Sistemas Informticos

Fundamentos deSistemas Operativos

Fede Prez

TEMA Fundamentos de Sistemas Operativos

1. - Introduccin

2. - El Sistema Operativo como parte de un Sistema de Computacin

2.1 Componentes Esenciales de un Sistema de Computacin

2.2 Funciones de un Sistema Operativo

2.3 Enfoque Jerrquico de un Sistema Operativo

2.4 Elementos de un Sistema Operativo

3. Tipos de Sistemas Operativos

3.1 Primeros Sistemas

3.2 Sistemas Monitor Simple; Sistemas por Lotes Sencillos

3.3 Sistemas por Lotes Multiprogramados

3.4 Sistemas de Tiempo Compartido

3.5 Sistemas de Computador Personal

3.6 Sistemas Paralelos

3.7 Sistemas Distribuidos

3.7 Sistemas de Tiempo Real

4. Funcionamiento de los Sistemas de Computacin

5. Elementos de Sistemas Operativos

5.1 Componentes del Sistema

5.2 Servicios del Sistema Operativo

5.3 Llamadas al Sistema

5.4 Programas de Sistema

6. Arquitecturas de Sistemas Operativos

6.1 Estructura del Sistema

ndice

Definicin

Sistema OperativoEs un programa que acta como intermediario entre el

usuario de un computador y el hardware de ste

Servicios de un Sistema Operativo

9 asignar recursos del ordenador (CPU, memoria,...) a los programas 9 dar acceso indirecto a los dispositivos del ordenador y a los perifricos 9 proporcionar un sistema organizado de almacenamiento de datos 9 comunicacin interactiva con el usuario

Objetivos de un Sistema Operativo9 Ejecucin de programas de usuario9 Amigabilidad9 Eficiencia

Componentes Esenciales de un Sistema de Computacin

Componentes de unSistema de Computacin

9 el hardware 9 los programas de aplicacin9 los usuarios 9 el sistema operativo

Funciones de un Sistema Operativo

Funciones de un Sistema Operativo9 Asignar Recursos 9 Programa de Control9 Facilitador de tareas de usuarios

UsuariosMquina Virtual

Informacin

DatosHardware

SistemaOperativo

Programas deAplicacin

Enfoque Jerrquico de un Sistema OperativoMquina Desnuda

Caractersticas fsicas del computador (hardware), sin ningn revestimiento lgico (software)

9 Entorno rido de programacin 9 Conocimiento profundo del sistema

Mquina ExtendidaMquina virtual que se constituye a partir de la mquina desnuda dotada de mdulos lgicos

9 Amigable9 Eficiente9 Segura

Dos Niveles9 Mquina Extendida Interna

Operaciones elementales y comunes que actan sobre algn elemento fsico del sistema

9 Mquina Extendida ExternaMdulos fsicos que pueden extraerse y funcionar sobre el nivel de mquina extendida interna

Elementos de un Sistema Operativo

Elementos Software de un Sistema Operativo

9 Ncleo o Kernel 9 Programas de Aplicacin

NcleoKernel

Tipos Sistemas Operativos Primeras Realizaciones

Caractersticas9 El programador deba ser operador9 Explotacin mediante listas de reserva

Problemas:Tiempo asignado insuficienteTiempo asignado mayor

Primeros Ordenadores (antes de los 50)Mquinas muy grandes que carecan de elementos

lgicos

ProblemasUso ineficiente de recursos

9Baja utilizacin de la CPU9Tiempo requerido para dejar listo un programa para ejecucin (setup time)

Primeras Mejoras9Dispositivos Fsicos: lectoras, impresoras, cintas9Dispositivos lgicos: ensambladores, cargadores, linkadores y drivers9Lenguajes de alto nivel: compiladores (FORTRAN, COBOL)

Sistemas Monitores Residentes

ObjetivoDisminuir el setup time

9 Operador Profesional9 Estrategia de explotacin: agrupacin por

Lotes9 Secuenciamiento automtico de trabajos

Control de finalizacin de tareasTratamiento de erroresCarga y ejecucin automtica de la siguiente tarea

Problemas9Falta de iteracin entre usuario y maquina9Lentitud frente a operaciones de E/S

Primer Sistema OperativoMonitor residente, realiza automticamente el

secuenciamiento de tareas

Introduce tarjetas de Control ($FNT $JOB $END)

Funciones9Intrprete de tarjetas de Control9Cargador9Drivers de dispositivos

rea de Programas de Usuario

Sistema Operativo

Memoria

Sistemas por Lotes Operaciones de E/S

ObjetivoMejorar el rendimiento de los sistemas por lotes

perfeccionando tcnicas de E/S

BufferingEsquema de operacin de E/S en el que las

transferencias de E/S se realizan a travs de un rea intermedia de memoria (buffer)

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

Operaciones Off-lineModo de operacin de ciertos equipos de E/S que trabajan no controlados directamente por la CPU

Se reemplazan dispositivos mecnicos por dispositivos electrnicos (cintas mgnticas)

