Pablo Ruiz M´zquiz
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libro abierto / serie apuntes

Sistemas Operativos
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Programa 2







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† lomo para ediciones impresas

ALQ

004.451

SSOO

Sistemas Operativos
Dedicado
A mi hermana In´s
e
http://alqua.org/libredoc/SSOO

Pablo Ruiz M´zquiz
u

pablo@alqua.org

http://alqua.org/people/pablo

Sistemas Operativos
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Copyright (c) 2004 Pablo Ruiz M´zquiz.
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This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommer...
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Indice general

Portada

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Indice general

VII

1. Introducci´n a los Sistemas Operativos
o
1.1. Definic...
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INDICE GENERAL
2.4.1.
2.4.2.
2.4.3.
2.4.4.
2.4.5.

Tablas de memoria, de E/S, de archivos y de procesos . .
Bloque de co...
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INDICE GENERAL
5.2. Prevenci´n de interbloqueos . . . . . . . . . . . . . .
o
5.3. Detecci´n de interbloqueos . . . . . ...
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INDICE GENERAL

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Sistemas Operativos - 0.5.0
1 Introducci´n a los Sistemas Operativos
o

1.1.

Definici´n de Sistema Operativo
o

Un sistema operativo puede ser contemp...
1 Introducci´n a los Sistemas Operativos
o

1.2.

Relaci´n con la m´quina subyacente
o
a

1.2.1.

Componentes b´sicos de l...
1.2 Relaci´n con la m´quina subyacente
o
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por mecanismos que permiten la comunicaci´n entre los componentes que conforman...
1 Introducci´n a los Sistemas Operativos
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1.2 Relaci´n con la m´quina subyacente
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1 Introducci´n a los Sistemas Operativos
o
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1.3 Funciones y objetivos de los Sistemas Operativos
Las computadoras incluyen varias se˜ales de solicitud de interrupci´n...
1 Introducci´n a los Sistemas Operativos
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1.3 Funciones y objetivos de los Sistemas Operativos
Contabilidad: Un sistema operativo debe recoger estad´
ısticas de uti...
1 Introducci´n a los Sistemas Operativos
o

1.4.

Evoluci´n hist´rica de los Sistemas Operativos
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1.4 Evoluci´n hist´rica de los Sistemas Operativos
o
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1.4.2.

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1 Introducci´n a los Sistemas Operativos
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Programa 2







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1.4 Evoluci´n hist´rica de los Sistemas Operativos
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1.4.4.

Computadoras personales. Cuarta Generaci´n (1980-1990)
o

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1 Introducci´n a los Sistemas Operativos
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Sistemas Operativos - 0.5.0
2 Gesti´n de procesos
o
2.1.

Procesos y tareas

Proceso una definici´n tradicional de proceso es la de instancia de un pro...
2 Gesti´n de procesos
o
1. Divisi´n impl´
o
ıcita de tareas definida por el sistema.
2. Divisi´n expl´
o
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2.1 Procesos y tareas
el SO como respuesta a una de ejecuci´n del usuario o de una aplicaci´n que ejecuta a
o
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2 Gesti´n de procesos
o

2.2.

