Fundamentos de sistemas operativos

T1: Fundamentos

• Este resumen abarca los fundamentos de los sistemas operativos, procesos e hilos, hardware, memoria y acceso a dispositivos.

Sistema Operativo

• Es el software que facilita el uso de un sistema informático.
• Proporciona una interfaz entre usuarios y el sistema, y entre aplicaciones y el sistema.
• Simplifica el desarrollo de aplicaciones.
• El núcleo del sistema operativo es la capa de software que interactúa directamente con el hardware.
• Ofrece una interfaz con un alto grado de abstracción.

Núcleo del Sistema Operativo y Hardware

• El núcleo del sistema operativo se coloca sobre el hardware.
• Proporciona una interfaz con mayor grado de abstracción.
• Las herramientas del sistema incluyen configuración y administración, programas de ayuda y programas de órdenes.

Llamadas al sistema

• Una llamada al sistema es una petición de un proceso al núcleo del sistema operativo para obtener un servicio.
• En procesadores con protección de memoria y modos supervisor/usuario, se implementan mediante instrucciones específicas e interrupciones.
• Usar rutinas no es viable debido a las restricciones de protección y la falta de conmutación a modo supervisor.

Procesos e Hilos

• Un proceso es una secuencia de ejecución de instrucciones de un programa.
• Si un programa se ejecuta más de una vez, cada ejecución es un proceso distinto.
• Un proceso puede ejecutar otro programa.

Abstracciones del Núcleo

• Cada proceso tiene su propio espacio de memoria aislado.
• Las direcciones de memoria de los procesos son direcciones lógicas.
• El núcleo proporciona mecanismos de comunicación, sincronización e identificación.
• Un proceso puede crear otros procesos, donde el proceso "padre" tiene derechos especiales sobre su "proceso hijo".

Multiprogramación

• Es la capacidad de un programa para ejecutar múltiples procesos.
• Busca aprovechar al máximo los procesadores.
• Intel Core i7 6950X ejecuta 317.900 MIPS, con una instrucción ejecutándose en ~3.14x10^-12 segundos.
• Tiempo de transferencia típico de una unidad SSD: 0.2ms (2.0x10^-4s).
• Mientras el dispositivo transfiere datos, el procesador puede ejecutar millones de instrucciones.

Operaciones Bloqueantes

• Una operación bloqueante es aquella que tarda significativamente más que la ejecución de instrucciones en el procesador.

Abstracción vs. Comportamiento Real

• En la abstracción, se asume que cada proceso tiene un procesador virtual dedicado y ejecuta instrucciones a una velocidad uniforme.
• En la realidad, el tiempo del procesador se reparte entre los procesos, y los procesos alternan períodos de ejecución con inactividad.

Estados de un Proceso

• Los estados principales de un proceso son: Activo, Preparado, Bloqueado.
• La transición ocurre entre activación, bloqueo y apropiación.
• El planificador de procesos es el componente del núcleo que distribuye el tiempo de los procesadores entre los procesos.

Consecuencias de la Planificación

• Tiempo de ejecución de un proceso ≠ tiempo consumido de CPU.
• La misma actividad puede tardar diferente tiempo en distintas ejecuciones
• Las operaciones que dependen del tiempo se gestionan mediante primitivas del sistema.
• Las esperas activas están prohibidas.

Hilos

• ¿Debería un proceso que realiza dos actividades paralelizables convertirse en dos procesos?
• Siempre es interesante si hay más de un procesador.
• En un solo procesador, una actividad puede aprovechar los tiempos de bloqueo de la otra.

Problemas con Dependencias

• Las dependencias entre actividades pueden requerir la conversión de variables y estructuras de datos.
• El acceso a estos recursos mediante mecanismos de IPC puede ser complicado e ineficiente.

Solución: Implementar Actividades con Hilos

• Un hilo es una secuencia de ejecución dentro de un proceso.
• Comparte espacio de memoria y archivos abiertos.
• El sistema operativo proporciona primitivas para la creación, destrucción y sincronización.
• No se implementan mecanismos de protección entre hilos del mismo proceso.

