Introducción a los Sistemas Operativos - Web del laboratorio del DIT

Fundamentos de los Sistemas TelemáticosTema 1: Introducción a los Sistemas Operativos©DIT-UPM, 2011. Algunos derechos reservados.Este material se distribuye bajo licencia Creative Commons disponible en:http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.es

Objetivos del tema• Identificar los componentes principales de un ordenador• Describir como funciona un ordenadord• Describir las características principales de los SO• Describir los principios básicos de su operación• Identificar los componentes principales de los SO• Conocer los servicios que proporciona el SOTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 31.Introducción a los ordenadores1. Estructura de un ordenador2. Funcionamiento de un ordenador3. Arquitectura de los ordenadoresContenidos2.Introducción a los sistemas operativos3.Componentes del sistema operativo1. Gestión de procesos2. Gestión de memoria3. Gestión de almacenamiento4. Gestión de dispositivos de E/S5. Protección y seguridad4.Servicios del sistema operativo1. Servicios i básicos2. Interfaz al SOMaterial de estudio y trabajo:− Capítulos 1 y 2 (hasta sección 2.5 inclusive) del libro de A. Silberschatz et al.− Estas transparencias− Actividades y prácticas de laboratorio propuestasTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 4

1. Introducción a los ordenadores1.1 Estructura de un OrdenadorSe puede dividir en cuatro componentes: Hardware – Recursos de cómputo básicoso CPU (UCP), memoria, dispositivos iti de E/S Programa de Aplicación – utilizan los recursos del sistema pararesolver problemas o proporcionar servicios a los usuarioso Procesadores de texto, compiladores, navegadores, juegos... Sistema Operativoo Controla y coordina el uso de los recursos del sistema repartiéndolos entrelos programas de aplicación Usuarioso Personas, máquinas, otros ordenadoresTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 5Componentes de un OrdenadorUsuario 1Usuario 2 . . . .Usuario nIntérpretede órdenesCompilador/EnsambladorBases dedatosNavegadoresProgramas del Sistema y de AplicacionesSistema OperativoHardwareTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 6

Hardware de los Ordenadores• Una o más CPUs, memoria y controladores de dispositivos, conectados porbuses• Programas almacenados en memoria• Ejecución concurrente de las CPUs y de los dispositivos, iti que compiten porciclos de memoriadiscosratóntecladoimpresoraCPUcontroladorcontrolador USBadaptadorde discosgráficomemoriaTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 7Programas de SistemaProporcionan un entorno adecuado para desarrollar y ejecutar programas• Varios tipos gestión de ficheros (archivos) y directorios (carpetas)o crear, borrar, copiar, cambiar nombre, etc. información de estadoo fecha, hora, espacio en disco, usuarios, rendimiento, historial, etc. modificación de ficheroso editores de texto, búsqueda, comparación, etc. procesadores de lenguajeso compiladores, intérpretes, montadores, depuradores, etc. ejecución de programaso carga en memoria y arranque de la ejecución comunicacioneso conexiones virtuales entre procesos, usuarios y computadoresTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 8

Programas de aplicación• Ejemplos navegadores de web procesadores de textost hojas de cálculo servidores de web sistemas de gestión de bases de datos• Algunos vienen con el sistema operativo pero no necesariamente ligados a un SO se suelen distribuir por separadoTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 91.2 Funcionamiento de un ordenadorArranque• Un programa inicial (bootstrap loader) se carga cuando searranca el ordenadord• Se suele almacenar en ROM (firmware)• Inicia adecuadamente todos los elementos del sistema• Carga el núcleo del SO, éste comienza su ejecución yespera a que se produzca algún suceso: Interrupción hardware Interrupción software (llamada al sistema)Tema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 10

Almacenamiento• Registros: pequeños, rápidos• Memoria principal (MP) RAM (Random Access Memory): Conjunto de palabras que se identifican por una dirección única Acceso aleatorio Volátil Los programas deben estar en MP para poderse ejecutar CPU puede acceder directamente Demasiado pequeña para contener todos los programas• Almacenamiento secundario: Gran capacidad de almacenamiento no volátil Discos magnéticos: superficies de metal cubiertas con material magnético donde sepuede grabar información La mayoría de los programas se almacenan en disco hasta que se cargan en MPTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 11Memoria Oculta (Caché)• Memoria RAM de capacidad y tiempo de acceso pequeños• “La información en uso” se copia de forma temporal desistemas de almacenamiento lentos a otros más rápidos(Memoria Oculta)• Al acceder, se comprueba primero si la información está en lamemoria oculta: Si está, se usa directamente (acierto) Si no está (fracaso), los datos se copian en la memoria caché y se usan• Principio de localidad de las referencias: las direcciones i de la MPa las que se accede durante un período de tiempo en el proceso suelenestar localizadas en zonas pequeñas de la MP• Principio muy importante que se emplea en distintos nivelesen un ordenadorTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 12