Creaci´n y terminaci´n de procesos
o
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2.3 Estados de un proceso
8. Fallo de dispositivo I/O: Se produce por un error en la entrada o la salida tal como
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2 Gesti´n de procesos
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2.3 Estados de un proceso
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2.4 Estructuras de control del sistema operativo
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2.4 Estructuras de control del sistema operativo
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2.4 Estructuras de control del sistema operativo
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Sistema operativo
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  1. 1. Pablo Ruiz M´zquiz u libro abierto / serie apuntes Sistemas Operativos ¬¬¬¬0.5.0 Programa 2 ¨ ¨ ¨ © ¦ ¦ § § § ¦ ¦ ¨ © © ¨ © ¨ © ¨ © © ¨ © © ¨ Programa 1 ¦ ¦ § § § ¦ ¦ ¦ § § § P1 inactivo P1 inactivo P1 inactivo P2 inactivo P2 inactivo P2 inactivo (a) Ejecución secuencial ! ¤ ¥ ! ¤ ! ¢ ¢ £ £ ¤ ¤ ¥ ¥ ¥ ¤ ¥ !     ¡ ¡ ¢ £ ¢ £       ¡ ¢   ¡     ¡ ¡ £ ¡ ¡ £ ¢ ¢ £ ¢ ¢ ¤ ¥ ! ! £ £ ¥ ¤ ¤ P1 ¥ ! # P2 ¤ ! # # # # P1 ¥ ! # # #   P2 Programa 1 # ¡ P1 Tiempo Programa 2 P2 Tiempo (b) Ejecución multiprogramada Un libro libre de Alqua
  2. 2. † lomo para ediciones impresas ALQ 004.451 SSOO Sistemas Operativos
  3. 3. Dedicado A mi hermana In´s e
  4. 4. http://alqua.org/libredoc/SSOO Pablo Ruiz M´zquiz u pablo@alqua.org http://alqua.org/people/pablo Sistemas Operativos versi´n 0.5.0 o 15 de abril de 2004 alqua,madeincommunity
  5. 5. c copyleft Copyright (c) 2004 Pablo Ruiz M´zquiz. u This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike License. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/1.0/ or send a letter to Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA. Copyright (c) 2004 Pablo Ruiz M´zquiz. u Este trabajo cae bajo las provisiones de la licencia Atribuci´n-No Comercial-Comparte Igual de Creative o Commons. Para ver una copia de esta licencia visite http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/1.0/ o escriba una carta a Creative Commons, 559 Nathan Abbott Way, Stanford, California 94305, USA. Serie apuntes ´ Area Sistemas operativos CDU 004.451 Editores Pablo Ruiz M´zquiz u pablo@alqua.org Notas de producci´n o ´ Plantilla latex-book-es-b.tex, v. 0.1 (C) Alvaro Tejero Cantero. compuesto con software libre
  6. 6. ´ Indice general Portada I Copyleft VI ´ Indice general VII 1. Introducci´n a los Sistemas Operativos o 1.1. Definici´n de Sistema Operativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.2. Relaci´n con la m´quina subyacente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o a 1.2.1. Componentes b´sicos de la arquitectura Von Neuman . . . . . . a 1.2.2. Registros del procesador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. Ejecuci´n de instrucciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.2.4. Interrupciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Funciones y objetivos de los Sistemas Operativos . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. El Sistema Operativo como Interfaz Usuario/Computadora . . . 1.3.2. El Sistema OPerativo como administrador de recursos . . . . . . 1.3.3. Facilidad de evoluci´n del Sistema Operativo . . . . . . . . . . . o 1.4. Evoluci´n hist´rica de los Sistemas Operativos . . . . . . . . . . . . . . o o 1.4.1. Proceso en serie. Primera generaci´n (1945-1955) . . . . . . . . . o 1.4.2. Sistemas sencillos de proceso por lotes. Segunda generaci´n (1955o 1965) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3. Multiprogramaci´n. Tercera Generaci´n (1965-1980) . . . . . . . o o 1.4.4. Computadoras personales. Cuarta Generaci´n (1980-1990) . . . . o 2. Gesti´n de procesos o 2.1. Procesos y tareas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Divisi´n impl´ o ıcita y expl´ ıcita de tareas . . . . . . . . . . 2.1.2. Tipos de procesos y relaci´n entre procesos concurrentes o 2.1.3. El sistema operativo y los procesos . . . . . . . . . . . . 2.2. Creaci´n y terminaci´n de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . o o 2.3. Estados de un proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Modelo de dos estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Modelo de 5 estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Procesos suspendidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Estructuras de control del sistema operativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 2 3 4 5 7 7 9 9 10 10 . 11 . 11 . 13 . . . . . . . . . . 15 15 15 16 17 18 19 19 21 23 27 vii
  7. 7. ´ INDICE GENERAL 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.4.5. Tablas de memoria, de E/S, de archivos y de procesos . . Bloque de control de procesos (BCP) . . . . . . . . . . . . Estados del sistema y listas de procesos . . . . . . . . . . Conmutaci´n de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Servicios del sistema operativo para la gesti´n de procesos o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Planificaci´n de procesos o 3.1. Concepto y criterios de planificaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.1.1. Utilizaci´n del procesador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.1.2. Productividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Tiempo de retorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4. Tiempo de espera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5. Tiempo de respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Tipos de planificadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Planificador a largo plazo (PLP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Planificador a corto plazo (PCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Planificador a medio plazo (PMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Algoritmos de planificaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.3.1. Algoritmo First Come First Serve (FCFS) . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Algoritmo por reparto circular de tiempo (RR, Round-Robin) . . 3.3.3. Planificaci´n con expropiaci´n basada en prioridades (ED, Evento o Driven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4. Planificaci´n MLQ (Multiple level queues) . . . . . . . . . . . . . o 4. Programaci´n Concurrente o 4.1. Multitarea, multiprogramaci´n y multiproceso . . . . . . . . . . . . . . . o 4.2. Principios de concurrencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Comunicaci´n y sincronizaci´n de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . o o 4.3.1. Posibilidades de interacci´n de procesos . . . . . . . . . . . . . . o 4.3.2. Necesidad de sincronizaci´n de los procesos: regi´n cr´ o o ıtica y exclusi´n mutua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.4. Soluciones software para la exclusi´n mutua . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.4.1. Algoritmo de Dekker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Algoritmo de Peterson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. Sem´foros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.4.4. Monitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5. Paso de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6. Soluciones hardware para la exclusi´n mutua . . . . . . . . . . . o 5. Interbloqueos 5.1. Principios de interbloqueo . . . . . 5.1.1. Recursos reutilizables . . . 5.1.2. Recursos consumibles . . . 5.1.3. Condiciones de interbloqueo viii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 28 30 31 32 . . . . . . . . . . . . . 35 35 35 35 36 36 36 36 36 37 38 38 39 39 . 42 . 43 . . . . 45 45 45 46 46 . . . . . . . . 47 49 49 50 56 58 60 63 . . . . 73 73 73 73 74 Sistemas Operativos - 0.5.0
  8. 8. ´ INDICE GENERAL 5.2. Prevenci´n de interbloqueos . . . . . . . . . . . . . . o 5.3. Detecci´n de interbloqueos . . . . . . . . . . . . . . . o 5.4. Predicci´n de interbloqueo. Algoritmo del banquero o 5.4.1. Negativa de iniciaci´n de procesos . . . . . . o 5.4.2. Negativa de asignaci´n de recursos . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Gesti´n de memoria o 6.1. Reubicaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 6.2. Asignaci´n de memoria con particiones fijas . . . . . . . . . . . . . . . . o 6.3. Asignaci´n de memoria con particiones din´micas . . . . . . . . . . . . . o a 6.4. Asignaci´n de memoria con paginaci´n simple . . . . . . . . . . . . . . . o o 6.5. Asignaci´n de memoria con segmentaci´n simple . . . . . . . . . . . . . o o 6.6. Memoria virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1. Estructuras Hardware y de control . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.2. Hiperpaginaci´n y cercan´ de referencias . . . . . . . . . . . . . o ıa 6.6.3. Memoria virtual con paginaci´n y buffer de traducci´n adelantada o o (TLB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.4. Software del SO para la gesti´n de memoria virtual . . . . . . . . o . . . . . 74 75 76 77 78 . . . . . . . . 81 81 82 84 84 87 88 88 89 . 90 . 90 ´ Indice alfab´tico e 95 Historia 97 Creative Commons Deed 99 Manifiesto de Alqua 101 El proyecto libros abiertos de Alqua 105 Otros documentos libres 109 http://alqua.org/libredoc/SSOO ix
  9. 9. ´ INDICE GENERAL x Sistemas Operativos - 0.5.0
  10. 10. 1 Introducci´n a los Sistemas Operativos o 1.1. Definici´n de Sistema Operativo o Un sistema operativo puede ser contemplado como una colecci´n organizada de exteno siones software del hardware, consistentes en rutinas de control que hacen funcionar al computador y proporcionan un entorno para la ejecuci´n de programas. Adem´s, estos o a programas utilizan las facilidades proporcionadas por el sistema operativo para obtener acceso a recursos del sistema inform´tico como el procesador, archivos y dispositivos a de entrada/salida (E/S). De esta forma, el SO constituye la base sobre la cual pueden escribirse los programas de aplicaci´n, los cuales invocar´n sus servicios por medio de o a llamadas al sistema. Por otro lado, los usuarios pueden interactuar directamente con el SO a trav´s de ´rdenes concretas. En cualquier caso, el SO act´a como interfaz entre e o u los usuarios/aplicaciones y el hardware de un sistema inform´tico. a El rango y la extensi´n de los servicios proporcionados por un SO dependen de varios o factores. As´ las funciones visibles al usuario est´n en gran medida determinadas por la ı, a necesidades y caracter´ ısticas del entorno objetivo que el SO est´ destinado a soportar. Por a ejemplo, un SO destinado al desarrollo de programas en un entorno interactivo puede tener un conjunto bastante diferente de llamadas y ´rdenes que un sistema operativo o dise˜ado para soporte en tiempo de ejecuci´n a una aplicaci´n de tiempo real dedicada, n o o tal como el control del motor de un coche, el control del reactor de una central nuclear o el sistema de actualizaciones derivado de las operaciones de un cajero autom´tico de a una entidad bancaria. Internamente, un SO act´a como gestor de los recursos del sistema inform´tico tales u a como el procesador, la memoria, los archivos y los dispositivos de E/S. En esa funci´n, o el SO mantiene actualizada la informaci´n relativa al estado de sistemas que soportan o la ejecuci´n concurrente de programas, el SO resuelve las peticiones conflictivas de reo cursos de manera que preserve la integridad del sistema y al hacerlo intenta optimizar el rendimiento final. En general, el SO presenta al usuario el equivalente de una m´quina virtual que sea a m´s f´cil de utilizar que la m´quina subyacente y uno de sus objetivos primarios es increa a a mentar la productividad de los recursos que ofrece al sistema mediante una planificaci´n o lo m´s ´ptima posible de ellos. a o 1
