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Sistema Informático Máquina que: acepta datos de entrada Sistema Informatico los procesa siguiendo unos programas almacenados y genera unos datos de salida Están compuestos de: parte física (hardware) parte lógica (software) 1 ...

Sistema Informático Máquina que: acepta datos de entrada Sistema Informatico los procesa siguiendo unos programas almacenados y genera unos datos de salida Están compuestos de: parte física (hardware) parte lógica (software) 1 Hardware Software El Software (1s y 0s) Microprocesador (CPU) se puede Memoriadividir en: Instrucciones: directamente Placa Base (buses) entendibles por la CPU Datos: todo Periféricos deloE/S demás Teclado/Ratón Almacenamiento Pantalla... 3 4 Arquitectura: Hardware-Software 1. Los dispositivos de E/S tienen almacenados Hardware Instrucciones (programas) y Datos E/S: teclado, ratón, HD Memoria RAM 2. La CPU ordena que se lean Instrucciones y Datos desde la E/S hacia la RAM CPU Software 3. La CPU lee Instrucciones y Datos de la RAM, ejecuta las Instrucciones instrucciones sobre los datos y escribe resultados en RAM Datos 4. La CPU ordena que escriban datos desde RAM hacia la E/S 5 6 Tipos de Software De Sistema De Programación De Aplicación Tipos de Software: Gestionar el Facilitar la creación Permitir al usuario Hardware. Servir de programas. realizar todo tipo de modelo Objetivo de en interfazcapas entre el Convertir el código tareas, hardware y el fuente en generalmente usuario. Instrucciones manejar datos Office, Firefox, Linux, Windows, GCC, node.js, JRE, Ejemplos PhotoShop, MacOS, Drivers Ruby, Perl Minecraft 8 Tipos deen Modelo Software capas De Sistema Cada capa De Programación “usa” los De Aplicación Gestionar el servicios que Facilitar la creación le Permitir al usuario Hardware. Servir proporcionarealizar de programas. la inferior, todo tipo de Objetivo de interfaz entre el Convertirpara el código tareas, realizar tareas más hardware y el fuente en generalmente usuario. complejas manejar datos Instrucciones Esos servicios queFirefox, Office, ofrece la Linux, Windows, GCC, node.js, JRE, Ejemplos MacOS, Drivers capa inferior Ruby, Perl no cambian PhotoShop, Minecraftlos aunque cambien detalles internos de la capa 8 9 ¿ Qué es la Virtualización? El Software de Virtualización emula el hardware de un sistema informático Virtualización, el Es hardware hecho por software hipervisor Simula los componentes como: BIOS, RAM, CPU, HDD, tarjetas de red, etc. Permite correr una o más máquinas virtuales invitadas (guest) en una máquina física anfitrión (host) 1 ¿ Qué es la Virtualización? Virtualización y modelo de capas El Software de Virtualización emula La virtualización el hardwareconsiste de un sistema informático en añadir una capa más Es hardware hecho por software al modelo Simula los componentes como:Esta capa BIOS, se llama RAM, CPU, HDD, tarjetas de red, etc. hipervisor (hypervisor) Permite correr una o más máquinas virtuales invitadas (guest) en una máquina física anfitrión (host) 1 2 Hipervisor: tipo 1 y tipo 2 Tipo 1: nativo o baremetal No necesita sistema operativo, se instala directamente sobre el hardware Pro: uso más eficiente del hardware Contra: no soporta todo el hardware Tipo 2: hosted Se instala como un programa más, encima del S.O. existente Pro: facilidad de instalación, mejor soporte de hardware Contra: tiene que compartir el hardware 4 5 Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Hipervisor Fabricantes ¿Como lo hacen? El hipervisor asigna “porciones” de recursos físicos del VMWare anfitrión Domina aelcada invitado mercado profesional y doméstico LaHipervisores Tipo 2 (VMWare máquina invitada “cree”Player) y Tipoun que tiene 1 (ESXi) recurso entero Microsoft Hyper-V CPU: usando multiproceso y multitarea, o reservando núcleos completos Incluido en algunas versiones de Windows Server Disco: un disco Se beneficia virtual de que será habitualmente Windows un fichero Server está muy en el disco extendido físico Oracle VirtualBox Tarjetas E/S y tarjeta gráfica: los drivers virtuales canalizan las Software