Jerarquía del Almacenamiento• El sistema de almacenamiento se organiza jerárquicamente Velocidad Coste Tamaño VolatilidadTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 13Comparación de sistemas de almacenamientoNivel 1 2 3 4Nombre Registros Mem. caché Mem. Principal DiscoTamaño habitual < 1KB < 16 MB < 16 GB >100 GBTecnología CMOS CMOS SRAM CMOS DRAM Disco magnéticoTiempo Acceso (ns) 0,25-0,5 0,5-25 80-250 5.000.000Ancho de banda (MB/s) 20000-100000 5000-10000 1000-5000 20-150Gestionado por compilador hardware SO SOCopiado en Mem. caché Mem. principal disco DVD o cintaTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 14

Entrada/Salida (1)MemoriaPrincipalCPUControladorde discoControlGestor dedispositivoÓrdenes alcontroladorInterrupciónSOBUS• Controlador de dispositivo(device controller): Trata un tipo de dispositivo Registros/buffers locales Recibe órdenes del SO Interrumpe cuando termina(modelo más usado)• Gestor de dispositivo(device driver): ) Componente del SO queinteracciona con un controlador Suele haber uno por controladorTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 15Entrada/Salida (2)• Esquema habitual:MemoriaPrincipalDMACPUControladorde discoGestor dedispositivoÓrdenes alcontroladorInterrupciónSOBUS El usuario solicita una operación de E/Smediante una llamada al sistema y quedaesperando El SO usa el gestor (device driver) paratrasladar la orden al controlador El controlador transfiere los datoso Normalmente, la transferencia de datos se hace porAcceso Directo a Memoria (DMA): directamente entreel controlador y la memoriao Si son pocos, se puede hacer directamente a la CPU Cuando se completa, el controladorinterrumpe a la CPU Se pasan datos al usuario y se le despiertaControlTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 16

1.3 Arquitectura de los Ordenadores• La mayoría de los sistemas usan un procesador de propósitogeneral También llevan procesadores de propósito específico (ej. gráficos)• Está aumentando el uso e importancia de los sistemasmultiprocesador También se conocen como sistemas paralelos o fuertemente acoplados Ventajas:o Mejores prestaciones: motivo más importanteo Mayor fiabilidad: se pueden tolerar fallos, pero el software se complicao Economía de escala: varios procesadores comparten periféricos,especialmente en grandes sistemas.Tema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 17Arquitectura Multiprocesador• Varios procesadores, conectados por el mismo bus: Registros propios y memoria oculta Comparten memoria y dispositivos• Se complica el SO: Pueden ejecutar varias actividades en paralelo Los datos de E/S deben llegar al procesador adecuadoTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 18

1.Introducción a los ordenadores1. Estructura de un ordenador2. Funcionamiento de un ordenador3. Arquitectura de los ordenadoresContenidos2.Introducción a los sistemas operativos3.Componentes del sistema operativo1. Gestión de procesos2. Gestión de memoria3. Gestión de almacenamiento4. Gestión de dispositivos de E/S5. Protección y seguridad4.Servicios del sistema operativo1. Servicios i básicos2. Interfaz al SOMaterial de estudio y trabajo:− Capítulos 1 y 2 (hasta sección 2.5 inclusive) del libro de A. Silberschatz et al.− Estas transparencias− Actividades y prácticas de laboratorio propuestasTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 192 Introducción a los Sistemas Operativos• ¿Qué es un sistema operativo (SO)? Es un “programa/s” (software) que:o administra el hardware de un ordenadoro Proporciona un entorno para ejecutar los programas de aplicacióno actúa como intermediario entre los usuarios y el hardware de unordenador• Objetivos del sistema operativo Facilitar el uso del ordenador: abstracciones adecuadaso Para usuarios y desarrolladores de aplicacioneso Se adapta al tipo de aplicaciones a ejecutar y al usoo Oculta complejidad del hardware (dispositivos muy variados y complejos) Utilizar el ordenador eficientementeo Gestión de recursos: procesos, memoria, E/S, ficheros, ..o Control de intentos de acceso simultáneosTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 20