  11. 11. 1 Introducci´n a los Sistemas Operativos o 1.2. Relaci´n con la m´quina subyacente o a 1.2.1. Componentes b´sicos de la arquitectura Von Neuman a A un nivel muy alto, un sistema inform´tico que implemente la arquitectura Von a Neuman cl´sica consta de 3 componentes b´sicos: memoria principal, unidad central a a de proceso y dispositivos de entrada/salida. La unidad central de proceso, a su ves, est´ constituida por la unidad aritm´tico-l´gica, la unidad de control y un conjunto a e o de registros. Los componentes b´sicos mencionados se encuentran interconectados para a llevar a cabo la funci´n principal del computador, que consiste en la ejecuci´n de las o o sentencias que forman los procesos. As´ pues, se tienen cuatro elementos estructurales ı principales. Memoria principal: Com´nmente conocida como memoria RAM. En ella se enconu trar´ el programa en c´digo m´quina a ejecutar, los datos de entrada y los resultaa o a dos. La memoria est´ formada por un conjunto de celdas id´nticas que pueden ser a e accedidas de forma aleatoria mediante los distintos registros de direccionamiento. Esta memoria es normalmente vol´til y tambi´n se conoce como memoria real. a e La unidad aritm´tico-l´gica permite efectuar un conjunto de opoeraciones aritm´tie o e cas y l´gicas de los datos. Estos datos, que pueden proceder de memoria principal o o ser el resultado de operaciones previas, se almacenar´n en los registros de entrada a de que esta unidad dispone. El resultado de la operaci´n, as´ como la informao ı ci´n relativa al estado de terminaci´n de la misma, quedar´n almacenados en los o o a correspondientes registros. La unidad de control es la que se encarga de hacer funcionar al conjunto, para lo cual lleva a cabo las siguientes funciones: • Lee de memoria las instrucciones m´quina que forman el programa. a • Interpreta cada instrucci´n le´ o ıda. • Lee los datos de memoria referenciados por la instrucci´n. o • Ejecuta la instrucci´n. o • Almacena el resultado de cada instrucci´n. o Finalmente, la unidad de Entrada/Salida se encarga de realizar la transferencia de informaci´n entre la memoria (o los registros) y los perif´ricos. La E/S se puede o e efectuar bajo el gobierno de la unidad de control (E/S programada) o de forma independiente (DMA). El transporte de datos se realiza, pues, entre el computador y su entorno exterior. Dicho entorno consta de una gran variedad de dispositivos externos que incluye a los dispositivos de memoria secundaria, los equipos de comunicaci´n y los terminales. o Adem´s de los descritos anteriormente, los sistemas inform´ticos disponene de un cona a junto de elementos de interconexi´n (buses de datos). Estos elementos est´n constituidos o a 2 Sistemas Operativos - 0.5.0
  12. 12. 1.2 Relaci´n con la m´quina subyacente o a por mecanismos que permiten la comunicaci´n entre los componentes que conforman el o sistema inform´tico, es decir, su funci´n es la de interconectar procesadores, memoria a o principal y m´dulos de E/S. o 1.2.2. Registros del procesador Dentro del procesador hay un conjunto de registros que ofrecen un nivel de memoria que es m´s r´pido y peque˜o que la memoria principal. Los registros del procesador a a n pueden clasificarse de la siguiente forma: Registros visibles de usuario: Un registro visible al usuario es aqu´l que puede ser e referenciado por medio de lenguaje m´quina que ejecuta el procesador, siendo, por a lo general, accesible a todos los programas, tanto de aplicaci´n como de sistema. o Un programador de lenguaje de m´quina o ensamblador puede minimizar las refea rencias a memoria principal mediante un uso ´ptimo de estos registros. Los tipos o de registro normalmente disponibles son: registros de datos, registros de direcci´n o y registros de c´digos de condici´n. o o • Los registros de datos pueden ser asignados por el programador a diversas funciones. En muchos casos, son de prop´sito general y pueden ser empleados o por instrucciones que lleven a cabo cualquier tipo de operaci´n sobre un dao to determinado. Sin embargo, suelen establecerse ciertas restricciones como dedicar algunos registros para operaciones en coma flotante. • Los registros de direcci´n guardan direcciones de memoria principal que pueo den contener datos, instrucciones o parte de una direcci´n efectiva utilizada o para calcularla. Como ejemplo de registros de direcci´n podemos incluir los o siguientes: ◦ Registro ´ ındice: Se utiliza en el direccionamiento indexado que consiste en sumar un ´ ındice a un valor base para obtener la direcci´n efectiva. o ◦ Puntero de segmento: Cuando se utiliza direccionamiento segmentado la memoria se divide en segmentos, que son bloques de palabras de tama˜o n variable. Una referencia a memoria consta de un segmento particular y un desplazamiento dentro del segmento. ◦ Puntero de pila: Si existe un direccionamiento de pila visible para los usuarios, la pila estar´, por lo general, en memoria principal, existiendo a un registro dedicado a se˜alar la cima de la pila, para poder sacar (pop) n e introducir (push) elementos en ella. • Una ultima categor´ de registros que son, al menos, parcialmente visibles ´ ıa para los usuarios, son aqu´llos que contienen c´digos de condici´n (tambi´n e o o e denominados indicadores o flags). Los c´digos de condici´n son bits activados o o por el hardware como resultado de determinadas operaciones. Por ejemplo, una operaci´n aritm´tica puede producir un resultado positivo, negativo, cero, o e con acarreo o con desbordamiento, lo que se reflejar´ en el correspondiente bit a http://alqua.org/libredoc/SSOO 3
  13. 13. 1 Introducci´n a los Sistemas Operativos o o flag de control y que puede consultarse posteriormente, por ejemplo, como parte de una operaci´n de salto condicional. Es importante tener en cuenta que o los c´digos de condici´n pueden ser consultados por las aplicaciones de usuario o o pero no modificados por ´stas. Los bits de c´digo de condici´n se sgrupan en e o o uno o m´s registros que forman parte de los determinados registros o palabras a de control que veremos a continuaci´n. o En algunas m´quinas, una llamadaa un procedimiento o subrutina provocar´ que a a los registros visibles de usuario se salven autom´ticamente, para luego restaurarlos a y continuar con la ejecuci´n normal. Este proceso de salvar y restaurar lo lleva a o cabo el procesador como parte de las instrucciones de llamada y retorno. Esto permite que cada procedimiento pueda utilizar los registros de forma independiente. En otras m´quinas, sin embargo, es responsabilidad del programador salvar los rea gistros que considere relevantes antes de efectuar una llamada a un procedimiento. Los registros de control y estado son utilizados por el procesador para el control de las operaciones o por rutinas privilegiadas del sistema operativo para controlar la ejecuci´n de los programas. En la mayor´ de las m´quinas, la mayor parte de estos o ıa a registros no son visibles para los usuarios. Adem´s de los registros MAR, MBR, a IOAR, IOBR, que se utilizan en funciones de direccionamiento e intercambio de datos entre la unidad procesadora y la memoria principal y los dispositivos de E/S, la unidad de control tiene asociados una serie de registros, entre los que cabe destacar el contador de programa (PC, program counter ), que indica la direcci´n o de la siguiente instrucci´n m´quina a ejecutar, el puntero de pila (SP, stack poino a ter ), que sirve para manejar la pila del sistema en memoria principal, el registro de instrucci´n (RI) que permite almacenar la instrucci´n m´quina a ejecutar, y el o o a registro de estado (SR) o palabra de estado del programa (PSW, program status word ) que almacena junto con el contador de programa (PC) diversa informaci´n o producida por la ultima instrucci´n del programa ejecutada (bits de estado aritm´´ o e tico) e informaci´n sobre la forma en que ha de comportarse la computadora (bits o de nivel de ejecuci´n que determinan el modo en que la computadora ejecuta las o instrucciones, usuario o sistema o supervisor, y bits de control de interrupciones que establecen las instrucciones que se pueden aceptar). 1.2.3. Ejecuci´n de instrucciones o La tarea b´sica que realiza un computador es la ejecuci´n de instrucciones. El punto a o de vista m´s sencillo es considerar que el procesamiento de instrucciones consiste en a una sencuencia sencilla que se repite a alta velocidad (cientos de millones de veces por segundo). Esta secuencia consiste en 3 pasos: lectura de memoria de la instrucci´n m´o a quina apuntada por el PC, incremento del contador del programa - para que apunte a la siguiente instrucci´n m´quina - y ejecuci´n de la instrucci´n. o a o o Esta secuencia tiene 2 prioridades fundamentales: es lineal, es decir, ejecuta de forma consecutiva las instrucciones que est´n en direcciones consecutivas, y forma un bucle a 4 Sistemas Operativos - 0.5.0
  14. 14. 1.2 Relaci´n con la m´quina subyacente o a infinito. Esto significa que la unidad de control de la computadora est´ continua e inina terrumpidamente realizando esta secuencia. Podemos decir, por tanto, que lo unico que sabe hacer la computadora es repetir a ´ gran velocidad esta secuencia. Esto quiere decir, que para que realice algo util, se ha de ´ tener cargados en memoria un programa m´quina con sus datos y hemos de conseguir a que el contador de program apunte a la instrucci´n m´quina inicial del programa. o a El esquema de ejecuci´n lineal es muy limitado, por lo que se a˜aden unos mecanismos o n que permiten alterar esta ejecuci´n lineal. En esencia, todos ellos se basan en algo muy o simple; modifican el contenido del programa, con lo que se consigue que se salte o bifurque a otro segmento del programa o a otro programa (que, l´gicamente, tambi´n ha de residir o e en memoria). Los tres mecanismos b´sicos de ruptura de secuencia son los siguientes. a Las instrucciones m´quina de salto o bifurcaci´n, que permiten que el programa a o rompa su secuencia lineal de ejecuci´n pasando a otro fragmento de s´ mismo. o ı Las interrupciones externas o internas, que hacen que la unidad de control modifique el valor del contador de programa saltando a otro programa. La instrucci´n de m´quina“TRAP”, que produce un efecto similar a la interrupci´n, o a o haciendo que se salte a otro programa. Si desde el punto de vista de la programaci´n son especialmente interesantes las instruco ciones de salto, desde el punto de vista de los SSOO son mucho m´s importantes las a interrupciones y las interrupciones de TRAP. Por tanto, centraremos nuestro inter´s en e resaltar los aspectos fundamentales de estos dos mecanismos. 1.2.4. Interrupciones Casi todos los computadores tienen un mecanismo mediante el cual otros m´dulos o (E/S, memoria) pueden interrumpir la ejecuci´n normal del procesador. Las interrupcioo nes aparecen, principalmente, como una v´ para mejorar la eficiencia del procesamiento ıa debido a que la mayor´ de los dispositivos externos son mucho m´s lentos que el proceıa a sador. Con las interrupciones, el procesador se puede dedicar a la ejecuci´n de otras instruco ciones mientras una operaci´n de E/S est´ en proceso. Cuando el dispositivo de E/S o a est´ disponible, es decir, cuando est´ preparado para aceptar m´s datos del procesador, e e a el m´dulo de E/S de dicho dispositivo enviar´ una se˜al de solicitud de interrupci´n al o a n o procesador. El procesador responde suspendiendo la operaci´n del programa en curso y o saltando a un programa que da servicio al dispositivo de E/S en particular, conocido como rutina de tratamiento de interrupciones (Interrupt handler), reanudando la ejecuci´n o original despu´s de haber atendido al dispositivo. e Desde el punto de vista del programa de usuario una interrupci´n es solamente eso: o una interrupci´n de la secuencia normal de ejecuci´n. Cuando el tratamiento de la inteo o rrupci´n termina, la ejecuci´n contin´a. El programa no tiene que disponer de ning´n o o u u c´digo especial para dar cabida a las interrupciones; el procesador y el sistema operativo o http://alqua.org/libredoc/SSOO 5