Redefinición de Proceso

• Ahora objeto del sistema que encapsula:
  • Uno o más hilos
  • Un espacio de memoria compartido por todos sus hilos
  • Conjunto de recursos hardware/software asignados
• El planificador ahora gestiona hilos, no procesos.

Conceptos Básicos sobre Hardware

• Organización básica de un ordenador.
• Interrupciones y Modos de ejecución del procesador.
• Memoria y Acceso a dispositivos.

Interrupción

• Es la alteración de la secuencia de ejecución de instrucciones provocada por un evento.
• Existen vectores de interrupción que indican la rutina a ejecutar.
• Los eventos que provocan interrupciones pueden ser: hardware, excepción o software.

Tipos de Interrupción

• Interrupción Hardware: Indica un cambio de estado en una entrada del procesador, usado para la gestión de dispositivos.
• Excepción: Imposibilidad de ejecutar una instrucción debido a varias razones (no es una instrucción, instrucción no válida, fallo de página, o nivel de privilegio insuficiente).
• Interrupción software: Es una instrucción que provoca deliberadamente una interrupción, como INT 21H.

Modos de Ejecución del Procesador

• El procesador tiene distintos modos de ejecución.
  • Instrucciones para operaciones aritméticas, lógicas o de movimiento de datos.
  • Instrucciones privilegiadas que acceden a recursos hardware o software externos.
• Al menos dos modos existen:
  • Supervisor: Puede ejecutar cualquier instrucción, incluyendo las privilegiadas.
  • Usuario: No puede ejecutar instrucciones privilegiadas.
    • Si un modo usuario intenta ejecutar instrucción privilegiada causa EXCEPCIÓN.
• Utilidad → construcción de un sistema operativo robusto.
  • El núcleo usa el procesador en modo supervisor y el resto en modo usuario.

Memoria

• Funciona como un array de bytes al que se accede mediante una dirección (índice).
  • Primera dirección de memoria: 0.
  • Última dirección de la memoria depende de la cantidad instalada
  • Se puede transferir en cada acceso 1, 2, 4 u 8 bytes.

Espacio de Memoria Paginado

• Cada proceso tiene su espacio lógico de direcciones
• El procesador traduce del espacio lógico al espacio físico de direcciones
• El traductor divide las direcciones lógicas en:
  • nº páginas y desplazamiento

Traducción de Direcciones Paginadas

• Usa una tabla de páginas.
• Tabla de páginas indexada por número de página y proporciona el número de marco.
• Independencia: cada proceso tiene su propia tabla de páginas, dando su propio espacio.

Beneficios de la Paginación

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

Memoria Virtual

• Los procesos comienzan su ejecución sin necesidad de transferir ninguna de sus páginas a memoria.
• Inicialmente, todas las páginas se marcan como "no presentes".
• Cuando falta una página, el núcleo la busca y la carga en cualquier marco libre.
• El bit P de "presente", indicando que marco cargado en memoria.

Reemplazo de Páginas

• Si no quedan marcos libres, se reescribe un marco usado para colocar la nueva página, hasta que dicho espacio necesite.

Acceso a Dispositivos

• Para el sistema operativo (S.O), los dispositivos son cajas negras capaces de:
  • Recibir órdenes
  • Transferir información
  • Informar sobre su estado
• Controlador: Interfaz electrónica del dispositivo.
  • Debe ser de la forma más simple: específico para ordenador y dispositivo.

Adaptador

• Es el componente que sirve como elemento de conexión a otros dispositivos.
• Proporciona una interfaz estándar que normaliza:
  • Características mecánicas
  • Características electrónicas
  • Protocolos

Acceso a Dispositivos: Registros de Control

• Un dispositivo puede tener múltiples registros.
• Los tipos de registros son:
  • Órdenes (de configuración o de comando).
  • Estado
  • Lectura/Escritura
• Los registros pueden estar mapeados en memoria o en espacio de E/S.
• Cada registro tiene asignada una dirección.