peticioneslibre delos hacia código abierto drivers (GPL) del SO anfitrión Tipo 2, gratuito, amplia comunidad de desarrolladores 8 9 Ejemplos: asignación de recursos Rendimiento Comparamos el rendimiento del mismo software con y sin usar virtualización La virtualización implica una penalización en rendimiento que con el hardware actual suele ser pequeña o hasta imperceptible Ocurre en Tipo 2 y en Tipo 1 ya que en ambos se añade una capa más (el hipervisor) Las ventajas de la virtualización superan con mucho a la pérdida de rendimiento 10 11 Rendimiento Ventajas: entorno cliente Muchísimo más Comparamos el simple rendimiento que otras del mismo alternativas software paracon usar y sin usar virtualización múltiples SO (dual-boot, gestor de arranque, particionados complejos, La virtualización etc.)penalización en implica una Permite experimentar rendimiento que cony el recuperar hardware facilmente actual suele el estado ser pequeña(snapshots) anterior o hasta imperceptible Facilita la Ocurre en hibernación Tipo 2 y en Tipo 1 ya que en ambos se añade una capa Facilita más (el hipervisor) enormemente los backups haciendolos más rápidos Las ventajas y más fiables de la virtualización (completos) superan con mucho a la pérdida de rendimiento 11 12 Ventajas: entorno servidor cliente Mejor aprovechamiento Muchísimo más simple que del otras hardware: alternativas los grandes para usar múltiples SO servidores se (dual-boot, llegan a particionar gestor deenarranque, decenas de MVs particionados complejos, Reducción de costes etc.) de operación Permite Mejora yexperimentar y recuperar abarata la tolerancia facilmente el estado a fallos anterior (snapshots) Facilitan los backups Facilita la hibernación Facilita enormemente los backups haciendolos más rápidos y más fiables (completos) 12 13 Ventajas: entorno servidor Exportación Varios aprovechamiento Mejor formatos (OVA, OVF) del hardware: que consisten los grandes en servidores se llegan a particionar en decenas de MVs empaquetar: la descripción Reducción y parámetros de costes del hardware virtual de operación los discos duros Mejora y abarata la tolerancia a fallos Usos habituales Facilitan los backups Como método de backup Para distribuir software que es complejo de instalar y configurar, el fabricante proporciona una appliance (una MV con SO+aplicación lista para usar) 13 14 Exportación Snapshots Consisten Varios formatos en guardar (OVA,elOVF) estado quedeconsisten la máquina, en para empaquetar: poder recuperarlo si hiciera falta la descripción Podemos creary todos parámetros del hardware los que queramosvirtual los discos duros Muy útiles para: Usos habituales Probar software Como método de backup Cambios complejos o arriesgados en la máquina Para distribuir software que es complejo de instalar y configurar, el fabricante proporciona una appliance (una MV con SO+aplicación lista para usar) 14 15 Un paso más allá: contenedores Es una virtualización más “ligera”, por tanto más eficiente Contenedores En vez de un hipervisor, se basa en capacidades del propio S.O. para crear zonas aisladas (contenedores) de modo que las aplicaciones solo “ven” esa zona Las aplicaciones comparten partes del S.O. evitando tener que tener un S.O. para cada M.V. 20 Virtualización de Red Se comenzó virtualizando las tarjetas de red y pequeños switches, pero enseguida surge la idea de virtualizar más Tendencias: elementos de red (grandes switches y routers) Virtualización de Red La tendencia parece ser (2019) las SDN (Software Defined Network) En la gran empresa (TelCos) es algo que aun no ha alcanzado madurez suficiente (Ciclo de Adopción) 24 ¿Qúe es un SO? Un programa (o conjunto de programas) de sistema que: ¿Qué es un SO? actúa como intermediario entre usuario y hardware gestionando los recursos del sistema de forma óptima y segura Es el primer software que se ejecutado al arrancar el ordenador 1 What is en Modelo Linux? capas - por Linus Torvalds Pidieron a Linus que explicara ¿qué Tiene es por Linux?, debajo y dijo:al hardware, al que debe To kind of explain what Linux is, you have to explain what“tapar” an