PDF de programación - Bloque I: Principios de sistemas operativos

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Bloque I: Principios de sistemas
operativos
Tema 1. Principios básicos de los sistemas operativos
Tema 2. Concurrencia
Tema 3. Ficheros
Tema 4. Sincronización y programación dirigida por eventos
Tema 5. Planificación y despacho
Tema 6. Sistemas de tiempo real y sistemas empotrados
Tema 7. Gestión de memoria
Tema 8. Gestión de dispositivos de entrada-salida

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© Michael González, J. Javier Gutiérrez

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Notas:

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Tema 1. Principios básicos de los sistemas operativos

• Concepto de sistema operativo.
• Evolución de los sistemas operativos.
• Estructura de los sistemas operativos.
• Concepto de programa y proceso.
• Concurrencia: gestión de procesos y threads.
• Gestión de memoria.
• Ficheros y el sistema de ficheros.
• Entrada/salida.
• Sistemas multiusuario y protección.

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1. Concepto de sistema operativo
Controla el uso por parte de los programas de aplicación de todos
los recursos del computador: memoria, CPU, unidades de entrada
y salida
Independiza al programa de aplicación del hardware
Proporciona comunicación con otros computadores
Ejecuta servicios para los programas o aplicaciones
Ejecuta órdenes de los usuarios

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Niveles del sistema operativo

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Usuarios

Aplicaciones

Shell

Servicios (API)

Drivers I/O

Núcleo

Hardware

Sistema
operativo

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Gestión de recursos
Asignación de recursos
• memoria, disco, dispositivos de entrada salida
• CPU (planificación)
Protección
• Entre usuarios y aplicaciones
• Entre cada aplicación y el sistema operativo
• Entre cada aplicación y el hardware
Contabilidad
• A efectos de gestión de coste
• A efectos de calidad de servicio

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Servicios del sistema operativo
Concurrencia
• procesos
• threads
• sincronización
Ficheros
Entrada/Salida (incluyendo comunicaciones)
Gestión de la memoria
Servicios de tiempo real
• planificación, relojes, ...

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Arranque del computador

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Fase
Iniciador ROM

Cargador del SO

Inicialización SO

Funcionamiento normal

Operación

Test del hardware
Carga del cargador del SO
Carga en memoria de componentes
del SO
Test del sistema de archivos
Creación de estructuras de datos
internas
Arranque de procesos del sistema
(demonios)

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2. Evolución de los sistemas operativos
Los primeros computadores no tenían sistema operativo
• programados en lenguaje máquina
• el programador hacía todo el software
Sistemas de procesamiento por lotes (1955-1965)

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Tarjetas

Lector de
tarjetas

Unidad de

cinta

Cinta de
entrada

Computador

Cinta de
salida

Impresora

• se agrupaban varios trabajos en un lote, para agilizar el proceso

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Evolución de los sistemas operativos
(cont.)
La multiprogramación (1965-1980)
• Varias aplicaciones cargadas a la vez en memoria
• Cuando una aplicación está en espera, las demás pueden

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continuar

• Spooling: leer tarjetas al mismo tiempo que se procesan otras
• El tiempo compartido entre múltiples usuarios es una evolución

natural de la multiprogramación
- ejemplo: CTSS, MIT;
- reduce drásticamente el tiempo de espera a un trabajo
- se populariza sólo al haber hardware de protección
- desemboca en el sistema operativo UNIX

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Evolución de los sistemas operativos
(cont.)
Historia del UNIX
• A partir del CTSS se diseña el MULTICS (MIT, Bell Labs, General

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Electric)
- pensado para cientos de usuarios
- escrito en PL/I
- resultó demasiado ambicioso

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Evolución de los sistemas operativos
(cont.)
Historia del UNIX (cont.)
• Ken Thompson, de Bell Labs, desarrolla una versión

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monousuario, en ensamblador: UNICS
- se unen al proyecto Brian Kernighan y Denis Ritchie
- se porta a un computador PDP-11, con hardware de protección de

- se reescribe en un lenguaje propio: B, que es una simplificación del

memoria

BCPL

- Ritchie rediseña el lenguaje y lo llama C
- se reescribe Unix en C: se consigue la portabilidad
- se distribuye gratuitamente a las universidades
- se estandariza con el nombre POSIX