El SO desde el punto de vista del usuario• Pc independiente: Fácil de usar Rendimiento para un solo usuario• Mainframe con terminales: Maximizar la utilización de recursos (UCP, memoria, E/S,..) Reparto equitativo• Estación de trabajo y servidores conectados medianteredes (recursos dedicados y compartidos) Compromiso entre los dos tipos anteriores• Ordenadores de mano (móviles) Fácil de usar Rendimiento en base a sus limitacionesTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 21El SO desde el punto de vista del ordenador• Asigna y controla los recursos (CPU, memoria, E/S,..)• Mecanismos de gestión de recursos dependientes del tipode sistema: Interactivos: optimizar el tiempo de respuesta, da prioridad aprocesos con mucha E/S Lotes: maximizar el uso del procesador, sin importar el tiempo derespuesta Tiempo real: prioridad a procesos más urgentesTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 22

Definición de Sistema OperativoNo hay una definición común aceptada• SO es un gestor de recursos Gestiona todos los recursos del sistema Cuando hay peticiones en conflicto:o decide quién usa el recursoo aplica criterios de equidad y eficiencia• SO es un programa de control Controla la ejecución de los programas paraprevenir errores o uso inadecuado del computador• Núcleo (kernel): es el componente principal del SOTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 231.Introducción a los ordenadores1. Estructura de un ordenador2. Funcionamiento de un ordenador3. Arquitectura de los ordenadoresContenidos2.Introducción a los sistemas operativos3.Componentes del sistema operativo1. Gestión de procesos2. Gestión de memoria3. Gestión de almacenamiento4. Gestión de dispositivos de E/S5. Protección y seguridad4.Servicios del sistema operativo1. Servicios i básicos2. Interfaz al SOMaterial de estudio y trabajo:− Capítulos 1 y 2 (hasta sección 2.5 inclusive) del libro de A. Silberschatz et al.− Estas transparencias− Actividades y prácticas de laboratorio propuestasTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 24

3. Componentes del Sistema Operativo• El SO se puede dividir desde un punto de vistafuncional: Gestor de procesos Gestor de Memoria Gestor de Almacenamiento SecundariooSistemas de ficheros Gestor de Entrada Salida Protección y SeguridadTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 25Gestión de Procesos (1)• Programa: código y datos estáticos• Proceso: programa en ejecución• Un proceso necesita recursos: tiempo de CPU, memoria,ficheros y dispositivos de E/S• Servicios proporcionados por el Gestor de Procesos delSO: Servicios básicos:oCreación, destrucción de procesosoSuspender y reanudar procesos Mecanismos de interacción entre procesosoSincronización y comunicaciónTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 26

Gestión de Procesos (2)• La mayoría de los SO son multiproceso Con un solo proceso se desaprovecha la CPU y los dispositivos Se ejecutan varios procesos “a la vez” La multiprogramación organiza los procesos para intentar que laCPU tenga algo que ejecutar en todo momento Cola de trabajos: trabajos en disco esperando a ser ejecutados Planificador de trabajos decide qué trabajo de la cola de trabajospasa a MP Planificador de la CPU decide que proceso de la MP pasa aejecutarse El proceso en ejecución se cambia cuandoose bloquea en una operación de E/Sose ejecuta durante un periodo dado de tiempoTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 27Gestión de Procesos (3)• Ejecución interactiva: cambio entreprocesos muy rápido Los usuarios pueden interaccionar i con cadaproceso El tiempo de respuesta tiene que ser pequeño• Si todos los procesos no caben enmemoria, se pueden llevar a disco La memoria virtual permite ejecutarprogramas que están parcialmente en el discoMapa de memoriaNúcleoProceso 1Proceso 2...Tema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 28

Operaciones del Sistema Operativo• Dirigido por interrupciones: Hardware: al interactuar con dispositivos Softwareo servicios ii al usuario (llamadas al sistema) it o errores de ejecución: División por cero, instrucciones ilegales• Para cada tipo de interrupción hay una Rutina de Servicio• SO se basa en el modelo dual del procesador: Dos modos: usuario y núcleo o privilegiado o supervisoro El hardware proporciona un bit de modo El código de los usuarios se ejecuta en modo usuario El núcleo se ejecuta en modo privilegiado Fundamental para proteger al sistemade programas erróneos o accesos indebidosTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 29Transición entre Modos• Cuando se produce una interrupción, el hardware cambiaautomáticamente a modo privilegiado• El SO trata la interrupción• Antes de dar control de nuevo al usuario, cambia a modo usuario• Algunas instrucciones se tienen que ejecutar en modo privilegiadoTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 30

