Introducción a los Sistemas Operativos

Introducción a los Sistemas Operativos

• Un sistema operativo es un conjunto de programas que gestiona el hardware de una computadora y permite que otros programas se ejecuten.
• Un proceso es un programa en ejecución.
• Los SO gestionan los recursos del hardware y proporcionan una interfaz entre el hardware y los usuarios.
• Las funciones y objetivos del SO incluyen administrar recursos, planificar procesos, gestionar hardware y proporcionar interfase con el usuario.
• La equitatividad, respuesta diferencial y eficiencia son factores a tener en cuenta al asignar recursos en un SO.
• El planificador es responsable de la planificación de procesos y la asignación de recursos en sistemas multiprogramados.
• El manejador de interrupciones gestiona las interrupciones generadas por dispositivos de E/S.

El Sistema Operativo como Gestor-Asignador de Recursos

• El SO debe decidir cómo asignar recursos a los procesos ante solicitudes conflictivas.
• Factores importantes en la asignación de recursos son:
  • Equitatividad: Procesos similares deben tener acceso equitativo a los recursos.
  • Respuesta diferencial: Diferentes procesos con prioridades diferentes requieren una asignación dinámica de recursos.
  • Eficiencia: El SO debe maximizar el rendimiento y minimizar los tiempos de respuesta.
• Elementos principales del SO para gestionar los tres factores son:
  • Planificador: gestiona la planificación y asignación de recursos en entornos multiprogramados.
  • Manejador de llamadas nativas al sistema: se encarga de optimizar el flujo de peticiones del usuario.

Diseño Modular en Niveles

• El diseño modular permite una mayor libertad de cambio, mantenimiento, correlación de errores y depuración.
• Organización de niveles separando las características del sistema.

Transformación de un programa en instrucciones de máquina

• Las máquinas interpretan señales binarias (0 y 1).
• Las instrucciones son colecciones de bits que se representan como números.
• Compiladores traducen lenguajes de alto nivel a ensamblador y a lenguaje máquina.
• El ensamblador traduce el lenguaje ensamblador a lenguaje máquina.
• El lenguaje máquina es el lenguaje binario que entiende la máquina.

Elementos básicos y organización de un computador

• Unidad de procesamiento (CPU): controla el funcionamiento y procesa datos.
  • ALU (Unidad Aritmética Lógica)
  • IR (Registro de Instrucciones)
  • PC (Contador de Programa)
  • Registros auxiliares
• Memoria Principal: almacena las instrucciones y datos que se usan en las operaciones.
• Módulos de E/S: transferencia de datos entre el computador y el entorno externo.

El procesador y sus registros

• Los registros son ubicaciones de almacenamiento dentro de la CPU que se utilizan para almacenar temporalmente datos e instrucciones.
• Registro de dirección de memoria (RDIM): almacena la dirección de memoria.
• Registro de datos de memoria (RDAM): almacena los datos que se reciben de la memoria.
• Registro de dirección de E/S: almacena direcciones de memoria de buffers de E/S.
• Registro de datos de E/S: almacena información de búfers de E/S.
• Registro de instrucción (IR): contiene la última instrucción leída y que hay que ejecutar.
• Contador de programa (PC): contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.
• Palabra de estado del programa (PSW): contiene información sobre el estado del programa.
• Registros auxiliares.

Interacción de la CPU con la memoria principal

• Los programas deben estar en la memoria principal para ejecutarse.
• Secuencias de carga y almacenamiento entre memoria y CPU usando registros.

Búsqueda y ejecución de instrucciones

• Un ciclo de instrucción consta de fase de búsqueda y ejecución.
• Incluye buscar (obtener) la siguiente instrucción de la memoria, decodificarla y ejecutarla en la ALU.

Interrupciones y manejador de interrupciones

• Interrupciones por dispositivos de E/S, por fallos de hardware y por temporizadores.
• Se usa una tabla de vectores que contienen direcciones de las rutinas de manejo de interrupciones.

Adición de la fase de interrupción

• El procesador comprueba si hay interrupciones pendientes.
• Si hay interrupciones, se ejecuta la rutina de manejo de interrupciones correspondiente.
• Se restaura el contexto del proceso interrumpido.

Procesos múltiples

• Cada proceso tiene su propio bloque de control de proceso (PCB), que almacena información sobre el proceso.
• Los sistemas operativos tienen que gestionar múltiples procesos.
• Posibles estados de los procesos: nuevo, listo, en ejecución, bloqueado, terminado.
• El planificador selecciona procesos para la ejecución en la CPU.

Sistemas de un solo procesador

• Hay un solo procesador que gestiona los diferentes procesos en ejecución.

Sistemas multiprocesador

• Hay múltiples procesadores trabajando simultáneamente en la ejecución de múltiples procesos.
• Sistemas simétricos y asimétricos dependiendo de la partición de tareas entre los procesadores.

Multiprogramación

• El SO maneja simultáneamente varios procesos, dividiendo el tiempo del procesador entre ellos.
• Se evita el tiempo ocioso del procesador.

Multiprocesamiento

• Permite que varios procesos se ejecuten simultáneamente en varios procesadores.

Modo dual (usuario y kernel)

• El modo kernel otorga acceso preferencial a recursos del sistema operativo.
• El modo usuario limita privilegios a un programa para evitar accesos inadecuados a recursos del sistema.

Llamadas nativas al sistema y paso de parámetros

• Las llamadas al sistema son llamadas de un programa de usuario al sistema operativo.
• Se indica al sistema operativo las instrucciones a llevar a cabo.
• El kernel controla este intercambio, paso de parámetros y return.

Comunicación entre procesos, problemas de concurrencia

• Pseudoparalelismo o concurrencia: procesos intercalados.
• Paralelismo o concurrencia real: procesos al mismo tiempo.
• Problemas de concurrencia: secciones críticas, inanición, interbloqueo.
• Soluciones: semáforos, monitores, mutex...

El problema de los lectores-escritores

• Un recurso compartido por lectores y escritores.
• Priorizar los lectores sobre los escritores, o viceversa.
• Implementación de semáforos.

Problema del productor-consumidor

• Un recurso compartido productor/consumidor.
• Soluciones con semáforos.

Señales como método IPC

• Mensajes entre procesos, usando llamadas al sistema.

Planificación

• Objetivo: eficiencia, justicia, tiempo de respuesta aceptable.
• Tipos de planificación: FCFS, Round Robin, prioridades, SRT
• Planificación a largo plazo, a medio plazo, a corto plazo.

Otros temas:

• Multiprocesamiento simétrico y asimétrico.
• Planificación con colas de prioridades.
• Colas de prioridad multinivel retroalimentada (feedback).