Operaciones On-line (Spooling)(Simultaneous Peripheral Operation On-Line)

Consiste en usar el disco como tampn o sistema de buffering. Existe una tarea especial el spooler

Permite solapar operaciones de E/S de una tarea con instrucciones de CPU de otras tareas

Tcnicas

Sistemas por Lotes Multiprogramados

ObjetivoMejorar el rendimiento de la CPU

Tareas del Sistema Operativo9Gestin de Memoria9Planificacin de la CPU9Planificacin de Trabajos9Proteccin9Control de Concurrencia (Dead Lock)

MotivacinConsecuencia de la planificacin de tareas (job

scheduling)

ProcedimientoConmutacin de CPU: cuando una tarea deba

esperar, los recursos de CPU son asignados a otra tarea preparada para ejecucin

Sistema Operativo

Memoria

Trabajo 1

Trabajo 2

Trabajo 3

Sistemas de Tiempo Compartido

ObjetivoMejorar la interactividad con el usuario

Tareas del Sistema Operativo9Sistema Multitarea (tarea proceso)9Sistema Interactivo 9Sistema de Archivos (archivos/directorios)9Sistema Multiusuario 9Memoria Virtual (memoria lgica)

CaracterizacinSistemas multiprogramados e interactivos. Asignacin de la CPU en rodajas de tiempo a todos los usuarios, consiguiendo:

Tiempos de respuesta cortosImpresin de usuario nico

Sistemas de Computador Personal

ObjetivoSistemas de computador dedicados a un solo usuario

Caractersticas9Adoptan funcionalidades de grandes sistemas9No necesitan caractersticas de utilizacin eficiente de CPU, ni proteccin

Dispositivos de E/STecladoRatnPantallasPequeas impresoras

PropiedadesAdaptados al usuario y sus necesidades

Sistemas Paralelos

ObjetivoSistemas multiprocesador.

Sistemas fuertemente acoplados

Caractersticas9Mayor rendimiento9Compartir recursos9Sistemas tolerantes a fallos9Sistemas de multiprocesamiento

Multiprocesamiento simtrico: cada procesador ejecuta una copia del sistema operativoMultiprocesamiento asimtrico: cada procesador tiene una tarea especfica

PropiedadesCon ms de un procesador, comparten bus, reloj, memoria, perifricos,...

Sistemas Distribuidos

ObjetivoSistemas multicomputador (distribuir el cmputo

entre varios procesadores).Sistemas dbilmente acoplados

Caractersticas9Recursos compartidos9Computacin ms rpida9Confiabilidad9Comunicacin

PropiedadesLos procesadores no comparten ni memoria, ni reloj. Se comunican entre s a travs de lneas de comunicacin

Sistemas de Tiempo Real

ObjetivoLos requisitos de tiempo de la operacin de procesador o del flujo de datos son estrictos

Tipos9Tiempo real duro: garantiza que las tareas crticas se terminarn a tiempo9Tiempo real bando: una tarea de tiempo real crtica tiene prioridad respecto a otras tareas

Funcionamiento de los Sistemas de Computacin

Sistema de Computacin9Controlador de dispositivo9Bus de sistema9Memoria compartida

Controlador9Controlador de dispositivo: componente hardware device controler9Controlador software: componente software device driver

Programa de Arranque9Init: primer proceso 9Interrupcin:

Interrupcin hardware: a travs de bus de sistemaInterrupcin software: Llamada al sistema

Elementos de Sistemas Operativos Componentes del Sistema

9Gestin de Procesos crear y eliminar procesos, tanto de usuario como de

sistema suspender y reanudar procesos proveer mecanismos para la sincronizacin de

procesos proveer mecanismos para la comunicacin de

procesos proveer mecanismos para manejar bloqueos mutuos

(dead locks)

9Gestin de Memoria Principal conocer el estado actual de la memoria y quien la

est utilizando decidir que procesos se cargarn en la memoria

cuando se disponga de espacio asignar y liberar espacio de memoria segn se

necesite suspender y reanudar procesos

9Gestin de Archivos crear y eliminar archivos crear y eliminar directorios proveer primitivas para la manipulacin de archivos

y directorios establecer la correspondencia de los archivos con el

almacenamiento secundario resguardar los archivos en medios de

almacenamiento estables (no voltiles)

9Gestin del Sistema de E/S crear y eliminar directorios un componente de gestin de memoria que incluye

buffers, cachs, y spool un interfaz general con los controladores de

dispositivosDrivers (controladores software)

9Gestin de Almacenamiento Secundario administracin del espacio libre de almacenamiento

secundario asignacin del almacenamiento planificacin del almacenamiento secundario

9Trabajo con Redes

9Sistema de Proteccin

9Sistema de Interpretacin de rdenes intrprete de lnea de comandos interfaz grfica de usuario

