Fundamentos de Sistemas Operativos

Fundamentos

• El sistema operativo (SO) es software que facilita el uso de un sistema informático.
• Proporciona una interfaz entre usuarios y el sistema.
• Constituye la interfaz entre aplicaciones y el sistema.
• Simplifica el desarrollo de aplicaciones.

Núcleo del Sistema Operativo

• Es una capa de software situada sobre el hardware.
• Proporciona una interfaz con un alto grado de abstracción.
• Incluye herramientas del sistema como configuración y administración, programas de ayuda y programas de órdenes.

Llamadas al Sistema

• Una llamada al sistema es una petición realizada por un proceso al núcleo del sistema operativo para obtener un servicio.
• En un procesador con mecanismos de protección de memoria y modos supervisor y usuario, la implementación viable es mediante instrucciones específicas e interrupciones.
• No se implementan mediante rutinas para evitar que el proceso acceda al espacio de memoria del núcleo.

Procesos e Hilos

• Un proceso es una secuencia de ejecución de instrucciones de un programa.
• Si el mismo programa se ejecuta más de una vez, cada ejecución es un proceso distinto.
• Un proceso puede ejecutar otro programa.
• El núcleo proporciona abstracciones como espacios de memoria propios y aislados para cada proceso.
• Las direcciones de memoria de los procesos son direcciones lógicas. En Windows, el estándar es de 0 a 2 GB.
• El núcleo ofrece mecanismos de comunicación, sincronización e identificación.
• Un proceso puede crear otros procesos, donde el proceso "padre" tiene "derechos especiales" sobre su "proceso hijo".

Multiprogramación

• Un programa multiprogramado puede ejecutar múltiples procesos para aprovechar los procesadores.
• Un Intel Core i7 6950X ejecuta 317.900 MIPS, con una instrucción ejecutándose aproximadamente en 3.14x10^-12 segundos.
• El tiempo de transferencia típico de una unidad SSD es de 0.2ms (2.0x10^-4s).
• Durante la transferencia de datos, el procesador puede ejecutar millones de instrucciones.

Operaciones Bloqueantes

• Son acciones que tardan en ejecutarse en una escala de tiempo mayor que la ejecución de instrucciones en el procesador.
• En la abstracción, se supone un procesador virtual que ejecuta instrucciones a velocidad uniforme para cada proceso.
• En la realidad, el tiempo del procesador se reparte entre los procesos, alternando periodos de ejecución con periodos de inactividad.

Estados de un Proceso

• Los estados mínimos por los que pasa un proceso son: preparado, activo, bloqueado.
• El planificador de procesos es el componente del núcleo encargado de repartir el tiempo de los procesadores entre los procesos.
• El tiempo que tarda en ejecutarse un proceso es diferente del tiempo consumido de CPU.
• La misma actividad puede tardar distintos tiempos en diferentes ejecuciones.
• Las operaciones que dependen del tiempo deben usar primitivas del sistema.
• Las esperas activas están prohibidas.

Hilos

• Implica convertir un proceso que realiza dos actividades paralelizables en dos procesos.
• Si hay más de un procesador, siempre es interesante.
• Si hay solo un procesador, una actividad puede aprovechar los tiempos de bloqueo de la otra.

Problemas de Dependencias

• Implican acceso a recursos compartidos mediante mecanismos de IPC.
• Los recursos pueden convertir variables o estructuras de datos.
• Implica ser complicado e ineficiente

Hilos como Solución

• Los hilos implementan actividades A y B mediante:
• Espacio de memoria compartido.
• Archivos abiertos y código compartidos.

Primitivas Disponibles

• Creación de hilos.
• Destrucción de hilos.
• Sincronización entre hilos.

Lo que no se implementa

• Mecanismos de protección entre hilos del mismo proceso.
• Mecanismos de comunicación entre hilos del mismo proceso.

Proceso Redefinido

• Se define como el objeto del sistema que encapsula:
  • Uno o más hilos
  • Un espacio de memoria compartido por hilos
  • Un conjunto de recursos hardware/software asignados

Planificador

• El planificador ahora planifica hilos, en lugar de procesos.
• Lenguajes de programación como ADA, Java y Python incluyen soporte para hilos.

