PDF de programación - Fundamentos de Computación para Científicos - Sistemas Operativos

Fundamentos de Computaci´on

para Cient´ıficos

Conceptos de Sistemas Operativos

Noviembre, 2015

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Contenido

1 Definici´on

2 Kernel

3 Procesos

4 Memoria

5 Sistema de Archivos

6 Seguridad y Protecci´on

7

Interfaz con el usuario

2 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Definici´on

3 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Definici´on

¿C´omo definir un Sistema Operativo (S.O.)?

... es un programa que est´a en ejecuci´on todo el tiempo.

... es un intermediario entre el usuario y el hardware.
Administrador de recursos:

CPU
Memoria
Almacenamiento
Dispositivos de entrada y salida

Sirve como base para la ejecuci´on de otros programas.

4 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Definici´on

¿C´omo definir un Sistema Operativo (S.O.)?

... es un programa que est´a en ejecuci´on todo el tiempo.

... es un intermediario entre el usuario y el hardware.
Administrador de recursos:

CPU
Memoria
Almacenamiento
Dispositivos de entrada y salida

Sirve como base para la ejecuci´on de otros programas.

4 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Kernel

5 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Kernel

Componente central del S.O.

Se encarga de manejar las entradas del
usuario, transformarlas en procesos de datos,
utilizar dispositivos y evidenciar los
resultados.

Al iniciar, la computadora est´a en modo real.
Este es un modo privilegiado con acceso sin
restricciones a todos los recursos.

El kernel se carga en modo real, cambia el
modo de ejecuci´on y r´apidamente pasa a
modo protegido.

En este modo, lo que se est´e ejecutando no
puede acceder directamente a los recursos
sin pasar por el kernel.

Comunicaciones del Kernel

6 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Kernel

Las aplicaciones se comunican con el Kernel usando mecanismos como:

Llamadas al sistema (system calls)

Interfaz entre el S.O. y las aplicaciones. Expuestas por medio de un API.
Control de procesos
Manipulaci´on de archivos
Manipulaci´on de dispositivos
Informaci´on
Comunicaci´on
Protecci´on.

El kernel se comunica con el hardware por medio de:

BIOS
Capa de abstracci´on de hardware (Drivers)

7 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Kernel

Estrategias de dise˜no de Kernel

Tipos de n´ucleos de S.O.

8 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Procesos

9 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Manejo de Procesos

Programa: conjunto de datos e instrucciones utilizados para ejecutar un trabajo o
tarea.

Proceso: programa en memoria, instancia de un programa.

Un programa puede ejecutarse varias veces, lo que resulta en diferentes procesos.
Asociado al proceso, existe:

Pila: datos temporales
Heap: memoria din´amicamente asignada al proceso.
Datos: memoria asignada est´aticamente.
C´odigo: instrucciones del programa.

10 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Ciclo de vida de Procesos

Ciclo de vida de un proceso

11 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

PCB

Para poder poner el proceso a trabajar, el
Kernel necesita metainformaci´on del
proceso..

Esta informaci´on se almacena en una
estructura llamada PCB (Process Control
Block).

Con esta informaci´on el S.O. puede
calendarizarlo para ejecuci´on.

Process Control Block

12 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Hilos

Hilos: unidades de procesamiento m´as peque˜nas que procesos.

Dependen de un proceso ”padre”que los genera.

Todos los hilos de un proceso comparten recursos: memoria, tiempo de CPU,
archivos abiertos, dispositivos, etc.

Un proceso es de 1 hilo cuando expl´ıcitamente no utiliza m´as.

Procesos multi-hilo realizan tareas concurrentemente.

13 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Memoria

14 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Manejo de Memoria

Memoria: arreglo de bytes que puede ser leido o escrito por el CPU.

El CPU utiliza una Unidad Manejadora de Memoria (UMM) para accederla.
El CPU tiene instrucciones de lectura y escritura que le indican a la UMM que
operaciones debe realizar:

Asignar memoria a procesos
Liberar memoria de procesos
Proteger memoria de procesos
Control de memoria compartida

Los programas utilizan direcciones l´ogicas.

la UMM convierte direcciones l´ogicas en direcciones f´ısicas.

15 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Sistema de Archivos

16 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Sistema de Archivos

Almacenamiento no vol´atil de informaci´on
Se conoce como sistema de archivos a dos conceptos:

Representaci´on l´ogica utilizada por los dispositivos de almacenamiento en conjunto
con el S.O. que permite: guardar, recuperar, editar, eliminar o manipular informaci´on.
Jerarquizaci´on de la informaci´on contenida en un medio de almacenamiento.

Algunos sistemas de archivos:

FAT
EXT
GPFS
LUSTRE
NFS

17 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Sistema de Archivos

Jerarqu´ıa de archivos en *nix

Jerarqu´ıa de archivos en Windows/MS-DOS

18 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Bibliotecas

Colecci´on de rutinas u operaciones necesarias para el funcionamiento tanto del sistema
operativo como de otros programas.

Pueden contener c´odigo para operar dispositivos o funciones listas para usar por
programadores
Ej.:

Controladores o drivers
Operaciones usuales de c´alculo o ´algebra lineal (BLAS, ATLAS, LAPACK)
Paso de mensajes (MPICH, OpenMPI)
Memoria compartida e hilos (OpenMP, PThreads)
Procesamiento de A/V (ffmpeg)

19 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Seguridad y Protecci´on

20 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Seguridad y Protecci´on

El S.O. est´a encargado tambi´en de proteger el sistema.
Esta protecci´on la puede hacer de varias formas pero las m´as obvias son:

Evitar que procesos escriban en segmentos de memoria que no le corresponden.
Detectar b´ucles o ciclos infinitos.
Detener (”matar”) procesos con comportamiento an´omalo.

Esto garantiza que el sistema no caiga en un estado inconsistente o inseguro.

21 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Interfaz con el usuario

22 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Interfaz con el usuario

Conjunto de programas que forma una capa
de interacci´on del usuario con el S.O.

Brinda una comunicaci´on bidireccional.

Presentaci´on gr´afica (o de audio, luces u
otros indicadores) de las respuestas del S.O.

Interfaces de usuario

23 / 24

Definici´on

Kernel

Procesos

Memoria

Sistema de Archivos

Seguridad y Protecci´on

Interfaz con el usuario

Interfaz con el usuario

Las interfaces de usuario se pueden categorizar:
Gr´aficas

Sistema de ventanas de Windows
Sistema de ventanas de MacOS X
Sistema de ventanas X
Interfaz de Android OS
Interfaz de iOS
L´ınea de comandos

sh
bash
cmd
Cisco IOS

Modo texto:

XTree
Norton Commander

24 / 24