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Evolución de los sistemas operativos
(cont.)
Computadores personales (1980-1990)
• dos tipos:

- estaciones de trabajo: UNIX y redes
- PCs para oficinas y hogares: MS-DOS, luego Windows
• software fácil de usar: entornos gráficos de ventanas
La Internet (1991-hoy)
• los sistemas operativos generales proporcionan conexión a la

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red

• se populariza el software libre (Gnu)
• dos grandes familias: Windows y Unix/Linux
• surgen otros niveles diferentes al SO: Java, .net

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3. Estructura de los sistemas
operativos

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Usuarios

Aplicaciones

Shell 1

Shell 2

Servicios

Núcleo

API Win32

API POSIX

Gestión
de
Procesos

Gestión
de
Memoria

Entrada/
Salida

Archivos
y
Directorios

Seguridad
y
protección

Redes

Drivers I/O

Hardware

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Tipos de sistemas operativos por su
estructura
a) Monolíticos
• Todos los componentes en un solo programa
• Un solo espacio de direcciones
• Un solo flujo de control (no hay concurrencia interna)
• El sistema operativo se ejecuta en modo privilegiado; las

aplicaciones en modo usuario (restringido)

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• Ejemplos: MS-DOS, UNIX
• Son complicados de modificar

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Tipos de sistemas operativos por su
estructura (cont.)
b) A capas
• Jerarquía de capas, cada una con una interfaz clara y que sólo

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usa los servicios de la capa inferior

• Ejemplos THE (Dijkstra 1968), OS/2 (Deitel, 1994)

Aplicaciones

Gestión de entrada/salida

Controlador del terminal

Gestión de memoria

THE

Planificación de la CPU y multiprogramación

Hardware

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Tipos de sistemas operativos por su
estructura (cont.)
c) Máquinas virtuales
• Se proporciona un modelo de una máquina sobre la que se

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pueden ejecutar programas

• esta máquina se puede replicar por tiempo compartido
• se pueden ejecutar sistemas operativos completos sobre la

máquina virtual

• Ejemplos:

- JVM (Java virtual machine)
- VM-Ware (emula un PC sobre Windows o Linux)
- RT-Linux

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Tipos de sistemas operativos por su
estructura (cont.)
d) Modelo cliente-servidor
• Se mueven parte de los servicios del sistema operativo a una

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capa superior: servidores

• Los programas de aplicación son clientes
• Se comunican a través de un micro-núcleo (privilegiado)

Applic. Applic.

API

API

Servidor
de
procesos

Servidor
de
memoria

Servidor
de
I/O

Servidor
archivos
directorios

Servidor
de
redes

Micro-núcleo
Hardware

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Tipos de sistemas operativos por su
estructura (cont.)
Los sistemas cliente-servidor (cont.)
• Son más flexibles
• Pero menos eficientes
• Ejemplo: Minix (Tanenbaum 1998), Mach (Accetta, 1986)
• Windows NT/2000/XP es mezcla de un sistema monolítico (por

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eficiencia) y cliente-servidor (por flexibilidad)

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Tipos de sistema operativo por sus
servicios
Por el número de usuarios
• sistemas empotrados:
- sin usuarios directos
-
- ejemplo: controlador de un televisor

forman parte de un sistema mayor

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• sistemas monousuario:

- un solo usuario
- ejemplo: Windows 98
• sistemas multiusuario

- muchos usuarios
- presenta protección entre usuarios
- ejemplos: Unix, Windows XP profesional

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Tipos de sistema operativo por sus
servicios (cont.)
Por el nivel de protección (se protegen datos de una aplicación y
del sistema operativo frente a otras aplicaciones)
• protegidos (Unix, Windows XP profesional)
• semi-protegidos (Windows 98)
• no protegidos (Windows 3.1)
Por la capacidad de concurrencia
• monoproceso y monotarea: un solo programa con un solo flujo

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de control (MS-DOS)

• multitarea: capaz de ejecutar un solo programa, pero varias de

sus partes a la vez (MaRTE OS)

• multiproceso: capaz