Conceptos Básicos de Hardware

• Organización básica de un ordenador:
  • Memoria local
  • Bus (sistema de interconexión)
  • Adaptadores (teclado, ratón, pantalla)
  • DMA (acceso directo a memoria)
  • Controlador de unidades de disco

Interrupciones

• Implican alteración de la secuencia de ejecución de instrucciones provocada por un evento.
• Interrupt Hardware: cambio de estado en una entrada de interrupción del procesador, para gestión de dispositivos.
• Excepciones: imposibilidad de ejecutar una instrucción.
• Interrupt software: instrucción que provoca deliberadamente la interrupción cuyo número se pasa como argumento, ejemplo: INT 21H.

Modos de Ejecución del Procesador

• Instrucciones: realización de operaciones aritméticas, lógicas o de movimiento de datos.
• Instrucciones privilegiadas: instrucciones que acceden a recursos hardware o software externos al proceso actual.
• Dos modos de ejecución:
  • Supervisor: puede ejecutar cualquier instrucción, incluyendo privilegiadas.
  • Usuario: no puede ejecutar instrucciones privilegiadas; si se intenta, se produce una Excepción.

Utilidad de los Modos de Ejecución

• Permiten construir un sistema operativo robusto.
• El núcleo usa el procesador en modo supervisor, mientras que el resto opera en modo usuario.

Memoria

• Funciona como un array de bytes.
• Se accede a cada posición mediante una dirección (índice).
• La primera dirección es 0 y la última depende de la memoria instalada.
• En cada acceso se puede transferir 1, 2, 4 u 8 bytes.

Espacio de Memoria Paginado

• Cada proceso ve su espacio lógico de direcciones.
• El procesador traduce del espacio lógico al espacio físico de direcciones.
• El traductor divide las direcciones lógicas en nº de páginas y desplazamiento.
• La dirección Lógica "00...0" NO tiene por qué corresponderse con la dirección Física "00...0".
• La traducción se realiza mediante una tabla de páginas, indexada por nº de página y que proporciona el nº de marco.
• Para que cada proceso tenga su espacio de memoria independiente, cada proceso tiene su propia tabla de páginas.

Paginación

• Cada proceso solo ve su propio espacio lógico de direcciones.
• El espacio está compuesto por direcciones consecutivas, aunque los marcos asignados al proceso no sean consecutivos.
• Se puede ejecutar un proceso sin necesidad de tener cargadas todas sus páginas.

Memoria Virtual

• Los procesos comienzan su ejecución sin necesidad de transferir ninguna de sus páginas a memoria.
• Inicialmente, todas las páginas están marcadas como "no presentes".
• Por cada fallo de página, el núcleo busca la página y la carga en cualquier marco libre.
• El bit P de "presente" cambia de 0 a 1 una vez cargado el marco con la página correspondiente.

Gestión de Marcos Libres

• Cuando no quedan marcos libres, se reescribe un marco usado para colocar la página siguiente.
• Se escribe hasta que se vuelva a necesitar dicho espacio para otro marco.

Acceso a Dispositivos

• Para el SO, los dispositivos son cajas negras capaces de recibir órdenes, transferir información e informar sobre su estado.
• El controlador es la interfaz electrónica del dispositivo, específico para ordenador y dispositivo.
• El adaptador sirve como elemento de conexión a otros dispositivos, proporcionando una interfaz estándar.
• El adaptador normaliza características mecánicas, electrónicas y protocolos.

Registros de Control

• Un dispositivo puede tener múltiples registros de órdenes de configuración o de comando, de estado, y de lectura/escritura.
• Los registros pueden estar mapeados en memoria o en espacio de E/S, y cada registro tiene asignada una dirección.
• Los dispositivos informan de sus cambios de estado cambiando el valor de su registro de estado o generando una interrupción.
• Se pueden gestionar por sondeo (polling) o por interrupciones.

