PDF de programación - Sistemas Operativos. Tema 1 - Arquitectura Básica de los Computadores

Sistemas Operativos. Tema 1

Arquitectura Básica de los

Computadores

http://www.ditec.um.es/so

Departamento de Ingeniería y Tecnología de Computadores

Universidad de Murcia

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 1

Arquitectura Básica de los Computadores

Estructura y Funcionamiento General
Procesador
Memoria
Entrada/Salida
Interrupciones
Protección

Bibliografía básica: Tanenbaum[P1-3, C1.4]

Bibliografía complementaria: Silberschatz[C2], Carretero[C1], Stallings[C1]

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 2

Estructura y Funcionamiento General

Un sistema de cómputo moderno es un
sistema complejo
Para administrar todos estos dispositivos y
proporcionar una interfaz sencilla del hardware ⇒ capa
software: sistema operativo

Banking
system

Airline

reservation

Web

browser

Compilers

Editors

Command
interpreter

Operating system

Machine language

Microarchitecture

Physical devices

Application programs

System
programs

Hardware

Ubicación del sistema operativo

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 3

Estructura y Funcionamiento General

Monitor

Keyboard

Floppy

disk drive

Hard

disk drive

CPU

Memory

Video

controller

Keyboard
controller

Floppy

disk

controller

Visión simplificada de un ordenador

Hard
disk

controller

Bus

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 4

Procesador

La CPU es el «cerebro» del ordenador
Ciclo básico de funcionamiento:
1. Leer instrucción de memoria
2. Decodificarla para determinar su tipo y operandos
3. Ejecutarla
4. Calcular la posición de la siguiente instrucción y

volver al paso 1

Cada CPU ejecuta un conjunto de instrucciones
específico

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 5

Procesador

Conjunto de registros: memoria en la propia CPU
Registros generales de datos
Registros especiales:

contador de programa
apuntador de pila
palabra de estado del programa

El contenido de los registros determina el contexto de
ejecución de un programa en un instante dado.

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 6

Procesador

Para mejorar el desempeño de las CPUs ⇒ ejecutar
varias instrucciones al mismo tiempo
Varios mecanismos:

Fetch
unit

Decode

unit

Execute

unit

Fetch
unit

Decode

unit

Fetch
unit

Decode

unit

Holding
buffer

Execute

unit

Execute

unit

Execute

unit

(a)

(b)

Complican la construcción de compiladores y sistemas
operativos

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 7

Procesadores

Dos modos de funcionamiento: modos núcleo y usuario
Modo núcleo:

Permite ejecutar todas las instrucciones posibles de la CPU y
acceder a todo el hardware
En el que se ejecuta el sistema operativo

Modo usuario:

Permite ejecutar un subconjunto de las instrucciones y
proporciona acceso limitado al hardware
Instrucciones prohibidas: E/S, protección de memoria, etc
En el que se ejecutan los programas de usuario
Servicios del SO: mediante llamadas al sistema

Paso de un modo a otro: interrupciones software (trap,
int, . . . ) o hardware (división por cero, dispositivos de E/S)

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 8

Memoria

Estructura jerárquica:

Typical access time

Typical capacity

1 nsec

2 nsec

10 nsec

10 msec

100 sec

Registers

Cache

Main memory

Magnetic disk

Magnetic tape

<1 KB

1 MB

64-512 MB

5-50 GB

20-100 GB

Cada nivel es un subconjunto del nivel inferior ⇒ Hay
información que no se encuentra en un nivel ⇒
Aciertos/fallos y algoritmos de reemplazo
Modificación en un nivel ⇒ problemas de coherencia
⇒ propagación de modificación a niveles inferiores

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 9

Jerarquía de Memoria

La jerarquía descrita es típica, pero hay sistemas con
más capas y otros con menos
Otros tipos de memoria:

ROM: memoria lenta no volátil. Utilizada para
almacenar código de arranque, código de control de
dispositivos, etc.
EEPROM y flash: memorias lentas no volátiles pero
actualizables
CMOS: memoria volátil alimentada por batería. Para
mantener fecha y hora, y parámetros de
configuración

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 10

Memoria Principal

Elemento más importante de la jerarquía de memoria
que debe administrar el SO
Los SSOO modernos suelen cargar varios programas
en memoria ⇒ Hay que proteger a unos programas de
otros y al SO de éstos
Además, un programa puede colocarse en cualquier
posición de memoria ⇒ Problema de relocalización
Varias soluciones para ambos problemas:

Registro base y límite
Memoria virtual, . . .