operatingtotalmente, system is. And the thing about an operating system is that you'reimpidiendo never ever supposedque las to see it. Because aplicaciones nobody really uses an operating system; people use programs on their computer.oAndlos usuarios the only mission in life of an operating system is to help those programs run. accedan So an operating system never does anything on its own; it's only waiting for the programs to ask Tiene por encima a las for certain resources, or ask for a certain file on the disk, or ask to connect to the outside world. And then the operating system steps in and tries to make it easy for people to write programs. aplicaciones a las que da servicio 2 3 SO y tipos ¿Qúe hacede unusuarios SO? Interfaz: hace el Sistema Informático Un esquema cómodo másy fácil de usar completo que tiene en Gestión: utiliza el hardware decuenta formaotros tipos yde eficiente controla su acceso por parte deusuario además del las aplicaciones usuario final Seguridad: controla la seguridad del sistema, Todos los esquemas autenticación (quien-es-quien) y autorización (quien- tienen puede-hacer-que) en común que usan el modelo de capas 5 6 Fuente: [Stallings.2005 p55] ¿Qúe hace Diseño del SO: un SO? anillos o capas Interfaz: hace el Sistema Informático Es un modo cómodo de garantizar y fácil de usar la seguridad Gestión: utiliza el hardware deUnaforma capaeficiente no se puede y controla su acceso por parte desaltar las aplicaciones a la inferior, tiene que usarla Seguridad: controla la seguridad del sistema, autenticación (quien-es-quien) Tiene y autorización que estar(quien- soportado puede-hacer-que) por el hardware (CPU) 6 7 Fuente: [Beas.2020 p62] Diseñoesdel ¿Que el SO: Kernel? anillos o capas El kernel o núcleo del sistema es Es el unprograma modo de garantizar principal del SO (y a veces el único) la seguridad En los SO modernos es el únicoUna software capa no quesepuede puede acceder al hardware saltar a la inferior, tiene Dicho de otro modo, si dentro que usarla del SO hay capas, el kernel es la capa mas baja Tiene que estar soportado por el hardware (CPU) 7 8 Fuente: [Beas.2020 p62] ¿Que gestiona/administra Recursos Gestionados por el el SO SO? Procesos Procesos Reparte el tiempo de CPU entre losMemoria procesos (planifica) Implementa políticas de asignación (todos-por-igual, por- prioridades, etc) Entrada/Salida (red) Memoria Ficheros y Directorios Asigna memoria a los procesos Seguridad Garantiza que no lean/escriban fuera de ella Interfaz de Usuario Gestiona la Memoria Virtual 10 9 Fuente: [Beas.2020 p56] Recursos Gestionados por el SO Procesos Entrada/Salida Repartedrivers Incluye el tiempo quede controlan CPU entre loslos dispositivos procesos de (planifica) E/S Implementa políticas Secundario Almacenamiento de asignación (todos-por-igual, por- prioridades, etc) Implementa métodos y estructuras (sistemas de ficheros) que Memoria sirven para almacenar los datos de forma permanente Asigna memoria Garantiza la disponibilidad a los procesos e integridad de los datos Garantiza que no lean/escriban fuera de ella Gestiona la Memoria Virtual 10 11 Recursos Gestionados por el SO Entrada/Salida Seguridad Incluye Es una función drivers que transversal controlan a todos los dispositivos los recursos de E/S Garantiza la disponibilidad Almacenamiento de los recursos Secundario Garantiza Implementa lamétodos confidencialidad de la(sistemas y estructuras información de ficheros) que sirven para almacenar Implementa métodos delosautenticación datos de forma permanente y autorización Garantiza la disponibilidad e integridad de los datos Errores Garantiza que los errores producidos por el software de aplicación no afectan a otras aplicaciones 11 12 Recursos Gestionados por el SO Seguridad Interfaz de Usuario Es una función Presenta una interfaz transversal al usuario, a todosgráfica, los recursos de linea de comandos Garantizaellaacceso Gestiona disponibilidad de múltiples de los usuarios recursos al mismo tiempo Garantiza la confidencialidad de la información Implementa métodos de autenticación y autorización Errores Garantiza que los errores