Gestión por Sondeo

• Se lee el registro de estado hasta que cambie de valor.
• En la gestión por interrupciones, el dispositivo tiene una salida de interrupción que se conecta a la entrada de interrupción del procesador.

Gestión por Interrupciones

• Cuando cambia de estado, genera una interrupción.
• La subrutina de servicio de interrupción trata dicho cambio de estado.
• Si hay múltiples dispositivos, se usa un PIC (Programable Interrupt Controller) o MSI (Message Signaled Interrupt).

Unidades de Almacenamiento

• Considerar la arquitectura del subsistema de E/S.

Unidades Magnéticas

• Su estructura incluye:
  • Placas ferromagnéticas con 2 caras cada una.
  • Pistas concéntricas divididas en sectores.
  • Cabezales de lectura/escritura que se mueven solidariamente
  • Controlador
  • Interfaz (SATA, SCSI, USB...) y buffer (RAM).
• El sector es la unidad mínima de transferencia, con todos los sectores teniendo el mismo número de bits.

Modos de Direccionamiento

• CHS (Cylinder, Head, Sector): el disco es un array tridimensional de sectores.
• LBA (Linear Block Address): el disco es un vector de sectores.

Unidades de Estado Sólido (SSD)

• Emplean tecnología NAND Flash
• Incluyen una interfaz, un controlador, un buffer (RAM) y un array de memorias Flash.
• El controlador gestiona las operaciones de lectura y escritura.
• El buffer es una memoria RAM que actúa como almacenamiento intermedio entre el controlador y el array de memorias Flash.
• Se transfieren bloques de datos que se almacenan en varias celdas flash (equivalente a bloques de disco).

Notas Sobre Protocolos

• La mayoría de las unidades magnéticas con interfaz SATA usan el protocolo AHCI (Advanced Host Controller Interface).
• Unidades PCIe (forma M2) usan AHCI (dos ranuras) o NVMe (una ranura).
• NVMe (Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification) diseñado para SSDs vía PCI Express.
• NVMe y AHCI se diferencian en la cola de comandos; AHCI gestiona una cola con 32 comandos, NVMe soporta 65.000 colas con 65.000.

Técnicas de Escritura y Lectura

• Utilizan la interfaz de cada celda flash: serie 8/16 bits.
• Un sector se escribe en paralelo disperso en varias celdas.
• Para escribir, la celda debe estar vacía.

Implementaciones

• Dado que la interfaz de una celda Flash es serie (8/16 bits), se escribe o lee sobre varias celdas simultáneamente.
• Despues de borrar las celdas que van a contener el sector, se hayan borrado más celdas de las necesarias.
• El dispositivo utiliza un condensador para retener energía suficiente en caso de pérdida repentina de la alimentación.

Unidades SSD Particulares

• Amplificación de la escritura debido a la necesidad de borrar antes de escribir. El tamaño típico del sector es de 4KB.
• Las celdas no se pueden borrar individualmente, borrar implica unidades de 128KB-256KB, y el borrado de un sector puede afectar a otros.
• Se requiere preservar los sectores en la misma unidad de borrado, si los hay.

La Amplificación

• Escritura = lectura+borrado+modificación+escritura
• Las celdas flash soportan un número finito de borrados (típicamente 100.000 ciclos de borrado/programación)

Wear Leveling

• Algunos archivos se actualizan con mucha frecuencia, desgastando los sectores que se reescriben una y otra vez.

Nivelación Dinámica

• A cada sector se le asignan las celdas flash a usar en el momento de la escritura.
• Si se reescribe un sector, se le reasignan nuevas celdas (preferiblemente vacías), evita reescribir las celdas que usa actualmente.
• Los archivos que no se reescriben no desgasta sus sectores.
  • Si los sectores nunca se reescriben, las celdas que alojan estos sectores, tampoco se reescriben
• Consecuencia: dos tipos de celdas en la unidad: las que casi nunca se reescriben y las que se reescriben.