InterrupcionesLas interrupciones dirigen el comportamiento del SO• Generación de las interrupciones: Dispositivos de E/S para indicar fin de una operación señal a la CPU Software para que el SO realice alguna operación:o Se originan i por un error o a petición ió de un usuario (llamada del sistema)• Cuando se produce una interrupción: Se salva el contexto de la ejecución en curso Se pasa a modo privilegiado Mientras se procesa una interrupción, se inhabilitan las interrupciones de acuerdoa prioridades Transfiere control a la rutina de servicio (RS) de dicha interrupción• Cuando se termina de tratar una interrupción: Se pasa a modo usuario Se habilitan las interrupciones de acuerdo a prioridades Se restaura el contexto de un programa de usuario Se continua la ejecución dicho programa de usuarioTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 31Tratamiento de InterrupcionesCPUPeticiónde E/SLlamada alsistema Transferenciafinalizada Peticiónde E/SLlamada alsistemaEjecuciónde procesosde usuarioRutinas de ServicioTransferenciafinalizadaDispositivode E/SOciosoTransfiriendoi Tema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 32

Llamadas al Sistema (1)• Permiten a los usuarios solicitar servicios al SO Posiblemente ejecución de instrucciones privilegiadas• Las llamadas al sistema: Producen una interrupción softwareo Se pasa a modo privilegiado El núcleo identifica la operación solicitada y ejecuta la Rutina deServicio (RS) correspondiente A la RS le puede pasar información adicional: registros/pila/memoria Cuando se completa, se devuelve control al usuario, a la instrucciónsiguiente i a la de la llamada al sistema:o Se cambia a modo usuarioTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 33Llamadas al sistema (2)• Ejemplo: copiar un fichero en otro Obtener los nombres de los ficheros de entrada y salidao entrada de textoo selección de un menú Abrir el fichero de entrada Crear el fichero de salidao avisar si ya existe Repetir mientras haya datos en el fichero de entrada:o leer datos del fichero de entradao escribir datos en fichero de salida Cerrar los ficheros de entrada y salida• Cada operación requiere una o varias llamadas al sistemaTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 34

Ejemplos de llamadas al sistemaProcesosFicherosDispositivosInformaciónComunicaciónProtecciónWindowsCreateProces()ExitProcess()WaitForSingleObject()CreateFile()ReadFile()WriteFile()CloseHandle()SetConsoleMode()ReadConsole()WriteConsole()GetCurrentProcessId()SetTimer()Sleep()CreatePipe()CreateFileMapping()MapViewOfFile()SetFileSecurity()InitializeSecurirtyDescriptor()SetSecurityDescriptorGroup()Unixfork()exit()wait()open()read()write()close()ioctl()read()write()getpid()alarm()sleep()pipe()shmget()mmap()chmod()umask()chown()Tema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 35Gestión de Memoria• Las instrucciones y los datos de un proceso tienen queestar en memoria para ejecutarse• El gestor decide cuáles son los contenidos de la memoria: Mapa de memoria, qué (partes) procesos, ... Se trata de optimizar el uso de la CPU y la respuesta a los usuarios• Actividades del gestor de memoria: Controlar memoria libre, ocupada y quién la usa Qué datos y procesos (o partes) se mantienen en memoria y cualeshay que quitar Asignar y liberar memoriaTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 36

Gestión de Almacenamiento secundario• Proporciona una visión uniforme y virtual del almacenamiento deinformación Cada dispositivo tiene características diferentes Fichero: colección de información relacionada. Es una abstracción dealmacenamiento de información que oculta los detalles de los dispositivosfísicos• Sistema de ficheros Los ficheros se suelen organizar en directorios Los directorios son a su vez ficheros con información de los ficheros quecuelgan de ellos Control de acceso a la información (quién y en qué forma) Actividades del gestor de ficheros:o Creación y borrado de ficheros y directorioso Operaciones para manipular ficheros y directorioso Almacenar los ficheros en los dispositivoso Copias de seguridad en dispositivos no volátilesTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 37Estructura de directorios• El sistema de ficheros es jerárquico Se parte de una estructura mínima / El resto se monta en alguna de las ramasDir raíz (/)SOdevbinlibhometty0lp0lsviPepeJuanFicherofotos ProgJ-1DirectorioF-0 F-1P-1 P-238Tema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 38