Elementos de Sistemas Operativos Servicios del Sistema

9Ejecucin de Programas

9Operaciones de E/S9Manipulacin de Sistema de Archivos

9Comunicaciones

9Deteccin de Errores

9Asignacin de recursos9Contabilizacin9Proteccin

Servicios para comodidad del programador

Servicios para aseguran el funcionamiento eficiente

Elementos de Sistemas Operativos Llamadas al Sistema

1. Control de procesos y tareas cargar, ejecutar fin, abortar crear proceso, terminar proceso obtener atributos, establecer atributos del proceso esperar tiempo esperar sucesos, indicar sucesos asignar, liberar memoria

2. Manipulacin de Archivos crear, eliminar abrir, cerrar leer, escribir, reposicionar obtener atributos, establecer atributos

3. Manipulacin de Dispositivos solicitar, liberar leer, escribir, reposicionar obtener atributos, establecer atributos conectar, desconectar lgicamente

4. Mantenimiento de Informacin obtener, establecer fecha y hora obtener, establecer datos del sistema obtener atributos de proceso, archivo o dispositivo establecer atributos de proceso, archivo o dispositivo

5. Comunicaciones crear, eliminar conexin enviar, recibir mensajes transferir informacin de estado conectar, desconectar dispositivos remotos

CategorasInterfaz entre el proceso y el Sistema Operativo

Llamadas al Sistema

Disponibles como instrucciones en lenguaje ensamblador o lenguajes de alto nivel, y se listan en los manuales empleados en la programacin del lenguaje

Elementos de Sistemas Operativos Programas del Sistema

1. Manipulacin de Archivos crear, eliminar, copiar, cambiar nombre,...

2. Informacin de Estado fecha, hora, espacio de disco, nmero de usuarios,...

3. Modificacin de Archivos editores de texto,...

4. Apoyo a Lenguajes de Programacin ensambladores, compiladores, intrpretes,...

5. Carga y Ejecucin de Programas ensambladores, compiladores, intrpretes,...

6. Comunicaciones acceso remoto, transferencia de archivos, correo

electrnico,...

Categoras

Ubicados en el ncleo del sistema operativo y los programas de usuario

Programas del SistemaAlgunos de ellos son interfaces entre el usuario y las llamadas al sistema, mientras que otros son mucho ms complejos

Arquitectura de Sistemas Operativos Estructura del Sistema

Modelos de DiseoForma en que se puede construir un Sistema Operativo para que funcione correctamente y pueda modificarse con facilidad.

1. Estructura Simple: D.O.S2. Modelo de Capas: UNIX, OS/23. Modelo de Mquina Virtual: VM4. Modelo Cliente/Servidor: Windows-NT

Arquitectura de Sistemas Operativos Estructura Simple

Controladores de dispositivos en ROM BIOS

Controladores de dispositivos de S.O.

Ncleo del Sistema Residente

Programa de Aplicacin

Estructura de bloques de D.O.S.

Controladores de Terminales

Terminales

Controladores de Dispositivos

Discos y Cintas

Controladores de Memoria

Memoria Fsica

Interfaz del ncleo con el hardware

Manejo de terminalespor seales

Sistema de E/S por caracteresDrivers de terminales

Sistema de archivosSistema de E/S por

intercambio de bloquesDrivers de disco y cinta

Planificacin de CPUReemplazo de pginas

Paginacin por demandaMemoria virtual

Interfaz con el ncleo mediante llamadas al sistema

Shells y rdenesCompiladores e intrpretes

Bibliotecas del sistema

Usuarios

Estructura de bloques de UNIX Clsico

Los recursos se estructuran por bloques.Mximo de funcionalidad en un mnimo de espacio, con hardware limitado

Estructura SimpleLos sistemas operativos con esta estructura son generalmente sistemas pequeos, sencillos y limitados.

Arquitectura de Sistemas Operativos Estructura por Capas

Capa M

Capa M-1Operacionesocultas

Operacionesexistentes

Operacionesnuevas

Capa de un Sistema Operativo

Capa 0: HardwareCapa 1: Intrprete de instruccionesCapa 2: Planificacin de CPUCapa 3: Canal de E/SCapa 4: Memoria virtualCapa 5: Controladores de dispositivosCapa 6: Programas de Usuario

Estructura de capas de Venus

Objetivos1. Mayor libertad para implementadores2. Modularidad en los sistemas3. Ocultamiento de informacin para que los

programadores

Modelo por CapasDiseados para utilizacin de hardware ms avanzado, estos sistemas operativos se encuentran mucho ms fragmentados.

Arquitectura de Sistemas Operativos Mquinas Virtuales

Mquinas VirtualesUtilizando planificacin de la CPU y tcnicas de memoria virtual, un sistema operativo puede crear la ilusin de que mltiples procesos se ejecutan cada uno en su propio sistema.

Otro tipo de visin de mquina virtual es la de Java, donde los programas se ejecutan sobre una JVM(Java Virtual Machine), haciendo a los programas independientes del hardware utilizado.

HardwareNcleo

Procesos

HardwareMquina Virtual

Ncleo

Procesos

Ncleo

Procesos

Ncleo

Procesos

Mquina no virtual Mquina virtual

Interfazde

programacin