  15. 15. 1 Introducci´n a los Sistemas Operativos o son los responsables de suspender el pograma de usuario y de reanudarlo despu´s en el e mismo punto. Para dar cabida a las interrupciones, se a˜ade un ciclo de interrupci´n al ciclo de n o instrucci´n. En el ciclo de interrupci´n el procesador comprueba si ha ocurrido alguna o o interrupci´n, lo que se indicar´ con la presencia de alguna se˜al de interrupci´n. Si no hay o a n o interrupciones pendientes, el procesador sigue con el ciclo de lectura y trae la pr´xima o instrucci´n del programa en curso. Si hay una interrupci´n pendiente, el programador o o suspende la ejecuci´n del programa en curso y ejecuta una rutina de tratamiento de o interrupci´n. Esta rutina, generalmente, forma parte del sistema operativo, determina la o naturaleza de la interrupci´n y realiza cuantas acciones sean necesarias. Una interrupci´n o o desencadena una serie de sucesos tanto en el hardware del procesador como en el software. Estos sucesos pueden secuenciarse de la siguiente forma: 1. El dispositivo emite una se˜al de interrupci´n al procesador. n o 2. El procesador finaliza la ejecuci´n de la instrucci´n en curso antes de responder a o o la interrupci´n. o 3. El procesador pregunta por la interrupci´n comprueba que hay una y env´ una o ıa se˜al de reconocimiento al dispositivo que gener´ la interrupci´n, de forma que n o o ´ste suspende su se˜al de interrupci´n. e n o 4. El procesador necesita ahora prepararse para transferor el control a la rutina de interrupci´n. Para empezar, hace falta salvar la informaci´n necesaria para reao o nudar la ejecuci´n del programa en curso en el punto de la la interrupci´n. La o o m´ ınima informaci´n es la palabra de estado del programa (PSW) y la ubicaci´n o o de la pr´xima instrucci´n a ejecutar. o o 5. El procesador carga ahora el contador de programa con la ubicaci´n de entrada o del programa de tratamiento de interrupci´n. o 6. La rutina de interrupci´n suele comenzar salvando el contenido de los registros del o procesador porque la rutina puede utilizarlos y se perder´ la informaci´n que la ıa o ejecuci´n del proceso interrumpido hibiera dejado en ellos. o 7. La rutina de tratamiento de la interrupci´n procesa la interrupci´n realizando las o o acciones requeridas para atenderla. 8. Tras completar el tratamiento de la interrupci´n, se recuperan de la pila los valores o de los registros que se salvaron y se restauran en los correspondientes registros. 9. El paso final es restaurar los valores del la PSW y del contador de programa tambi´n e a partir de la pila y continuar con la ejecuci´n del programa interrumpido. Estas o acciones se llevan a cabo como resultado de ejecutar la instrucci´n m´quina para o a retorno de interrupci´n, RETI, que incluyen la mayor´ de las computadoras en su o ıa lenguaje m´quina. a 6 Sistemas Operativos - 0.5.0
  16. 16. 1.3 Funciones y objetivos de los Sistemas Operativos Las computadoras incluyen varias se˜ales de solicitud de interrupci´n, cada una de las n o cuales tiene una determinada prioridad. En caso de activarse al tiempo varias de estas se˜ales, se tratar´ la de mayor prioridad, quedando las dem´s a la espera de ser n a a atendidas. Adem´s la computadora incluye un mencanismo de inhibici´n selectiva que a o permite detener todas o determinadas se˜ales de interrupci´n. Las se˜ales inhibidas no n o n son atendidas hasta que pasen a estar desinhibidas. La informaci´n de inhibici´n de o o las interrupciones suele incluirse en la parte del registro de estado que solamente es modificable en nivel de n´cleo, por lo que su modificaci´n queda restringida al sistema u o operativo. Las interrupciones se pueden generar por diversas causas, que se pueden clasificar de la siguiente forma: Excepciones de programa. Hay determinadas causas que hacen que un programa presente un problema en su ejecuci´n, por lo que deber´ generarse una interrupci´n, o a o de forma que el SO trate dicha causa. Ejemplos de errores de este tipo son el desbordamiento de operaciones matem´ticas, al divisi´n entre cero, el intento de a o acceso a una zona de memoria no permitida, etc. Interrupciones de reloj. Interrupciones de E/S. Los controladores de los dispositivos de E/S necesitan interrumpir para indicar que han terminado una operaci´n o un conjunto de ellas. o Excepciones del hardware como la detecci´n de un error de paridad en la memoria. o Instrucciones de TRAP. Estas instrucciones permiten que un programa genere una interrupci´n y se utilizan fundamentalmente para solicitar los servicios del SO. o 1.3. Funciones y objetivos de los Sistemas Operativos Como ya se ha visto, un sistema operativo act´a como interfaz entre la m´quina u a desnuda y los programas de aplicaciones o el propio usuario. por otro lado, el sistema operativo tambi´n se encarga de gestionar los recursos del sistema inform´tico para e a obtener un uso lo m´s ´ptimo posible de ´stos. A continuaci´n, trataremos las funciones a o e o del sistema operativo desde estos dos puntos de vista, as´ como las caracter´ ı ısticas que debe presentar para mantener una capacidad de evoluci´n adecuada. o 1.3.1. El Sistema Operativo como Interfaz Usuario/Computadora Un sistema operativo debe hacer que la interacci´n del usuario o de los programas o de aplicaci´n con el computador resulte sencilla y f´cil y debe construirse de modo que o a permita el desarrollo efectivo, la verificaci´n y la introducci´n de nuevas funciones en el o o sistema y, a la vez, no interferir en los servicios ya proporcionados. El Hardware y el Software que se utilizan para proveer al usuario de aplicaciones puede contemplarse de forma estratificada o jer´rquica. Este usuario final no tiene que preocua parse de la arquitectura del computador y contempla el sistema inform´tico en t´rminos a e http://alqua.org/libredoc/SSOO 7
  17. 17. 1 Introducci´n a los Sistemas Operativos o de aplicaciones. Estas aplicaciones pueden construirse con un lenguaje de programaci´n o y son desarrolladas por los programadores de aplicaciones. Si se tuviera que desarrollar un programa de aplicaci´n con un conjunto de instruco ciones totalmente responsables del control del hardware, dicho programa tendr´ una ıa tarea abrumadora y compleja. Para facilitar esta tarea, se ofrecen una serie de programas de sistema. Algunos de estos programas implementan funciones muy utilizadas que ayudan a la creaci´n de aplicaciones de usuario, la gesti´n de archivos y el control de los o o dispositivos de E/S. El programa de sistema m´s importante es el sistema operativo. a El sistema operativo oculta al programador los detalles del hardware y le proporciona una interfaz c´moda para utilizar el sistema y act´a como mediador, ofreciendo al o u programador y a los programas de aplicaci´n un conjunto de servicios y utilidades que o faciliten su tarea. De forma resumida el sistema operativo ofrece servicios en las siguientes ´reas: a Creaci´n de programas: El sistema operativo ofrece una gran variedad de servicios o como los editores y depuradores (debuggers), para ayudar al programador en la creaci´n de programas. Normalmente, estos servicios est´n en forma de programas o a de utilidad que no forman realmente parte del sistema operativo, pero que son accesibles a trav´s de ´l. e e Ejecuci´n de programas: Para ejecutar un programa es necesario realizar un cierto o n´mero de tareas. Las instrucciones y los datos deben cargarse en memoria prinu cipal, los archivos y los dispositivos de E/S deben inicializarse y deben prepararse otros recursos. El sistema operativo administra todas estas tareas por el usuario. Acceso a los dispositivos de E/S: Cada dispositivo de E/S requiere un conjunto propio y peculiar de instrucciones o se˜ales de control para su funcionamiento. n El sistema operativo, ayudado por los manejadores o drivers de dispositivo tiene en cuenta estos detalles de forma que el programador pueda pensar en forma de lecturas y escrituras simples desde o hacia el dispositivo. Acceso controlado a los archivos: El sistema operativo se ocupa del formato de los archivos y del medio de almacenamiento. En el caso de sistemas de varios usuarios trabajando simult´neamente, es el sistema operativo el que brinda los mecanismos a para controlar que el acceso a los archivos se lleve a cabo de una forma correcta. Acceso al sistema: En el caso de un sistema compartido o p´blico, el sistema u operativo controla el acceso al sistema como un todo y a los recursos espec´ ıficos del sistema. Las funciones de acceso deben brindar proteci´n a los recursos y a los o datos ante usuarios no autorizados y debe resolver conflictos en la propiedad de los recursos. Detecci´n y respuesta a errores: Cuando un sistema inform´tico est´ en funcioo a a namiento pueden producirse varios errores. El sistema operativo debe dar una respuesta que elimine la condici´n de error con el menor impacto posible sobre las o aplicaciones que est´n en ejecuci´n. a o 8 Sistemas Operativos - 0.5.0
  18. 18. 1.3 Funciones y objetivos de los Sistemas Operativos Contabilidad: Un sistema operativo debe recoger estad´ ısticas de utilizaci´n de los o diversos recursos y supervisar par´metros de rendimiento tales como el tiempo de a respuesta. 1.3.2. El Sistema OPerativo como administrador de recursos Un SO debe perseguir una utilizaci´n lo m´s ´ptima y equilibrada posible de los o a o recursos que administra. De esta forma se obtendr´ un alto rendimiento del sistema a inform´tico gobernado. a El SO es el responsable de la gesti´n de los recursos de la m´quina y mediante su o a administraci´n tiene el control sobre las funciones b´sicas de la misma. El SO no es nada o a m´s que un programa pero la diferencia clave es su prop´sito. El SO dirige al procesador a o en el empleo de otros recursos del sistema y en el control del tiempo de ejecuci´n de los o programas de usuario. Una parte del SO reside en memoria principal. En esta parte est´ el n´cleo (kernel ) a u que incluye funciones del SO utilizdas con m´s frecuencia aunque, en un momento dado, a puede incluir otras partes en uso. El resto de la memoria, que contiene datos y programas de usuario, es administrada conjuntamente por el SO y por el hardware de control de memoria. El SO decide cu´ndo puede utilizarse un dispositivo de E/S por parte de un a programa en ejecuci´n y controla el acceso y la utilizaci´n de los archivos. El procesador o o es, en s´ mismo, un recurso y es el SO el que debe determinar cu´nto tiempo de procesador ı a debe dedicarse a la ejecuci´n de un programa usuario en particular. En el caso de sistemas o multiprocesador, la decisi´n debe tomarse entre todos los procesadores. o 1.3.3. Facilidad de evoluci´n del Sistema Operativo o Un SO importante evolucionar´ en el tiempo por una serie de razones: a Actualizaciones del hardware y nuevos tipos de hardware: Las mejoras introducidas en los componentes hardware del computador deben tener soporte en el sistema operativo. Un ejemplo es el aprovechamiento del sistema operativo del hardware de paginaci´n que acompa˜a a la memoria de algunos sistemas inform´ticos. o n a Nuevos servicios: Como respuesta a nuevas necesidades, el sistema operativo ampliar´ su oferta de servicios para a˜adir nuevas medidas y herramientas de control. a n Correcciones: El sistema operativo tiene fallos que se descubrir´n con el curso del a tiempo y que es necesario corregir. La necesidad de hacer cambios en un SO de forma regular introduce ciertos requisitos en el dise˜o. Una afirmaci´n obvia es que el sistema debe tener una construcci´n modular, n o o con interfaces bien definidas entre los m´dulos y debe estar bien documentado. o http://alqua.org/libredoc/SSOO 9