Nivelación Estática

• Igual que Leveling dinámico, pero periódicamente se mueven también los sectores que no se reescriben, distribuido de manera más homogénea el uso de todos los sectores.
• El control de SSDs suele implementarse por parte del controlador del SSD, es decir, por hardware.

Comando TRIM

• Cuando vamos a reescribir el sector 3, no podemos borrar sólo las celdas que usa ese sector así que se produce una amplificación de la escritura.
• La unidad no sabe que el contenido de los sectores 0, 1 y 2 ya es irrelevante.

La Amplificación Previene

• Con el comando TRIM, el administrador de archivos informa a la unidad de qué sectores que han sido previamente escritos dejan de ser relevantes.
• De esta forma, la unidad no tiene que preocuparse en mantener su contenido si son afectados por alguna amplificación de la escritura.

Trim (Cont.)

• Si sectores grabados en una unidad de borrado ya no están en uso, no es necesario leerlos y regrabarlos.
• La utilidad reduce el impacto de la amplificación de la escritura.
• Esta información no se dispone ni siquiera a nivel de gestor de dispositivo, sino que es el nivel de software de E/S independiente de dispositivo quien dispone de dicha información.
• Tal característica, afecta al nivel superior del software de E/S.
  • Suportado de forma nativa por:
  • Linux desde el nucleo 2.6.33.
  • Windows a partir de Windows 7.
  • Mac OS X a partir de la versión 10.7 (Lion).

Interfaz de Usuario

• Comprende dos tipos distintos de terminales:
  • Terminales internos (consola).
  • Terminales externos.

Terminales internos (Consola)

• Tres dispositivos independientes pero interrelacionados, cuatro contando el audio:
  • Procesador, memoria, adaptador de teclado, adaptador de ratón y adaptador de pantalla.

Terminales Internos: Adaptador de Pantalla

• Barra un área de memoria que representa el contenido de la pantalla (memoria de video).
• La memoria de video puede estar en el adaptador o en la Memoria principal.
• La interpretación de la memoria depende del modo de video: texto o gráfico.
• La memoria, aunque vaya integrada en adaptador, es accesible desde el espacio de memoria del procesador.
• El adaptador sincroniza la imagen, controla el haz de barrido, genera los caracteres en modo texto y determina el color y brillo de cada píxel.

Modos

• En modo texto, la pantalla es un array de caracteres, en el que para cada carácter hay un código ASCII y un byte con sus atributos (código de color, nivel de intensidad).
• En modo gráfico, la pantalla es un array de pixels, que contienen el código de color, normalmente, codificado en RGB (Red, Green, Blue).

Terminales Internos: Teclado

• Dispone de un microcontrolador que explora el array de teclas n veces por segundo
• Cuando se pulsa una tecla:
  • Genera un evento de tecla pulsada.
  • Proporciona scancode de tecla.
• Conversión scancode ←→ carácter: en gestor de teclado

Terminales Internos: Ratón

• Su controlador genera un evento por cada cambio de estado:
  • Pulsación/ liberación de teclas o Desplazamiento
• Proporciona vector de desplazamiento y el estado de las teclas, el gestor mueve un cursor o hardware del ratón

Terminales Externos

• El terminal es una red autónoma con conexión unica
• Normalmente en un ordenador se ejecuta una aplicación de cliente de texto o en modo gráfico (cliente de escritorio remoto)

Clientes de Terminales en Modo Texto

• Se basan en protocolos muy simples:
  • Envía la información y el control
  • Ordenan a cliente el borrado o posicionamiento y se usa un canal de encriptado
• Caracteres de control
• Existen diversos estándares ANSI

Clientes de Terminal en Modo Gráfico

• Protocolos consistentes que envían información y eventos de teclado y dispositivos de apuntadores , servidor envía al cliente contenido gráfico de pantalla
• En modo servidor envia en :
  • Orientados a pixeles: como mapas de bits
  • Orientados a comandos: objectos describe como se muestra en pantalla.
• Se debe añadir Streaming de audio/video del servidor al cliente con acceso al sistema
• Como los archivos y dispositivos del servidor