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 11

Registros Base y Límite

Registro límite → tamaño máximo del programa y los datos
Registro base → posición de inicio del programa en memoria

Address

0xFFFFFFFF

Limit

Base

User program

and data

User program

and data

Registers
when
program 2
is running

Limit-2

Base-2

Limit-1

Base-1

Registers
when
program 1
is running

Limit-2
Base-2

Limit-1
Base-1

User-2 data

User-1 data

User program

Operating
System

(a)

0

Operating
System

(b)

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 12

Dirección virtual/física
¿Dirección de memoria < registro límite?

SI → sumarle el registro base → acceder a memoria
NO → la dirección no es válida → trap al S.O.

Dirección virtual → generada por el programa
Dirección física → accedida en memoria
MMU → Unidad de administración de memoria (memory
management unit):

Verifica las direcciones generadas por el programa
Convierte las direcciones virtuales en físicas
El manejo de la MMU es función del S.O.
Cambio de contexto → modificar la configuración de la
MMU

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 13

Dispositivos de E/S

Dispositivo de E/S → controladora + dispositivo
Controladora del dispositivo:

Dispositivo electrónico que controla físicamente al dispositivo
Acepta comandos del S.O. y los ejecuta
Presenta al S.O. una interfaz más sencilla del dispositivo
Tiene una serie de registros para comunicarse con el S.O.

Manejador de dispositivo → SW que se comunica
con la controladora: da órdenes y procesa respuestas

Se ejecuta en modo kernel

Como parte del kernel
En tiempo de arranque lo carga el S.O.
El S.O. lo carga cuando lo necesita (sin reiniciar)

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 14

Dispositivos de E/S

Manejador recibe una petición del S.O.:

escribe la petición en los registros de la controladora
lee de los registros el resultado de la operación

¿Cómo se accede a esos registros?

Se corresponden con el espacio de direcciones de la memoria
principal:

Se leen/escriben como si fueran palabras de memoria
No se necesitan instrucciones especiales de E/S
Fácil protección: protección memoria → protección HW

Se colocan en un espacio de puertos de E/S especial:

Cada registro tiene una dirección de puerto.
Los registros se leen/escriben mediante instrucciones IN y
OUT especiales ejecutables en modo kernel
No se ocupa parte del espacio de direcciones de la memoria

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 15

Espera Activa

Llamada al sistema → llamada al manejador del
dispositivo
Manejador pide a la controladora la operación de E/S
Manejador a la controladora: ¿ha terminado mi
petición?

NO → continúa esperando
SÍ:

Manejador de dispositivo coloca los datos donde se necesitan
Regresa

S.O. devuelve el control al proceso invocador

Esto se conoce como espera activa
CPU ocupada: controlando cuándo termina el dispositivo
Desperdicio de CPU (tanto de ciclos como de energía)

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 16

Interrupciones

Manejador de dispositivo:

pide a la controladora la operación de E/S
le pide también generar una INTERRUPCIÓN al terminar
regresa

S.O.:

bloquea al proceso invocador (no le pasa la CPU)
hace otras cosas

Al finalizar la transferencia → interrupción generada
por la controladora

Disk drive

CPU

3

Interrupt
controller

1

4

Disk

controller

2

(a)

Current instruction

Next instruction

3. Return

1. Interrupt

2. Dispatch
to handler

Interrupt handler

(b)

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 17

Interrupciones (i)

CPU acepta la interrupción → pasa a modo kernel y
salta al manejador de interrupciones del dispositivo
No de dispositivo → índice de una zona de memoria
(vector de interrupciones) que contiene las
direcciones de los manejadores de interrupciones
El manejador de interrupciones:

Pregunta al dispositivo su estado
Cuando termina devuelve el control al programa de usuario que
se estaba ejecutando (que no tiene por qué ser el que solicitó
la operación de E/S)

Sistemas Operativos. Tema 1 Arquitectura Básica de los Computadores – p. 18

Interrupciones (ii)

¿Qué pasa si llega una interrupción mientras se trata
otra? ¿Paramos la interrupción actual? ¿Perdemos la
nueva?
Mecanismo en la CPU para inhabilitar interrupciones:

Empieza a tratar una interrupción → inhabilita las interrupciones
Si llega una nueva → dispositivo seguirá aplicando la interrupción
CPU no se interrumpe mientras estén inhabilitadas
Termina tratamiento → habilita de nuevo las interrupciones
CPU se puede volver a interrumpir

¿Qué pasa si varios dispositivos esperan a la CPU para
su interrupción?

Controladora de interrupciones decide a cuál atender primero
Prioridades estáticas asignadas