  19. 19. 1 Introducci´n a los Sistemas Operativos o 1.4. Evoluci´n hist´rica de los Sistemas Operativos o o Para intentar comprender los requisitos b´sicos de un SO y el significado de las caa racter´ ısticas principales de un sistema operativo contempor´neo, resulta util considerar a ´ c´mo han evolucionado los sistemas operativos a los largo de los a˜os. o n 1.4.1. Proceso en serie. Primera generaci´n (1945-1955) o En los primeros computadores, de finales de los 40 hasta mediados de los 50, el programa interactuaba directamente con el hardware: no hab´ sistema operativo. La operaci´n ıa o con estas m´quinas se efectuaba desde una consola dotada con indicadores luminosos y a conmutadores o a trav´s de un teclado hexadecimal. Los programas se arrancan cargane do el registro contador de programas con la direcci´n de la primera instrucci´n. Si se o o deten´ el programa por un error, la condici´n de error se indicaba mediante los indicaıa o dores luminosos. El programador pod´ examinar los registros relevantes y la memoria ıa principal para comprobar el resultado de la ejecuci´n o para determinar la causa del o error. El siguiente paso significativo de la evoluci´n en el uso de sistemas inform´ticos vino o a con la llegada de dispositivos de E/S tales como tarjetas perforadas y cintas de papel y con los traductores de lenguajes. Los programas. codificados ahora en un lenguaje de programaci´n, se traducen a un forato ejecutable mediante un programa como un o compilador o un int´rprete. Otro programa, llamado cargador, automatiza el proceso de e cargar en memoria estos programas en c´digo ejecutable. El usuario coloca un programa o y sus datos de entrada en un dispositivo de entrada y el cargador transfiere la informaci´n o desde el dispositivo a la memoria. Despu´s de transferir el control al programa cargado e por medios manuales o autom´ticos, comienza la ejecuci´n del mismo. El programa en a o ejecuci´n lee sus datos desde el dispositivo de entrada asignado y puede producir ciertos o resultados en un dispositivo de salida tal como una impresora o la pantalla. Estos primeros sistemas presentaban dos problemas principales: Planificaci´n: La mayor´ de las instalaciones empleaban un formulario de reserva o ıa de tiempo de m´quina. Normalmente, un usuario pod´ reservar bloques de tiempo, a ıa m´ltiplos, por ejemplo, de media hora. Si la ejecuci´n del programa terminaba antes u o del plazo asignado, el tiempo restante se desperdiciaba. Tambi´n pod´ suceder que e ıa el programa no terminara dentro del plazo asignado, con lo que el programadir no pod´ saber si el programa hab´ terminado satisfactoriamente o no. ıa ıa Tiempo de preparaci´n: Un programa aun siendo sencillo requer´ un tiempo de o ıa preparaci´n bastante grande ya que en primer lugar se cargaba un compilador o y un programa en lenguaje de alto nivel (programa fuente) en la memoria. A continuaci´n, se salvaba el programa ya compilado (programa objeto) y, por ultimo, o ´ se montaba y cargaba este programa objeto junto con las funciones comunes. Este modo de trabajo pod´ denominarse proceso en serie porque refleja el hecho de los ıa que usuarios ten´ que acceder al computador en serie. ıan 10 Sistemas Operativos - 0.5.0
  20. 20. 1.4 Evoluci´n hist´rica de los Sistemas Operativos o o 1.4.2. Sistemas sencillos de proceso por lotes. Segunda generaci´n o (1955-1965) Las primeras m´quinas eran muy caras y, por tanto, era importante maximizar la a utilizaci´n de las mismas. El tiempo desperdiciado en la planificaci´n y la preparaci´n o o o era inaceptable. Para mejorar el uso, se desarroll´ el concepto de sistema operativo por lotes (batch). El o primer sistema operativo por lotes fue desarrollado a mediados de los 50 por la General Motoros para usar en un IBM 701. La idea central que est´ detr´s del esquema sencillo de proceso por lotes es el uso de a a un elemento de software conocido como monitor. Con el uso de esta clase de sistema operativo, los usuarios ya no ten´ acceso directo a la m´quina. En su lugar, el usuario ıan a deb´ entregar los trabajos en tarjetas o en cinta al operador del computador, quien ıa agrupaba secuencialmente los trabajos por lotes y ubicaba los lotes enteros en un dispositivo de entrada para su empleo por parte del monitor. Cada programa se constru´ ıa de modo tal que volviera al monitor al terminar el procesamiento y, en ese momento, el monitor comenzaba a cargar autom´ticamente el siguiente programa. a Para obtener provecho del potencial de utilizaci´n de recursos, un lote de trabajos o debe ejecutarse autom´ticamente sin intervenci´n humana. Para este fin, deben proa o porcionarse algunos medios que instruyan al sistema operativo sobre c´mo debe tratar o cada trabajo individual. Estas intrucciones son suministradas generalmente por medio de ´rdenes del sistema operativo incorporadas al flujo de lotes. Las ´rdenes del sistema o o operativo son sentencias escritas en un Lenguaje de Control de Trabajos (JCL, Job Control Language). Entre las ´rdenes t´ o ıpicas de un JCL se incluyen las marcas de comienzo y finalizaci´n de un trabajo, las ´rdenes para cargar y ejecutar programas y las ´rdenes o o o que anuncian necesidades de recursos tales como el tiempo esperado de ejecuci´n y los o requisitos de memoria. Estas ´rdenes se hallan incoporadas al flujo de los trabajos, junto o a los programas y a los datos del usuario. Una parte residente en memoria del SO por lotes, a veces llamado monitor de lotes, lee, interpreta y ejecuta estas ´rdenes. En respuesta a ellas, los trabajos del lote se ejecutan o de uno en uno. 1.4.3. Multiprogramaci´n. Tercera Generaci´n (1965-1980) o o Incluso con las mejoras anteriores, el proceso por lotes dedica los recursos del sistema inform´tico a una unica tarea a la vez. a ´ En el curso de su ejecucic´n, la mayor´ de los programas oscilan entre fases intensivas o ıa de c´lculo y fases intensivas de operaciones de E/S. Esto queda indicado en la figura 1.1 a donde los periodos de c´lculo intensivo se indican mediante cuadros sombreados y las a operaciones de E/S mediante zonas en blanco. El problema es que los dispositivos de E/S son muy lentos comparados con el procesador. El procesador gasta parte del tiempo ejecutando hasta que encuentra una instrucci´n de E/S. Entonces debe esperar a que o concluya la instrucci´n de E/S antes de continuar. o Esta ineficiencia no es necesaria. Se sabe que hay memoria suficiente para almacenar http://alqua.org/libredoc/SSOO 11
  21. 21. 1 Introducci´n a los Sistemas Operativos o Programa 2 ¨ ¨ ¨ © ¦ ¦ § § § ¦ ¦ ¨ © © ¨ © ¨ © ¨ © © ¨ © © ¨ Programa 1 ¦ ¦ § § § ¦ ¦ ¦ § § § P1 inactivo P1 inactivo P1 inactivo P2 inactivo P2 inactivo P2 inactivo Tiempo (a) Ejecución secuencial # ! ¤ ¥ ! ¤ ! ¢ ¢ £ £ ¤ ¤ ¥ ¥ ¤ ¥     £ ¡ ¢ £       ¡ ¢   ¡     ¡ ¡ £ ¡ ¡ £ ¢ ¢ £ ¡ ¢ ¢ ¤ ¥ ! ¢ £ ¥ ¤ ¤ P1 ¥ ! ! £ P2 ¥ ! # P1 ¤ ! # # # #   ¡ P2 ¥ ! # # # P1 Programa 1 Programa 2 P2 Tiempo (b) Ejecución multiprogramada Figura 1.1: Ejecuci´n secuencial vs multiprogramaci´n o o en memoria el sistema operativo (monitor residente) y un programa usuario. Supongamos que hay espacio suficiente para almacenar el sistema operativo y dos programas de usuario. Ahora, cuando un trabajo necesite esperar por una operaci´n de E/S, el o procesador puede cambiar a otro trabajo que est´ listo para ser ejecutado. Si ampliae mos la memoria para almacenar varios programas, podremos conmutar entre todos de forma que el procesador permanezca ocupado el mayor tiempo posible, evitando as´ el ı desperdicio de tiempo que suponen las esperas hasta que se completen las operaciones de E/S. Este concepto es conocido como multiprogramaci´n o multitarea y es el punto o central de los sistemas operativos modernos. Como sugiere la figura 1.1 se pueden lograr ganancias significativas de rendimiento intercalando la ejecuci´n de los programas, o, multiprigramando, que es como se le deo nomina a este modo de operaci´n. Con un solo procesador no es posible la ejecuci´n o o paralela de programas, y como m´ximo, s´lo un programa puede tener el control del a o procesador en un instante determinado. El ejemplo presentado en la figura 1.1 (b) consigue un 100 % de utilizaci´n del procesador s´lo con dos programas activos. Aunque o o conveniente para ilustrar la idea b´sica en la multiprogramaci´n, no se deben esperar a o resultados tan espectaculares en programas reales, ya que las distribuciones de las fases de computaci´n y E/S tienden a ser m´s variables. Para aumentar la utilizaci´n de o a o recursos, los sistemas de multiprogramaci´n reales permiten generalmente que m´s de o a dos programas compitan por los recursos del sistema al mismo tiempo. El n´mero de u programas en competencia activa por los recursos de un sistema inform´tico se denomina a grado de multiprogramaci´n. En principio, mayores grados de multiprogramaci´n deben o o dar lugar a una mayor utilizaci´n de recursos. o La multiprogramaci´n ha sido tradicionalmente empleada para aumentar la utilizaci´n o o de los recursos de un sistema inform´tico y para soportar m´ltiples usuarios simult´neaa u a mente activos. 12 Sistemas Operativos - 0.5.0