Información del Dispositivo

• Los dispositivos informan de sus cambios de estado cambiando el valor de su registro de estado o generando una interrupción.
• El manejo de dispositivos puede ser por sondeo, revisando el registro de estado, o por interrupciones.

Gestión de Dispositivos por Sondeo

• Consiste en leer el registro de estado hasta que cambie de valor.
• Se ordena la lectura, luego se lee repetidamente el estado hasta que indique "lectura OK", y finalmente se lee el dato.

Gestión de Dispositivos por Interrupciones

• El dispositivo tiene una salida de interrupción que se conecta a la entrada de interrupción del procesador.
• Cuando el dispositivo cambiala señal la interrupción.
• La subrutina de servicio a la interrupción trata el cambio de estado.
• Si hay múltiples dispositivos:Se necesita un programable interrupt controller (PIC), o message signalled interrupt (MSI)

Arquitectura del Subsistema de E/S:

• El software de E/S consta de:
  • Espacio de usuario y bibliotecas de funciones.
  • Software de E/S independiente del dispositivo y administración de archivos.
  • Gestor de dispositivos y controladores (drivers).

Unidades de Almacenamiento: Unidades Magnéticas

• Estructura del dispositivo:
  • Interfaz: SATA, SCSI, USB.
  • Controlador.
  • Buffer (RAM)
  • Almacenamiento permanente (placas magnéticas).
• Las unidades magnéticas:
  • Constan de una o más placas ferromagnéticas.
  • Cada placa tiene dos caras.
  • Cada cara está dividida en pistas concéntricas y cada pista en sectores.
  • El sector es unidad mínima de transferencia, tiene un número de bits
  • Cada cara tiene un cabezal de lectura/escritura y los cabezales se mueven de forma solidaria (peine)

Organización de la Información en Discos Magnéticos

- Cilindro: conjunto de pistas con el mismo número.
- Pistas: coronas concéntricas, divididas en sectores.
- Sector: unidad mínima de transferencia.

• 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 Estados Solidos (SSD)

• SSD: tecnología de almacenamiento con tecnología NAND Flash.
• Software: controla las lecturas y escrituras al hardware.
• Las operaciones de escritura son más lentas.

Componentes del SSD

• Controlador: gestiona las operaciones de lectura y escritura, compatible SATA los discos magnéticos.
  • Buffer: RAM actúa como almacenamiento intermedio entre controlador y array flash. _ Array Memorias Flash: Almacenamiento en sí del dispositivo

Notas sobre protocolos y conexión

• SATA usan protocolo AHCI (Advanced Host Controller Interface).
• PCIe: usan o bien protocolo AHCI (distingue por tener dos ranuras en conector) y protocolo NVMe (una única ranura en conector).

NVMe

• NVMe: protocolo especialmente diseñado para discos duros SSD a través bus PCI Express.
• La diferencia principal entre NVMe y AHCI es la Cola de Comandos (Command Queue), el NVMe soporta 65.000 colas con 65.000 mientras AHCI solo 32.
• Elimina cuello de botella.

Técnica de escritura y lectura

• Interfaz Flash: serie de 8/16 bits.
• Sector: escribe en paralelo, pero dispersoen celdas
• Escritura: celda, debe estra vacía

Particulariedades SSD

• Tamaño, el sector 4Kb y borrar previamente.
• celdas no borran agrupar.
• El borrado de un sector afecta a otros

Amplificación de la Escritura

• Tamaño típico del sector: 4KB.
• Para escribir, hay que borrar previamente.
• Las celdas no se pueden borrar individualmente, sino en unidades de borrado.
• Borrado de un sector puede afectar a otros.
• Escribir de datos es lectura+borrado+modificación+escritura.
• Celdas flash soportan número limitado de borrados.
  • Número típico es de 100.000 ciclos de borrado/programación.

Wear Leveling

• Objetivo: distribuir el desgaste de las celdas de forma uniforma
• Tipos:
  • Dinámico: se le asignan las celdas flash a usar en el momento de la escritura -Estático: al Dinámico, pero mueve periódicamente los sectores

Comando Trim

• El sistema archivos y indica a SSD sectores borren.
• Esto: mejora el escrituras y borrados.