ya que el
tiempo de preparación de una tarea era
significativo.

SOI

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Los Sistemas por Lotes
Los Sistemas por Lotes

Los sistemas batch fueron
los primeros SO’s reales:

El monitor estaba
almacenado en memoria.
Cargaba un trabajo en
memoria (tarjetas).
Ejecutaba el trabajo.
Cargaba el siguiente.
Las tarjetas de control en
el archivo de entrada
indicaban que hacer.

Manejador
Dispositivos

Cargador

Secuenciador

de trabajos
Interprete de

tarjetas de

control

Area para
programas
de usuario

M
o
n
i
t
o
r

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SOI

Problemas (sists. Batch)
Problemas (sists. Batch)

El problema principal se debía a las largas
esperas entre lotes de trabajos.
La 2ª generación de ordenadores introduce:
Hardware separado para gestionar las E/S
Aparece del concepto interrupción
un programa puede seguir ejecutándose
mientras se esta realizando una E/S.

Nueva dificultad: ¿cómo gestionar la
concurrencia? los SOs multiprogramados.

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La Multiprogramación
La Multiprogramación

Los sistemas multiprogramados optimizan
la productividad (throughput) del sistema:
Se benefician de que los dispositivos de
E/S pueden operar asíncronamente.
Mantienen varios trabajos ejecutables
cargados en memoria.
Solapan procesamiento de E/S de un
trabajo con cómputo de otro.
Necesitan de interrupciones, o DMA.

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Multiprogramación
Multiprogramación

CPU

Asíncrona

Síncrona

Dispositivo

de E/S

Aplicación
Procesar

interrupción
Transferir

Ocioso

Solicita

Fin de

Solicita

E/S

transferencia

E/S

transferencia

Fin de

SOI

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Soporte para la
Soporte para la
multiprogramación
multiprogramación

El SO debe suministrar las rutinas de E/S.
Debe existir una gestión de memoria para
poder asignar y controlar la memoria
repartida entre varios trabajos.
Debe existir una planificación de la CPU: el
SO elige uno de los trabajos listos para
ejecutarse que hay en memoria.
El SO realiza la asignación de los
dispositivos a los trabajos.

SOI

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Sistemas de Tiempo
Sistemas de Tiempo
Compartido
Compartido

Soportan el uso “interactivo” del sistema:

Cada usuario tiene la ilusión de disponer
de la máquina completa.
Tratan de optimizar el tiempo de
respuesta.
Basados en asignar fracciones de
tiempo - se reparte el tiempo de CPU
2
de forma equitativa entre los procesos.
Permiten la participación activa de los
usuarios en la edición, depuración de
programas, y ejecución de los procesos.

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SOs de Tiempo-Real
SOs de Tiempo-Real

Los STRs se suelen usar en aplicaciones
especializadas, p.ej. sistemas de control, ...
Garantizar la respuesta a sucesos físicos
en intervalos de tiempo fijos.
Problema: poder ejecutar las actividades
del sistema con el fin de satisfacer todos
los requisitos críticos de las mismas.
Con el uso de aplicaciones multimedia
sobre PC’s, todos los SOs tienen requisitos
de tiempo-real.

SOI

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Sistemas Distribuidos
Sistemas Distribuidos

Un sistema distribuido es un
sistemas multicomputador pero que no
tiene una memoria común, ni reloj.
El objetivo básico es compartir recursos
distribuidos: hardware (impresoras,discos,
...) o software (correo, IRC, Web, etc).
Permiten un aumento de la fiabilidad del
sistema. Si una parte falla, el resto de
sistema puede seguir su ejecución, al
menos, parcialmente.

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SOs Paralelos
SOs Paralelos

SOs para sistemas multiprocesadores –
sistemas de computador con varios
procesadores que comparten una única
memoria y un reloj.
Estos sistemas sustentan aplicaciones
paralelas cuyo objetivo es obtener aumento
de velocidad de tareas computacionalmente
complejas, p. ej. predicción meteorológica,
simulaciones de explosiones atómicas, etc.
Multiprocesamiento Simétrico (SMP) - todos
los procesadores pueden ejecutar código
del SO y de las aplicaciones.

SOI

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SOs de Internet
SOs de Internet

Algunos vendedores mantienen que el PC
es más complicado y caro de lo necesario:
tiene el hardware/software necesario para
mantener gran funcionalidad que nunca se
utiliza.
Proponen el computador de red que
suministra la funcionalidad mínima para
ejecutar un navegador de Internet, el cual
cargará los applets que suministran la
funcionalidad necesaria (SO y aplicaciones).

SOI

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SOs para WID
SOs para WID

WID = Wireless Information
Devices
Los WID son pequeños y
móviles
Es muy comprometido
reducir un SO de PC para
ellos: su SO debe gestionar
muy bien sus escasos
recursos; en especial: su
limitada potencia eléctrica,
de CPU y escasa memoria.

SOI

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Soporte Hardware al SO
Soporte Hardware al SO

En lo que sigue veremos:

Interrupciones y excepciones
Protección hardware: Modo
Dual de Operación
Llamadas al sistema
Llamadas al sistema
Necesitaremos repasar: el
funcionamiento de un sistema
de computador

SOI

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Sistema de computador
Sistema de computador

Controlador
del terminal

Controlador

de disco

Controlador
de impresora

Controlador
de memoria

Memoria

SOI

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Funcionamiento
Funcionamiento
del sistema
del sistema

CPU y controladores se comunican mediante
un bus común. La CPU mueve datos
desde/hacia memoria principal a/desde los
búferes locales.
Los dispositivos de E/S y la CPU operan
concurrentemente.
Los controladores de dispositivos gestionan
el tipo particular de dispositivo; tienen un
búfer local, colas de peticiones y registros
de estado; informan a la CPU que han
finalizado mediante una interrupción.

SOI

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Interrupciones y
Interrupciones y
excepciones
excepciones

Una interrupción es un suceso externo al
procesador que cambia el flujo normal de
ejecución del procesador. Es un evento
asíncrono.
Una excepción es un suceso inesperado
interno al procesador (p.ej. desbordamien-
to aritmético, dirección inválida, rastreo de
programas, instrucción privilegiada, etc.).
Es un evento síncrono.
No todos los manuales de arquitectura definen y tratan
estos dos conceptos de igual manera.

SOI

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Manejo de las
Manejo de las
interrupciones
interrupciones

Dispositiv
o

Interrupción

INT

CPU

PC

Salto

Código
del SO

Gestor general
interrupciones

. . .

Rutina de servicio
de interrupción i

. . .

Código de usuario

Memoria
Prin