  22. 22. 1.4 Evoluci´n hist´rica de los Sistemas Operativos o o 1.4.4. Computadoras personales. Cuarta Generaci´n (1980-1990) o Con el desarrollo de la tecnolog´ LCI (Large Scale Integration) de construcci´n de ıa o circuitos, que permit´ fabricar chips con miles de transistores en un cent´ ıa ımetro cuadrado de silicio, se inicio la era de la computadora personal. En t´rminos de arquitectura, las e computadoras personales no eran muy distintas de las minicomputadoras del tipo PDP11, pero en t´rminos de precio s´ eran bastante distintas. Las computadoras personales e ı m´s poderosas reciben el nombre gen´rico de estaciones de trabajo, pero en realidad s´lo a e o son computadoras personales grandes. La amplia disponibilidad de poder de c´mputo condujo, junto con un nivel gr´fico o a bastante adecuado, al crecimiento de la industria de producci´n de software para las o computadoras personales. Gran parte de este software ten´ adem´s, la ventaja de preıa, a sentar una gran amiganilidad con el usuario. Dos sistemas operativos han dominado la escena de las computadoras personales y las estaciones de trabajo: MS-DOS de Microsoft y UNIX de ATT. MS-DOS tuvo un amplio uso en el IBM PC y otras m´quinas que incorporaban el microprocesador 8088 de Intel a o alguno de sus sucesores. UNIX, su contendiente principal, domin´ las computadoras o que no utilizaban microprocesadores de Intel, as´ como las estaciones de trabajo, en ı particular las que poseen chips RISC de altas prestaciones. Un interesante desarrollo que comenz´ a llevarse a cabo a mediados de la d´cada o e de los 80 ha sido el crecimiento de las redes de computadoras personales con sistemas operativos en red y sistemas operativos distribuidos. En un sistema operativo en red, los usuarios son conscientes de la existencia de varias computadoras y pueden conectarse con m´quinas remotas. Cada m´quina ejecuta su propio sistema operativo local y tiene a a su propio usuario. Un sistema operativo distribuido, por el contrario, presenta al usuario un conjunto de computadores independientes como si se tratara de un solo sistema. En un sistema operativo distribuido los usuarios no deben ser conscientes del lugar donde su programa va a ejecutarse o la ubicaci´n de los archivos a los que desea acceder, esas o cuestiones deben ser manejadas autom´ticamente y de forma eficiente por el sistema a operativo. http://alqua.org/libredoc/SSOO 13
  23. 23. 1 Introducci´n a los Sistemas Operativos o 14 Sistemas Operativos - 0.5.0
  24. 24. 2 Gesti´n de procesos o 2.1. Procesos y tareas Proceso una definici´n tradicional de proceso es la de instancia de un programa en o ejecuci´n. La ejecuci´n de tal programa es indicada al SO mediante una acci´n u o o o orden especializada. El SO responde en ese punto creando un nuevo proceso. En general, esta actividad consiste en la creaci´n e iniciliazaci´n de estructuras de datos en el SO para monitorizar o o y controlar el progreso de proceso en cuesti´n. Una vez creado, el proceso pasar´ a estar o a activo y competir´ por la utilizaci´n de recursos del sistema como el procesador y los a o dispositivos I/O. Un proceso evoluciona c´ ıclicamente entre per´ ıodos de ejecuci´n activa y de espera por o la terminaci´n de actividades de I/O. Cuando un proceso queda inactivo por especificar o una operaci´n de I/O y quedar a la espera de que ´sta se complete, el SO puede planificar o e la ejecuci´n de otro proceso. o Desde este punto de vista, un proceso es una entidad individualmente planificable, que puede ser asignada al procesador y ejecutada por ´ste. El SO controla, pues, din´e a micamente la evoluci´n de los procesos registrando la informaci´n correspondiente a sus o o cambios cuando ´stos se produzcan. Esta informaci´n es utilizada por el SO para sus e o labores de planificaci´n y gesti´n sobre el conjunto de procesos que en un determinado o o momento pueden coexistir en el sistema inform´tico. a De esta forma adem´s de la plantilla est´tica constituida por el programa ejecutable a a en que se basa, un proceso posee ciertos atributos que ayudan al SO en su gesti´n. o Los atributos de un proceso incluyen su estado actual, unidad de planificaci´n, derechos o de acceso, nivel de prioridad entre otros datos. Desde el punto de vista del usuario, un proceso no es m´s que la ejecuci´n de un conjunto de instrucciones que llevan a cabo una a o determinada tarea, mientras que para el SO es una entidad que atraviesa din´micamente a un conjunto de estados y que solicita los recursos del sistema que le son necesarios. De esta forma, el acceso a tales recursos debe ser planificado de forma que se consiga un rendimiento en la utilizaci´n de los mismos lo m´s ´ptimo posible. o a o 2.1.1. Divisi´n impl´ o ıcita y expl´ ıcita de tareas Dependiendo del SO y del entorno objetivo de ejecuci´n de programas, la divisi´n o o de un trabajo en tareas que ser´n ejecutadas como procesos independientes as´ como la a ı asignaci´n inicial de los atributos de esos procesos pueden ser efectuadas o bien por el o SO o bien por el desarrollador de la aplicaci´n. En otras palabras, lo que constituir´ un o a proceso independiente puede provenir de: 15
  25. 25. 2 Gesti´n de procesos o 1. Divisi´n impl´ o ıcita de tareas definida por el sistema. 2. Divisi´n expl´ o ıcita de tareas definida por el desarrollador. En general, la divisi´n impl´ o ıcita de tareas se aplica en sistemas operativos multitarea para multiplexar la ejecuci´n de una serie de programas y explotar los beneficios de o la concurrencia entre una serie de aplicaciones. La divisi´n expl´ o ıcita en tareas permite mejoras adicionales en el rendimiento al explotar la concurrencia inherente o propia de una determinada aplicaci´n o programa. La divisi´n impl´ o o ıcita en tareas significa que los procesos son definidos por el sistema, esta divisi´n aparece com´nmente en sistemas de o u multiprogramaci´n de prop´sito general tales como los sistemas de tiempo compartido. o o En este enfoque cada programa remitido para su ejecuci´n es tratado por el SO como o un proceso independiente. El SO asignar´ valores iniciales a lo atributos del proceso tales como la prioridad de a planificaci´n y los derechos de acceso en el momento de la creaci´n del proceso bas´ndose o o a en el perfil del usuario y en valores predeterminados del sistema. La divisi´n expl´ o ıcita significa que los desarrolladores definen expl´ ıcitamente cada proceso y alguno de sus atributos, t´ ıpicamente una unica aplicaci´n queda dividida en ´ o varios procesos relacionados con objeto de mejorar su rendimiento. La divisi´n expl´ o ıcita se utiliza en situaciones donde se desea elevar la eficiencia o controlar expl´ ıcitamente las actividades del sistema. Entre las razones m´s comunes para aplicar la divisi´n expl´ a o ıcita de tareas se incluyen 1. Ganancia de velocidad: algunas de las tareas independientes en que quede dividida la aplicaci´n podr´n ejecutarse de forma concurrente con la consiguiente mejora o a en el tiempo total de ejecuci´n de la aplicaci´n. o o 2. Mejora en el rendimiento de la utilizaci´n de dispositivos de I/O con latencia: o dedicando tareas expl´ ıcitas a la realizaci´n de operaciones I/O, ´stas podr´n ser o e a planificadas por el SO de forma concurrente con tareas de computaci´n intensiva o con la consiguiente ganancia en el rendimiento. 3. Multiprocesamiento: los procesos independientes que constituyen una aplicaci´n o pueden ser perfectamente portados para su ejecuci´n en un entorno multiprocesao dor con lo que se conseguir´ paralelismo real. ıa 4. Computaci´n distribuida: de igual forma, cada tarea independiente puede ser asigo nada a un procesador que forme parte de un sistema distribuido, siendo necesaria una sincronizaci´n con el resto de procesadores que se ocupan de sus respectivas o tareas. 2.1.2. Tipos de procesos y relaci´n entre procesos concurrentes o En principio, podemos realizar una clasificaci´n muy general de los procesos entre o procesos de usuario y procesos de sistema. Un proceso de usuario es aquel creado por 16 Sistemas Operativos - 0.5.0
  26. 26. 2.1 Procesos y tareas el SO como respuesta a una de ejecuci´n del usuario o de una aplicaci´n que ejecuta a o o instancias de ´ste. e Un proceso de sistema es un proceso que forma parte del propio SO y que desempe˜a n alguna de sus labores caracter´ ısticas, como por ejemplo, la elecci´n del siguiente proceso o a ejecutar o bien la prestaci´n de un servicio determinado como el acceso a un recurso de o I/O del sistema. Cualquiera que sea la naturaleza de los procesos, ´stos pueden mantener e fundamentalmente dos tipos de relaciones: Competici´n y/o Colaboraci´n. o o En virtud de la compartici´n de recursos de un solo sistema, todos los procesos concuo rrentes compiten unos con otros por la asignaci´n de los recursos del sistema necesarios o para sus operaciones respectivas. Adem´s, una colecci´n de procesos relacionados que a o representen colectivamente una sola aplicaci´n l´gica, suelen cooperar entre s´ La coopeo o ı. raci´n es habitual entre los procesos creados como resultado de una divisi´n expl´ o o ıcita de tareas. Los procesos cooperativos intercambian datos y se˜ales de sincronizaci´n necesan o rios para estructurar su progreso colectivo. Tanto la competici´n como la colaboraci´n o o de procesos requiere una cuidada asignaci´n y protecci´n de los recursos en t´rminos o o e de aislamiento de los diferentes espacios de direcciones. La cooperaci´n depende de la o existencia de mecanismos para la utilizaci´n controlada de los datos compartidos y el o intercambio de se˜ales de sincronizaci´n. n o Los procesos cooperativos comparten t´ ıpicamente algunos recursos y atributos adem´s a de interactuar unos con otros. Por esta raz´n, con frecuencia se agrupan en lo que se o denomina una familia de procesos. Aunque dentro de una familia son posibles relaciones complejas entre sus procesos miembro, la relaci´n m´s com´nmente soportada por los o a u sistemas operativos es la relaci´n padre-hijo. Esta relaci´n se establece cuando el SO o o crea un nuevo proceso a instancias de otro ya existente. Los procesos hijos heredan generalmente los atributos de sus procesos padres en el momento de su creaci´n y tambi´n o e pueden compartir recursos con sus procesos hermanos. 2.1.3. El sistema operativo y los procesos Todos los SSOO de multiprogramaci´n est´n construidos en torno al concepto de o a proceso. Los requisitos principales que debe cumplir un SO para con los procesos son los siguientes: 1. El SO debe intercalar la ejecuci´n de procesos para optimizar la utilizaci´n del o o procesador ofreciendo a la vez un tiempo de respuesta razonable. 2. El SO debe asignar los recursos del sistema a los procesos en conformidad con una pol´ ıtica espec´ ıfica que evite situaciones de interbloqueo. 3. El SO podr´ tener que dar soporte a la comunicaci´n entre procesos y ofrecer ıa o mecanismos para su creaci´n, labores que pueden ser de ayuda en la estructuraci´n o o de aplicaciones. http://alqua.org/libredoc/SSOO 17
  27. 27. 2 Gesti´n de procesos o 2.2. Creaci´n y terminaci´n de procesos o o Cuando se a˜ade un proceso a los que ya est´ admisnitrando el SO, hay que construir n a las estructuras de datos que se utilizan para gestionar y controlar el proceso y asignar el espacio de direcciones que va a utilizar dicho proceso. Estas acciones constituyen la creaci´n de un nuevo proceso. o Son cuatro los sucesos comunes que llevan a la creaci´n de un proceso. o 1. Nueva tarea en un sistema de proceso por lotes. 2. Nueva conexi´n interactiva. o 3. Nuevo proceso creado por el SO para dar un servicio. 4. Un proceso generado por otro ya existente. Por otro lado, en cualquier sistema inform´tico debe existir alguna forma de que un a proceso indique su terminaci´n. Un trabajo por lotes debe incluir una instrucci´n de o o detenci´n halt o una llamada expl´ o ıcita a un servicio del sistema operativo para indicar su terminaci´n, mientras que en una aplicaci´n interactiva, ser´ la acci´n del usuario la o o a o que indique cu´ndo termine el proceso. a Todas estas acciones provocan al final una petici´n de servicio al SO para terminar el o proceso demandante. Adem´s, una serie de errores pueden llevarnos a la terminaci´n de a o un proceso. A continuaci´n se enumeran algunas de las condiciones m´s habituales de o a terminaci´n de procesos: o 1. Terminaci´n normal: Un proceso termina de ejecutar su conjunto de instrucciones o y finaliza. 2. Tiempo l´ ımite excedido: El proceso requiere m´s tiempo para completar su ejecua ci´n del que el sistema establece como m´ximo. o a 3. No disponibilidad de memoria: Tiene lugar cuando un proceso necesita m´s mea moria de la que el sistema puede proporcionar. 4. Violaci´n de l´ o ımites: Ocurre cuando un proceso trata de acceder a una posici´n de o memoria a la que no puede hacerlo. 5. Error de protecci´n: Se produce si un proceso intenta utilizar un recurso o un o archivo para el que no tiene permiso o trata de utilizarlo de forma incorrecta. 6. Error aritm´tico: Aparece si el proceso intenta hacer un c´lculo prohibido como e a la divisi´n por cero o trata de almacenar un n´mero mayor del que el hardware o u acepta. 7. Superaci´n del tiempo m´ximo de espera por un recurso: En este caso, el proceso o a se encuentra a la espera de obtener un recurso o de que tenga lugar un determinado evento durante un tiempo que alcanza el l´ ımite establecido. 18 Sistemas Operativos - 0.5.0