producidos por el software de aplicación no afectan a otras aplicaciones 12 13 Tipos de SO: número de usuarios Monousuario Solo pueden atender a un usuario Tipos de SO No existe el concepto nombre-de-usuario porque solo hay uno El usuario dispone de todos los recursos del sistema Obviamente no hay confidencialidad, seguridad, etc. Multiusuario Pueden dar servicio a múltiples usuarios a la vez Reparten los recursos del sistema entre los usuarios 14 ¿Monousuario Tipos de SO: número / Multiusuario? de tareas Monotarea Solo pueden ejecutar un Software de Aplicación a la vez Al cargar el Software ceden el control completo (o casi) a la aplicación Multitarea Pueden ejecutar muchos programas al mismo tiempo ya sea de modo aparente (multitarea) o real (multiproceso) Reparten los recursos del sistema entre los programas 16 17 ¿Monotarea Tipos de SO: /gestión Multitarea? del tiempo De Tiempo Real Propósitos muy específicos Enfocados a dar una respuesta en un tiempo concreto Habituales en la Ingeniería Industrial (robótica, fabricación, alertas, etc.) Tiempo Compartido Propósito general Reparten el tiempo entre los programas No garantizan cuando se va a producir una respuesta 19 20 Tipos de SO: modos gestiónde delejecución tiempo De Tiempo No Interactivos Real Se les suministra Propósitos muy específicos un lote de tareas (batch) y este las ejecuta sin intervención Enfocados a del dar usuario, si hay un una respuesta en error para concreto un tiempo todo el lote Impresoras Habituales en3D,lacadenas deIndustrial Ingeniería fabricación (robótica, fabricación, alertas, etc.) Interactivos Tiempo Compartido Interactúan constantemente con el usuario Propósito general Reparten el tiempo entre los programas No garantizan cuando se va a producir una respuesta 20 21 Tipos de SO: cliente/servidor modos de ejecución No Interactivos Cliente o De Escritorio Orientados Se les suministra al usuario un lote final de tareas (batch) y este las ejecuta sin intervención del completo Entorno gráfico usuario, siy hay un error orientado para a la todo eldelote facilidad uso Impresoras 3D, cadenas Soportan hardware comode fabricación múltiples tarjetas gráficas, dispositivos de E/S como tabletas, etc. Interactivos Servidor Interactúan constantemente con el usuario Orientados a la prestación de servicios en red (WWW, juegos,...) No suelen tener entorno gráfico Soportan hardware como tarjetas RAID, múltiples NICs, gran cantidad de RAM, gran cantidad de CPUs, etc. 21 22 Tipos SO Monolíticos de SO: cliente/servidor / Microkernel Cliente Es una clasificación o De Escritorio clásica de los SO LaOrientados diferenciaalestá usuario en final si los servicios básicos de SO se Entornoygráfico diseñan completo ejecutan dentroy orientado o fuera adel la facilidad Kernel de uso Soportan hardware como múltiples tarjetas gráficas, dispositivos Lade clasificación va perdiendo E/S como tabletas, etc. sentido ya que la mayoría de SO actuales usan un modelo híbrido Servidor Windows (familia Orientados NT) y MacOS a la prestación usan de servicios en modelo híbrido red (WWW, juegos,...) No suelen Linux tener entorno es monolítico congráfico módulos Soportan hardware como tarjetas RAID, múltiples NICs, gran cantidad de RAM, gran cantidad de CPUs, etc. 22 23 SO más utilizados (2020) 1/3 Microsoft Windows Escritorio: Windows 10 / 11 SO más Home utilizados Pro IoT, Educación, etc Servidor: Windows Server 2019 Datacenter Standard Essentials 26 ¿Qué es un proceso? Un programa que está en ejecución ¿Qué es unporproceso? Está formado 3 componentes: Código ejecutable (el programa) Datos asociados a ese programa (variables, buffers, etc.) Estado del Proceso (o Contexto de Ejecución) 1 Fuente: [Stallings.2005] p69 ¿Qué esde Bloque unControl proceso? de Proceso (BCP) Un programa Almacena el Estado queoestá Contexto en ejecución de un proceso Identificador Está formado por 3 componentes: Estado Códigodeejecutable ejecución(el programa) Prioridad Datos asociados a ese programa (variables, buffers, etc.) Contador Estado deldeProceso Programa (o Contexto de Ejecución) Memoria Reservada Contexto CPU Estado de E/S