Navegación por el sistema de ficheros• Para acceder a un fichero hay que dar su camino o ruta (path): lista detodos los directorios atravesados hasta llegar él Path absoluto: desde el directorio raiz (/) Path relativo: desde el directorio actual• Directorios especiales Directorio en curso: . Directorio padre: ..• Para direccionar el fichero F-1:desde: Path relativo: Path absoluto:o /home/Pepe/fotos F-1 /home/Pepe/fotos/F-1o /home/Pepefotos/F-1o /home/Pepe/Prog../fotos/F-1Tema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 39Gestión de Almacenamiento secundario• Se suelen usar discos para: Almacenar lo que no cabe en memoria Información que se quiere e guardar• El rendimiento de los subsistemas de gestión de discotienen gran influencia en las prestaciones del sistema• Actividades del gestor de almacenamiento: Gestión del espacio libre Asignación de espacio de almacenamiento Planificación del acceso a disco• Almacenamiento de copias de seguridad Dispositivos ópticos y cinta magnética Menos importante las prestacionesTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 40

Movimiento de Información• Puede haber varias copias de un dato En sistemas con multiprogramación hay que mantener la coherenciade la información• En sistemas multiprocesador se debe asegurar lacoherencia entre la memoria oculta de las CPUTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 41Subsistema de E/S• Un objetivo del SO es ocultar los detalles ypeculiaridades de los dispositivos de E/S• Responsabilidades del Subsistema de E/S: Gestión de la memoria de E/S:oAlmacenamiento temporal de datos, mientras se transfierenoMemoria cachéoSpooling, p etc Interfaz con los gestores de dispositivos Gestores para los diferentes dispositivos hardwareTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 42

Protección y Seguridad• Protección: mecanismos para controlar el acceso deprocesos o usuarios a recursos del sistema• Seguridad: defensa del sistema contra ataques internos yexternos Denegación de servicio, virus, gusanos, robo de identidad, robo deservicios, etc.• Se suele usar la identidad del usuario para determinar quépuede hacer Cada usuario tiene un identificador (ID) Los usuarios pertenecen a un grupo o más grupos. Cada grupo tieneun identificador Se asigna el ID a cada fichero y proceso del usuario para determinarlas operaciones permitidasTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 43Contenidos1.Introducción a los ordenadores1. Estructura de un ordenador2. Funcionamiento de un ordenador3. Arquitectura de los ordenadores2.Introducción a los sistemas operativos3. Componentes del sistema operativo1. Gestión de procesos2. Gestión de memoria3. Gestión de almacenamiento4. Gestión de dispositivos de E/S5. Protección y seguridad4.Servicios del sistema operativo1. Servicios i básicos2. Interfaz al SOMaterial de estudio y trabajo:− Capítulos 1 y 2 (hasta sección 2.5 inclusive) del libro de A. Silberschatz et al.− Estas transparencias− Actividades y prácticas de laboratorio propuestasTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 44

4. Servicios del sistema operativoUn SO proporciona un entorno para la ejecución de programas‣ se realiza mediante un conjunto de serviciosprogramas de aplicación y de sistemaGUI órdenes lotesinterfaces de usuariollamadas al sistemaejecuciónde programasE/Ssistemas sstede ficheroscomunicaciones igestión derecursoscontabilidadddetección deerroresserviciosprotección yseguridadsistema operativoTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 45Servicios básicos (1)• Los servicios más importantes para los usuarios son: interfaz de usuarioo Gráfica, textual o órdenes ejecución de programaso carga en memoria y arranque de ejecución operaciones de E/So lectura y escritura en dispositivos de E/S gestión de ficheroso organización y acceso a la información comunicacioneso entre procesos de la misma o distintas máquinas detección de erroreso errores de hardware o de softwareo acciones de corrección para preservar la integridad del sistemaTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 46

Interfaz de usuario textual• Proporciona acceso alsistema operativo medianteórdenes (commands) que seintroducen en forma de texto• Para ello se ejecuta unintérprete de órdenes shell (unix y derivados):sh, bash, ksh, csh, .. command prompt(Windows): cmd.exe• El intérprete carga programasque ejecutan las órdenesEjemplo de bash en GNU/LinuxTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 49Interfaz de usuario gráfica (GUI)• Paradigma de escritorio ventanas, menús, ratón• Más fácil de usar parausuarios normales• Pero las interfaces textualestienen ventajas paraadministrar el sistema acceso a detalles deconfiguración scripts de shellTema 1. Introducción a los Sistemas Operativos 50