  28. 28. 2.3 Estados de un proceso 8. Fallo de dispositivo I/O: Se produce por un error en la entrada o la salida tal como la incapacidad de encontrar un archivo o la ocurrencia de un fallo de lectura o escritura despu´s de un n´mero m´ximo de intentos. e u a 9. Instrucci´n no v´lida: Se produce si un proceso intenta ejecutar una instrucci´n o a o inexistente. 10. Inento de acceso a una instrucci´n privilegiada: Se presenta si un proceso intenta o utilizar una instrucci´n reservada para el SO. o 11. Mal uso de los datos: Un elemento de dato no est´ inicializado o es de un tipo a equivocado para la operaci´n que se pretende realizar. o 12. Intervenci´n del operador o del SO: Por alguna raz´n, el operador o el SO termio o na con el proceso. Por ejemplo, si se considera comprometido el rendimiento del sistema. 13. Finalizaci´n del proceso padre: Cuando un proceso padre finaliza el SO puede o dise˜arse para terminar autom´ticamente con todos sus descendientes. n a 14. Solicitud del proceso padre: Un proceso padre tiene normalmente autoridad para terminar con cualquiera de sus hijos. 2.3. Estados de un proceso En cualquier sistema operativo, es b´sico conocer el comportamiento que exhibir´n a a los distintos procesos y el conjunto de estados que pueden atravesar. 2.3.1. Modelo de dos estados El modelo m´s sencillo que puede construirse tiene en cuenta que un momento dado a un proceso puede estar ejecut´ndose en el procesador o no. As´ pues, un proceso puede a ı estar en uno de dos estados: Ejecuci´n o No ejecuci´n (V´ase la figura 2.1). o o e entrada no ejecución ejecución terminar Figura 2.1: Esquema de un diagrama de dos estados Cuando el SO crea un nuevo proceso, ´ste entra en el sistema en el estado de No e ejecuci´n. De este modo, el proceso existe, es conocido por el SO y est´ esperando la o a oportunidad de ejecutarse. En un momento dado, el sistema operativo decide otorgar http://alqua.org/libredoc/SSOO 19
  29. 29. 2 Gesti´n de procesos o el procesador a un proceso determinado con lo que dicho proceso pasar´ de estado No a ejecuci´n a Ejecuci´n. o o Cada cierto tiempo, el proceso en ejecuci´n es interrumpido y el sistema operativo o seleccionar´ un nuevo proceso para que tome el control del procesador. El proceso ina terrumpido pasa del estado de Ejecuci´n al de No ejecuci´n mientras que el proceso o o elegido realiza la transici´n inversa. o Incluso en este modelo tan simple, se aprecian ya algunos de los elementos importantes en el dise˜o de SSOO. Cada proceso debe representarse de forma que el sistema operativo n tenga conocimiento de su estado actual y de su posici´n en memoria. o Aquellos procesos que no est´n en estado de ejecuci´n deber´n almacenarse en alg´n e o a u tipo de estructura de datos mientras esperan que el sistema operativo les otorgue el control sobre el procesador. La siguiente figura 2.2 propone una estructura basada en una cola de procesos. COLA FIFO ¢ ¢ £ ¢ ¢ ¢ ¢ £   £ £ ¢ £     ¡ Procesador ¢ ¢ ¢ terminar ¢ ¢ ¢ £ £   ¢   ¤   ¥ ¤ ¤ ¤ ¥   ¥   ¡ ¤ ¥ ¡ ¢ ¡ ¥ ¤ ¥ ¡   £ ¥   ¡ ¡ ¤ ¥   ¡ £ £ ¤ ¡ ¢ ¡ £ ¤ ¡   £ ¥ ¤ ¡ entrada ¤ ¥ ¤ ¥ ¥ Figura 2.2: Esquema de un sistema de Cola FIFO Dicha cola consiste en una lista enlazada de bloques en la que cada uno de estos bloques representa a un proceso. Cada bloque consistir´ en un puntero a la estrcutura de datos a donde el SO guarda toda la informaci´n relativa al proceso. El comportamiento del SO en o este caso es similar al de un gestor de colas. As´ cada vez que el SO cree un nuevo proceso ı, se introducir´ el correspondiente bloque al final de la cola, acci´n que tambi´n se llevar´ a o e a a cabo cuando un proceso sea expropiado del procesador en favor de otro o cuando se bloquee en espera de que se complete una operaci´n de E/S. Cuando un proceso termine o su ejecuci´n, ser´ descartado del sistema. Si todos los procesos estuvieran siempre listos o a para ejecutar, la disciplina de comportamiento de cola presentada ser´ eficaz. El modelo ıa de cola sigue un comportamiento FIFO y el procesador opera siguiendo un turno rotatorio con los procesos disponibles. De esta forma, a cada proceso de la cola se le otorga una cierta cantidad de tiempo para ejecutar. Si no se presentan bloqueos y transcurrido ´ste e volver´ a la cola para optar de nuevo a tener control sobre el procesador. Sin embargo, a esta implementaci´n no es adecuada debido a que algunos procesos en estado de no o ejecuci´n estar´n listos para ejecutar mientras que otros se encontrar´n a la espera de o a a obtener alg´n recurso solicitado o a que se complete una operaci´n de E/S. As´ pues, el u o ı SO puede no entregar el procesador al proceso que se encuentre al frente de la cola. Si ´ste est´ bloqueado, tendr´ que recorrer la cola buscando el primer proceso que no lo e a a est´ y que lleve m´s tiempo en espera. e a Una forma m´s natural de afrontar esta situaci´n es dividir el estado de no ejecucuci´n a o o en dos; los estados listo y bloqueado. Adem´s se a˜adir´n dos nuevos estados al sistema. a n a 20 Sistemas Operativos - 0.5.0
  30. 30. 2.3 Estados de un proceso Estos estados son: nuevo y terminado, que resultan de utilidad para las labores de gesti´n o de procesos. As´ se dar´ lugar al modelo de 5 estados. ı a 2.3.2. Modelo de 5 estados En este modelo un proceso puede encontrarse en cualquiera de los siguiente 5 estados. 1. Estado Nuevo: esta estado corresponder´ a procesos que acaban de ser definidos a pero que a´n no han sido admitidos por el sistema operativo como procesos ejecutau bles. Para estos procesos se habr´n realizado ciertas tareas de gesti´n interna como a o la asignaci´n de un identificador y la creaci´n de algunas estructturas de control. o o La principal motivaci´n para la existencia de este estado es la limitaci´n por parte o o del SO del n´mero total de procesos activos por razones de rendimiento1 o por las u restricciones impuestas por la capacidad de la memoria. 2. Estado Listo o Preparado: En este estado se encontrar´n aquellos procesos que a dispongan de todos los recursos necesarios para comenzar o proseguir su ejecuci´n o y se encuentran a la espera de que se les concedael control del procesador. 3. Estado de Ejecuci´n: En este estado se encuentra el proceso que tiene el control o del procesador. Dado que se considerar´n arquitecturas que disponen de un unico a ´ procesador, en un instante determinado s´lo un proceso puede encontrarse en este o estado. 4. Estado Bloqueado: En este estado se encuentran aquellos procesos que carecen de alg´n recurso necesario para su ejecuci´n siendo este recurso distinto del procesador u o o bien se encuentran a la espera de que tenga lugar un determinado evento. 5. Estado Terminado: A este estado pertenecen aquellos procesos excluidos por el SO del grupo de procesos ejecutables. Un proceso alcanza este estado cuando llega al punto normal de terminaci´n, cuando se abandona debido a un error irrecuperable o o cuando un proceso con la debida autoridad hace que termine su ejecuci´n. En este o punto, el proceso ya no es susceptible de ser elegido para ejecutarse. Sin embargo, el SO conserva cierta informaci´n asociada con ´l para su posible utilizaci´n, bien o e o por otras aplicaciones como programas de utilidad para el an´lisis de la historia a y rendimiento del proceso o bien por parte del SO con fines estad´ ısticos. Una vez extra´ esta informaci´n, el SO ya no necesita mantener m´s datos relativos al ıda o a proceso y ´stos se borran del sistema. e En la figura 2.3 presentamos el diagrama de transiciones entre estados Transici´n a Nuevo: Se crea un nuevo proceso para ejecutar un programa o 1 Se puede llegar a perder m´s tiempo en la gesti´n del cambio de procesos que en el proceso mismo. a o http://alqua.org/libredoc/SSOO 21
  31. 31. 2 Gesti´n de procesos o pasar a ejecución Admitir PREPARADO EJECUCIÓN Fin de plazo NUEVO ocurrencia de suceso esperar un suceso TERMINADO BLOQUEO Figura 2.3: Diagrama de transiciones entre estados. La l´ ınea punteada indica situaci´n expcecional. o Transici´n Nuevo-Preparado: Esta transici´n tiene lugar cuando el SO est´ preparado o o a para aceptar o admitir un proceso m´s. Se tendr´n en cuenta las restricciones a a derivadas de la capacidad de la memoria y que no haya tantos procesos activos como para degradar el rendimiento. Transici´n Preparado-Ejecuci´n: Esta transici´n se produce cuando el SO selecciona o o o un nuevo proceso para ejecutar en funci´n de su pol´ o ıtica de planificaci´n. o Transici´n Ejecuci´n-Preparado: La raz´n m´s com´n para esta transici´n es que el o o o a u o proceso que est´ en ejecuci´n ha alcanzado el tiempo m´ximo permitido de ejea o a cuci´n ininterrumpida. Hay otras causas alternativas que no est´n implementadas o a en todos los SSOO como la expropiaci´n de un proceso en favor de otro m´s prioo a ritario. Otra situaci´n, muy extraordinaria, que origina esta transici´n es que un o o proceso ceda voluntariamente el control del procesador. Transici´n Ejecuci´n-Bloqueo: Un proceso realiza esta transici´n cuando queda a la o o o espera por la concesi´n de un determinado recurso o por la ocurrencia de un deo terminado suceso. Transici´n Bloqueado-Preparado: Tiene lugar si a un proceso bloqueado se le concede o el recurso solicitado u ocurre el suceso por el que estaba esperando. Transici´n Preparado-Terminado: Puede ocurrir si, por ejemplo, un proceso padre deo cide en un momento determinado finalizar la ejecuci´n de sus procesos hijos. Si o alguno de dichos procesos se encontraba en estado preparado realizar´ esta trana sici´n. Otra raz´n puede ser debida a un requisito de memoria que es denegado. o o Transici´n Bloqueado-Terminado: Un proceso hijo puede realizar esta transici´n por la o o misma raz´n que la anterior. Otra causa puede ser que el proceso supere el tiempo o m´ximo de espera por un recurso y el sistema operativo decida entonces terminarlo a (es la raz´n m´s habitual). o a 22 Sistemas Operativos - 0.5.0