Recursos Consumidos 1 2 Fuente: [Stallings.2005] p69 Ejecución de Seguridad e Integridad un proceso Como parte de Recordemos: la sus CPUmecanismo solo de seguridad, el S.O. puedeque tiene leergarantizar: directamente deQue la RAM, por tanto cada proceso tieneelun propietario proceso tiene no Que el proceso que hagaestar nada que su propietario no tenga permisosen cargado para hacer RAM Que el proceso solo acceda a las zonas de memoria que le El pertenecen S.O. mantiene una lista deQue BCPs (contextos) si se accede a un recurso compartido el proceso pueda bloquear ese recurso 3 4 Fuente: [Stallings.2005] p70 Gestión de Procesos: multitarea Una CPU solo ejecuta una instrucción a la vez Gestión de procesos La multitarea consiste tener una cola de procesos que comparten la CPU Se ejecuta un pequeño número de instrucciones de un proceso, se interrumpe y se pasa a ejecutar instrucciones del siguiente proceso, y así sucesivamente Como la CPU es muy rápida, parece que los procesos se ejecutan todos a la vez 5 Gestión de un Estados Procesos: procesomultitarea Una CPU solo ejecuta Nuevo: se carga en una instrucción a la vez La multitarea memoria consiste y se crea su tener una cola de procesos que BCP comparten la CPU Se ejecuta Listo: un pequeño preparado para número de instrucciones de un proceso, ejecutarsese interrumpe y se pasa a ejecutar instrucciones del siguiente proceso, y así sucesivamente Ejecutándose: usando la CPU Como la CPU es muy rápida, parece que los Bloqueado: a la espera de E/S procesos se ejecutan todos a la vez Finalizado: se liberan sus recursos y se borra su PCB 5 6 Estados de un Planificador (scheduler) proceso Componente del Nuevo: se carga en S.O. que se encarga de: Controlar las colas de procesos memoria y se crea su Decidir cuando interrumpe al proceso actual BCP Decidir el siguiente proceso que accede a la CPU Listo: preparado para Divide el tiempo de ejecución en pequeños intervalos ejecutarse llamados quantum Ejecutándose: usando la CPU Los procesos pueden ser interrumpidos en su ejecución Bloqueado: a la error, (E/S, finalización, esperafin dede E/S su quantum, etc.) Finalizado: se liberan sus recursos y se borra su PCB 6 7 Planificadorde Algoritmos (scheduler) Planificación Son los métodos Componente del con S.O.losque que se el encarga Planificador de: selecciona el siguiente Controlarproceso las colasadeejecutar procesos de entre los que están en la cola de preparados Decidir cuando interrumpe al proceso actual LosDecidir más el siguiente proceso que accede a la CPU habituales: Divide FCFS:el tiempo de ejecución en pequeños intervalos first-come-first-serve llamados quantum Round-Robin LosSJF: shortest-job-first procesos pueden ser interrumpidos en su ejecución (E/S, finalización, error, fin de su quantum, etc.) 7 8 Algoritmos Cambio de Contexto de Planificación Es lalos Son operación métodosque conhace los que el planificador el Planificador para selecciona quitarle la el siguiente CPU a unproceso procesoay ejecutar dársela al de siguiente entre los que están en la cola Pasos:de preparados LosEl más 1. habituales: planificador decide expulsar al proceso FCFS: first-come-first-serve 2. Almacena su estado en su BCP Round-Robin 3. Calcula el siguiente proceso que debe entrar SJF: shortest-job-first 4. Restaura el BCP del proceso entrante 5. Sigue la ejecución 8 9 Primer Plano y Segundo Plano Los procesos se pueden ejecutar en: Primer Plano (foreground) Tipos de Procesos Segundo Plano (background) Foreground: pueden recibir entradas del usuario (teclado/ratón) y mandar su salida a una pantalla Background: se lanzan automáticamente, no se comunican con el usuario, no reciben entrada ni mandan salida a pantalla 12 Primer Plano Procesos en 2o y Segundo Plano: servicios Plano Se llaman Los procesos Servicios se pueden en entornos ejecutar Windows en: o Demonios en entornos Linux(foreground) Primer Plano Segundo Plano (background) Ejemplos: Foreground: pueden Ejecución de tareas recibir entradas a determinadas del) usuario horas (cron (teclado/ratón) y mandar Acceso a archivos su salida e información a una (ftp,httpd ) pantalla Registros del sistema Background: (syslog se lanzan ) automáticamente, no se comunican Control de con discoselduros (smartd usuario, no) reciben entrada ni mandan salida a pantalla 12 13 Gestión de Procesos: bloqueos planificador El SO tiene que garantizar el buen uso de los recursos y evitar que la información colisione Para esto usa bloqueos. Un proceso puede bloquear un recurso para evitar que otro proceso lo use 19 20 Memoria Principal Todos los los procesos de usuario y el sistema operativo están cargados en memoria La Memoria y la Solo está cargado el software en ejecución (procesos) Jerarquía de Es un recurso caro que se ha de gestionar con eficacia Almacenamiento para no desaprovecharlo 1 Jerarquía de Memoria Almacenamiento Para A másacelerar alto, más el acceso rápido, de la CPU pero a los datos también se utilizanmas memorias caro pequeñas pero más mucho En este más temarápidas nos que vamos actúan de cache a ocupar La cantidad solo de la de RAM y Memoria de cache son críticas para el rendimiento de un Sistema Principal o Memoria RAM Informático 3 4 Gestor de Memoria El componente del SO que administra la memoria ElSuGestor misión es de Memoria asignar la memoria principal a los procesos que lo soliciten Protege la zona asignada a cada proceso para que solo ese proceso la pueda leer/escribir 6 Gestor de Memoria Particiones Estáticas o Dinámicas Estáticas: El componentemas simples, del SO que administra la memoria mas eficaces Su misión en CPU, la memoria principal a los es asignar menos procesoseficaces que lo en uso de soliciten RAM Protege la zona asignada a cada proceso para que Dinámicas: al contrario solo ese proceso la pueda leer/escribir 6 7 Particiones Estáticas o Dinámicas Fragmentación Continuamente Estáticas: mas aparecen simples, nuevos procesos, y el gestor de mas eficaces memoria les asigna en CPU,espacios de memoria. Al terminar la menos eficaces en uso de liberan RAM Los procesos mientras se están ejecutando solicitan Dinámicas: reservas de memoria, al contrario y cuando no la usan la liberan Este asignar/liberar da lugar a fragmentación 7 8 Fragmentación Interna/Externa Interna: Continuamente aparecen nuevos procesos, y el gestor de memoria les asigna Sucede dentro espacios de la memoria de memoria. asignada Al terminar la a un proceso liberan Esta causada por las operaciones de reservar/liberar memoria del propio proceso Los procesos mientras se están ejecutando solicitan Externa reservas de memoria, y cuando no la usan la liberan Sucede en el conjunto de toda la memoria Este asignar/liberar da lugar a fragmentación Está causada principalmente por la creación/destrucción de procesos 8 9 Métodos de asignación Paginación Método avanzado Metodos de asignación de gestión de de memoria memoria Diseñado para mejorar la fragmentación Primer ajuste (first fit) Divide la memoria en marcos y los procesos en Mejor ajuste (best fit) páginas, ambos del mismo tamaño Próximo ajuste (next fit) Rompe con la necesidad Ejemplo: el siguiente de asignar memoria contigua Asigna procesomarcos solicita a16M páginas y mantiene una tabla de paginas asignadas por proceso 11 12 Memoria Virtual Técnica usada por todos los SO modernos para maximizar el uso de la RAM La Memoria Virtual Consiste en “sumarle” a la RAM un área del disco duro que queda reservada Archivo de Paginación (Windows), Swap (Linux) Las aplicaciones "creen" que el sistema tiene la suma de la RAM y el Swap Memoria Virtual = Memoria RAM + Swap 14 Memoria Virtual Un proceso Técnica usada realmente por todosnolos necesita SO modernos tener todo para su código y maximizar todos sus datos el usoendeRAM la RAM al mismo tiempo Las partesenque Consiste “sumarle” no está ausando la RAMseun guardan área delendisco disco, duro y se que queda traen a memoria reservada cuando se necesiten Archivo Todo tienede un Paginación precio: (Windows), Swap penaliza el (Linux) rendimiento Las aplicaciones "creen" que el sistema tiene la suma de Se busca un equilibrio entre ahorro de memoria y no la RAM y el Swap penalizar demasiado el rendimiento Memoria Virtual = Memoria RAM + Swap 14 15