PDF de programación - Tema 1: Conceptos generales sobre sistemas operativos

Contenidos

Sistemas Operativos

Tema 1: conceptos generales


¿ Qué es un SO ?

Evolución histórica de los SO

Tipos de sistemas informáticos

© 1998-2008 José Miguel Santos – Alexis Quesada – Francisco Santana

Elementos de un sistema
informático


Hardware (lo tangible)

Software (programas, lo intangible)

 software del sistema

 aplicaciones


Personas (usuarios del sistema)

 usuarios
 programadores

El SO controla y coordina el uso del hardware entre los distintos
programas para diversos usuarios

Definiciones breves


Un sistema de software cuyo fin es que un

sistema informático sea operativo
(utilizable).


Conjunto de programas que gestionan los

recursos del sistema, optimizan su uso y
resuelven conflictos.

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¿Qué es un sistema operativo?


Un programa que sirve de intermediario entre los

usuarios y el hardware


Pertenece al software del sistema

Objetivos:

 Ejecutar las aplicaciones de los usuarios
 Administrar eficientemente los recursos de la máquina

 eficiencia

 Facilitar la interacción con el computador

 usabilidad

¿Qué es un sistema operativo?


Es un administrador de recursos
 como si fuera un gobierno del hardware
 programa de control
 ojo, no realiza trabajo productivo

Es una interfaz con el hardware

 añade características no existentes en el hw
 oculta características inconvenientes del hw
 máquina extendida

El SO proporciona un ambiente de ejecución de programas

En caso de conflictos debe decidir de forma eficiente y justa

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El SO como administrador de
recursos

El SO como administrador de
recursos (2)


Tenemos dos participantes en el sistema: los

procesos y los recursos.
 Un proceso es un programa en ejecución
 Un recurso puede ser real o virtual, físico o lógico


Los procesos compiten por el uso de recursos

escasos.


Necesitamos un árbitro imparcial que asigne

recursos a los procesos, de forma justa y eficiente.


El SO debe determinar a quién se le

entregan los recursos, qué cantidad de
recursos se conceden, en qué momento y
durante cuánto tiempo.

 políticas de gestión de recursos

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El SO como administrador de recursos
(y 3)

El SO como interfaz


Criterios de gestión de recursos:
 Optimizar el rendimiento del sistema
 Reparto justo  evitar acaparamientos e inanición de

procesos perjudicados

 Garantizar la seguridad e integridad de la información
 …


Normalmente, los distintos criterios entran en

conflicto
 Ej. no se puede maximizar el rendimiento y a la vez dar un

reparto justo


Es una capa entre el usuario y el hardware.

La interfaz ofrece una máquina extendida que es

una abstracción de la realidad.

Proceso 3

Proceso 1

Máquina
extendida

Máquina
desnuda

Proceso 4

Nivel del Sistema

Operativo

Proceso 2

El SO como interfaz (2)


Esa abstracción es más cómoda, más

conveniente, más usable para el usuario y
para el programador.


Esta interfaz puede ser independiente del

hardware: ganamos portabilidad.

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Recorrido histórico:
tipos de Sistemas


Primeros sistemas

Sistemas por lotes

Mejoras en la gestión de la E/S

Sistemas por lotes multiprogramados

Sistemas de tiempo compartido

Ordenadores personales

Sistemas paralelos:multiprocesadores

Sistemas distribuidos

Sistemas de tiempo real

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Primeros sistemas

Primeros sistemas


Los primeros sistemas de computación se caracterizaban

 Gran tamaño
 Prácticamente sin ningún soporte lógico (tableros enchufables,

tarjetas perforadas,...)


Organización del trabajo:

 usuario experto: operador/programador
 un solo usuario en cada momento (tiempo

asignado, “listas de reserva”)

Primeras mejoras


Dispositivos físicos


Lectoras de tarjetas, impresoras y cintas magnéticas


Elementos lógicos: aparece el primer software de

sistema,


ensambladores, compiladores, cargadores

manejadores de dispositivos

bibliotecas con subrutinas de uso frecuente

Finalmente aparecieron los primeros compiladores de

lenguajes de alto nivel (FORTRAN, COBOL),
simplificando la labor de programación pero aumentando
la carga de trabajo del computador

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Problemas


El modo de trabajo hacía que la máquina

estuviera parada mucho tiempo:
 tiempo de puesta a punto (setup time)
 tiempo de corrección manual de errores
 tiempo sobrante por finalización temprana (raro)


Equipos muy caros

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Sistemas por lotes

Sistemas por lotes


Objetivo: sacar más provecho a la máquina

gracias a una mejor organización del trabajo.

Los operadores agrupaban los trabajos por
lotes, que eran trabajos con necesidades
similares y que eran ejecutados en la
computadora como un grupo de tareas. A
medida que la computadora quedaba libre,
se ejecutaba un lote.


Primer paso: aparición del operador especialista.

 El programador no manipula directamente el equipo.
 El programador entrega su trabajo (job) al operador.
 El operador somete la tarea al sistema y entrega los

resultados al programador.

 El programador corrige sus errores mientras el

operador sigue ejecutando otras tareas.


Resultado: aumento de la productividad.

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Sistemas por lotes (2)

Sistemas por lotes (y 3)


Segundo paso: agrupar las tareas en lotes que se


Necesario automatizar ciertas acciones comunes

procesan de forma automática
 Procesamiento por lotes (batch processing)


El operador puede preparar lotes con trabajos que

requieren una misma operación (ej. cargar el
compilador)


El operador lanza el lote, y éste se ejecuta sin más

intervención (secuencia automática de trabajos)

 Control de la finalización de tareas
 Tratamiento de errores
 Carga y ejecución automática de la siguiente tarea


En lugar de dar órdenes al operador, ¿Porqué no

dárselas directamente al computador?

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El primer sistema operativo

Elementos de un sistema por lotes


Es necesario que el computador tenga un pequeño

monitor residente (controlador) que realice
automáticamente las acciones anteriores. ¿Cómo?


Distinguiendo entre:

 Tarjetas de instrucciones de programas de usuarios

 Tarjetas de control (Primer lenguaje de control de sistema:

$FTN, $ASM, $RUN, $JOB, $END)


Lenguaje de control de tareas (JCL, job control language)

 el lote se escribe usando un JCL
 define qué programas hay que cargar, qué datos leer, etc.
 se escribe en tarjetas perforadas, cinta, etc.


Monitor residente

 programa fijo en memoria con rutinas imprescindibles para

que el sistema por lotes funcione: intérprete del JCL,
cargador de programas, rutinas de E/S...

 automatiza tareas del antiguo operador
 es el primer sistema operativo auténtico

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El monitor residente: protección

Cuestiones


Se empiezan a considerar aspectos de

protección:
 proteger la memoria ocupada por el monitor residente
 impedir accesos directos a la E/S
 evitar que una tarea deje bloqueado al sistema


Todo ello requiere cierto apoyo del hardware


¿ Quién carga el intérprete del lenguaje de control ?

¿ Cómo se debe actuar en caso de fallo del

programa de usuario ?


¿ Cómo garantizar el uso correcto de los

dispositivos de E/S ?


¿ Cómo los programas realizan las operaciones de

E/S ?

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Cuestiones (2)


¿ Cómo podemos diferenciar si las

instrucciones de E/S son utilizadas por el
usuario o por el monitor residente ?


¿ Cómo proteger al monitor residente ?

¿ Cómo garantizar el control del sistema ?

La memoria en un sistema con
monitor residente

e
t
n
e
d
i
s
e
R

r
o
t
i
n
o
M

Vector de interrupciones

Intérprete de JCL

Cargador de programas

Manejadores de dispositivos de E/S

Memorias intermedias (búferes)

Rutinas de tratamiento de errores

Memoria del usuario

Registro
Límite

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SO y arquitectura del computador

El problema de la E/S


Los SO y la arquitectura de los computadores se han influido

mucho entre ellos dos


Los SO se crearon para facilitar el uso del hardware

A medida que se diseñaron y usaron los SO, se hizo evidente

que podrían simplificarse si se modificaba el diseño del
hardware


A lo largo de la evolución de los SO se observa que los

problemas de los SO han dado pie a la introducción de nuevas
características del hardware


La E/S era muy lenta en comparación con la CPU.

Esto provocaba que la CPU quedara ociosa mucho

tiempo esperando por la terminación de
operaciones de E/S.


Algunas técnicas para tratar el problema:

 Operación fuera de línea (offline)
 Uso de búferes
 Spooling

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Operación fuera de línea (off-line)

Operación fuera de línea (off-line)


El computador central dialoga directamente sólo con dispositivos

rápidos (cintas magnéticas).


Resultado:


Un pequeño computador (satélite o canal) se encarga de las

transferencias con dispositivos lentos (tarjetas, impresora).

 mejor aprovechamiento del procesador central
 ejecución paralela de cálculos y operaciones de

E/S


Se puede incrementar la velocidad utilizando

varios satélites.

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Operación fuera de línea (off-line)

Búferes


Para trabajar con offline, no hace falta

recompilar los programas antiguos.


Los trabajos siguen usando los mismos

servicios para la E/S. Lo que cambia es su
implementación en el S.O: independencia
del dispositivo.


Esquema de operación de E/S en el que las transferencias de E/
S se realizan a través de un área intermedia de memoria (búfer)


La operación de E/S se realiza sólo cuando el dispositivo está

preparado.

Dispositivo
de entrada

.
.
.

Búfer de Entrada

.
.

Búfer de Salida

Dispositivo
de salida

.
.
.

MEMORIA PRINCIPAL

CPU

Búferes


La CPU sólo espera por E/S cuando el

búfer está vacío (entrada) o lleno (salida)


El uso de búferes permite solapar

operaciones de E/S de una tarea con
instrucciones de CPU de esa misma tarea

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Búferes


El uso de búferes no resuelve totalmente el problema de

la lentitud de los equipos