  32. 32. 2.3 Estados de un proceso Este modelo de 5 estados puede implementarse igualmente mediante estructuras de tipo cola siguiendo un esquema como el se muestra en la figura 2.4. Entrada Cola FIFO Procesador Terminar Fin de Plazo Ocurrencia de suceso Cola de bloqueados Esperar suceso Figura 2.4: Diagrama de transiciones entre estados implementada con una cola. Ahora se dispone de dos colas, una para los procesos en situaci´n de preparado y o otra para los bloqueados. A medida que se admiten procesos nuevos en el sistema, ´stos e se sit´an en la cola de preparados. Cuando el SO tiene que escoger un proceso para u ejecutar, lo hace sacanado uno de dicha cola. En ausencia de prioridades, la referida cola puede gestionarse mediante un algoritmo FIFO. Cuando un proceso es expropiado del procesador, puede ser porque ha terminado su ejecuci´n, porque ha excedido el tiempo o m´ximo de posesi´n del procesador y entonces es devuelto a la cola de preparados a o o porque ha quedado bloqueado a la espera de un determinado suceso con lo que se introducir´ en la cola de bloquedados. Cuando tiene lugar un determinado suceso, a todos los procesos que esperaban por ´l son pasados desde la cola de bloquedados a la e de preparados. Esta ultima medida significa que cuando se produce un suceso, el SO debe recorrer toda ´ la cola de bloqueados buscando aquellos procesos que esperen por el suceso. En un SO grande puede haber una gran cantidad de procesos en la cola de bloqueados, por tanto, resultar´ m´s eficiente disponer de un conjunto de colas, una para cada suceso. En tal a a caso, cuando se produzca un evento, la lista entera de procesos en la cola correspondiente a ese suceso podr´ pasarse a estado preparado. V´ase la figura 2.5. a e Si la planificaci´n de procesos se realiza mediante un esquema basado en prioridades, o entonces es conveniente tener un cierto n´mero de colas de procesos listos, una para cada u prioridad. 2.3.3. Procesos suspendidos Debido a que el procesador es mucho m´s r´pido que los dispositivos de E/S puede a a ocurrir que en un momento dado todos los procesos del sistema se encuentren bloqueados a la espera de que se complete alguna operaci´n de E/S. Para solucionar este problema o existen dos opciones 1. Amplir la memoria del sistema de forma que sea posible albergar en ella m´s a http://alqua.org/libredoc/SSOO 23
  33. 33. 2 Gesti´n de procesos o Entrada Cola FIFO Terminar Procesador Fin de Plazo Ocurrencia de suceso 1 Cola de bloqueados por 1 Esperar suceso 1 Ocurrencia de suceso 2 Cola de bloqueados por 2 Esperar suceso 2 Ocurrencia de suceso n Cola de bloqueados por n Esperar suceso n Figura 2.5: Diagrama de transiciones entre estados con varias colas, una para cada proceso. procesos e incrementar as´ la posibilidad de que alguno de ellos haga uso efectivo ı del procesador. 2. La otra soluci´n consiste en aplicar una t´cnica conocida como intercambio o swao e ping. Esta t´cnica consiste en que cuando todos los procesos que se encuentran e en memoria principal est´n bloqueados, el SO puede sacar a uno de ellos de su a correspondiente cola y transferirlo a memoria secundaria. El proceso transferido se dice entonces que queda en estado suspendido. Una vez realizada esta operaci´n, o el SO est´ en condiciones de traer de nuevo a memoria a un proceso previamente a suspendido o bien dar entrada al sistema a un nuevo proceso. En general, se considera suspendido a un proceso que presenta las caracter´ ısticas siguientes: 1. Un proceso suspendido no est´ disponible de inmediato para su ejecuci´n. a o 2. Un proceso puede estar esperando o no un suceso. Si lo est´, la condici´n de a o bloqueado es independiente de la condici´n de suspendido y el acontecimiento del o suceso bloqueante no lo habilita para la ejecuci´n. o 3. El proceso fue situado en estado suspendido por un agente (el SO o el proceso padre) con el fin de impedir su ejecuci´n. o 4. El proceso no puede apartarse de estado hasta que llegue la orden expresa para ello. 24 Sistemas Operativos - 0.5.0
  34. 34. 2.3 Estados de un proceso Si a˜adimos este nuevo estado a nuestro diagrama de 5 estados, obtendremos la figura n 2.6. pasar a ejecución Admitir PREPARADO EJECUCIÓN Fin de plazo NUEVO ocurrencia de suceso esperar un suceso TERMINADO BLOQUEO SUSPENDIDO Figura 2.6: Diagrama de 5 estados + suspendido Teniendo en cuenta que un proceso suspendido se encontraba bloqueado a la espera de que ocurriera un cierto suceso y que dicho suceso puede ocurrir mientras el proceso permanece en memoria secundaria, ser´ m´s eficiente desdoblar el estado suspendido en ıa a dos, uno para las procesos suspendidos que a´n esperan el suceso que les bloque´ (estado u o bloqueado y suspendido) y otro para los procesos suspendidos que por haber tenido lugar se encuentran en situaci´n de proseguir su ejecuci´n (estado listo y suspendido). Para o o verlo mejor, cons´letese la figura 2.7. u Las transiciones que involucran a los nuevos estados son las siguientes: Transici´n Bloqueado y Suspendido-Preparado y Suspendido: Esta transici´n tiene o o lugar si se ha producido un suceso por el que hab´ sido bloqueado el proceso ıa suspendido. Es importante tener en cuenta que esto requiere que est´ accesible e para el SO la informaci´n relativa a los procesos suspendidos. o Transici´n Preparado y Suspendido-Preparado: Cuando no hay procesos preparao dos en memoria principal el sistema operativo tendr´ que traer de memoria secuna daria un proceso que pueda continuar su ejecuci´n. Adem´s, puede darse el caso de o a que el proceso en estado Preparado y Suspendido tenga una nueva prioridad mayor que la de los procesos en estado Preparado. En este caso se deber´ decidir entre a ejecutar el proceso de mayor prioridad con el coste consiguiente de la operaci´n o de intercambio si no hay espacio en memoria principal para todos los procesos, o bien esperar a que haya espacio suficiente en memoria principal para albergar al proceso suspendido. Transici´n Preparado-Preparado y Suspendido: Como ve´ o ıamos en la transici´n o anterior, se puede producir un intercambio entre un proceso en estado Preparado http://alqua.org/libredoc/SSOO 25
  35. 35. 2 Gesti´n de procesos o pasar a ejecución Admitir PREPARADO EJECUCIÓN Fin de plazo NUEVO ocurrencia de suceso esperar un suceso TERMINADO BLOQUEO Preparado y Suspendido Bloqueado y Suspendido Figura 2.7: Diagrama de 5 estados + 2 suspendidos (preparado y suspendido, bloqueado y suspendido) y Suspendido y otro en estado de Preparado si no hay memoria suficiente para ambos. Generalmente, el SO prefiere suspender a un proceso bloqueado en vez de a uno en estado Preparado. Sin embargo, puede ser necesario suspender a un proceso Preparado si ´sta es la unica forma de liberar un bloque lo suficientemente e ´ grande de memoria principal. Adem´s, el SO puede escoger suspender un proceso a Preparado de m´s baja prioridad en lugar de uno bloqueado de prioridad m´s alta a a si se estima que el proceso bloqueado pronto pasar´ a estado de Preparado. a Transici´n Bloqueado y Suspendido-Bloqueado: Si un proceso termina y libera o memoria principal y existe adem´s alg´n proceso en la cola de procesos Bloqueados a u y Suspendidos con mayor prioridad de la de todos los proceso que se encuentran en la cola de Preparados y Suspendidos, el SO puede entonces traer el proceso a memoria si tiene razones para suponer que va a ocurrir pronto el suceso que bloque´ al proceso. o Transici´n Ejecuci´n-Preparado y Suspendido: Generalmente, un proceso en ejecuo o ci´n pasa al estado Preparado cuando expira su fracci´n de tiempo de procesador, o o sin embargo, si se est´ expulsando al proceso porque hay otro de prioridad mayor a en la lista de Bloqueados y Suspendidos que acaba de desbloquearse, entonces el SO podr´ pasar directamente el proceso en ejecuci´n a la cola de Preparados y ıa o Suspendidos, liberando as´ espacio en la memoria principal. ı ejemplo 1 proceso de prioridad 1 en estado Bloqueado, 3 procesos de prioridad 2 en Preparado, 1 proceso en Ejecuci´n de prioridad 1 y 1 Preparado de prioridad 3. 1 o 26 Sistemas Operativos - 0.5.0
  36. 36. 2.4 Estructuras de control del sistema operativo bloqueado y suspendido de prioridad 1. los bloqueados lo dejar´n de estar pronto. a ¿qu´ transici´n tendr´ lugar? e o ıa Entre las razones m´s habituales para la suspensi´n de procesos podemos citar las sia o guientes: 1. Intercambio un proceso por otro(s): El SO necesita liberar memoria principal para cargar un proceso que est´ listo para ejecutarse. a 2. Suspensi´n de un proceso por el SO por sospechar que est´ causando alg´n tipo o a u de problema. 3. Solicitud expresa del usuario. 4. Un proceso puede ejecutarse peri´dicamente y puede ser suspendido mientras eso pera el intervalo de tiempo antes de una nueva ejecuci´n. o 5. Por una petici´n del proceso padre. o 2.4. Estructuras de control del sistema operativo El SO es el controlador de los sucesos que se producen en un sistema inform´tico y es a el responsable de planificar y expedir a los procesos para su ejecuci´n en el procesador. o El SO es quien asigna los recursos a los procesos y el que responde a las solicitudes de servicios b´sicos realizadas por los programas de usuario, esencialemte se puede considea rar al SO como una entidad que administra el uso que hacen los procesos de los recursos del sistema. A continuaci´n se tratar´n los elementos que necesita el SO para llevar a cabo sus o a labores de control de procesos y de administraci´n de recursos. o 2.4.1. Tablas de memoria, de E/S, de archivos y de procesos Si el SO va a administrar procesos y recursos, entonces tiene que disponer de informaci´n sobre el estado actual de cada proceso y de cada recurso. El m´todo universal o e para obtener esta informaci´n es sencillo. El sistema operativo construye y mantiene tao blas de informaci´n sobre cada entidad que est´ administrando. Por ejemplo, las tablas o a de memoria se utilizan para mantener el control sobre la memoria principal o real y la secundaria o virtual. Las tablas de memoria deber´n incluir la siguiente informaci´n: a o 1. Asignaci´n de memoria principal a los procesos. o 2. Asignaci´n de memoria secundaria a los procesos. o 3. Atributos de protecci´n de segmentos de memoria principal o secundaria. o 4. Informaci´n necesaria para la gesti´n de la memoria secundaria. o o http://alqua.org/libredoc/SSOO 27
  37. 37. 2 Gesti´n de procesos o Las tablas de E/S son utilizadas por el SO para administrar los dispositivos y los canales de E/S del sistema inform´tico. En un momento dado, un dispositivo de E/S puede a estar disponible o estar asignado a un proceso particular. Si hay una operaci´n de E/S o en marcha el SO necesita conocer el estado de dicha operaci´n y la posici´n de memoria o o principal que se est´ utilizando como origen o destino de la transferencia de E/S. a El SO tambi´n mantiene un conjunto de tablas de archivos, las cuales ofrecen infore maci´n sobre las propiedades de ´stos. Sobre su posici´n y distribuci´n en la memoria o e o o secundaria, su estado actual y otros atributos. Gran parte de esta informaci´n, sino toda, o ´ puede ser mantenida y utilizada por un sistema de gesti´n de archivos. Este consisitir´ o a en un m´dulo del SO bien diferenciado y su labor se ocupar´ de todas las operaciones o a necesarias para la gesti´n y tratamiento de los archivos. o Un ejemplo de estructura para la ubicaci´n de archivos es la conocida como FAT o (File Allocation Table)2 . Un ejemplo de sistema de ficheros ser´ el utilizado por el SO ıa Windows NT y conocido NTFS (NT Filesystem). Las tablas de procesos almacenan informaci´n relativa al conjunto de procesos aco tivos presentes en un instante determinado en el sistema. La informaci´n t´ o ıpicamente almacenada para cada proceso y conocida como imagen del proceso en memoria consiste en: 1. Datos de usuario: Almacena los datos con que trabaja el proceso as´ como la pila ı utilizada por ´ste. [espacio de direcciones del proceso] e 2. Programa de usuario: Contiene el c´digo objeto3 del programa que se va a ejecutar. o [espacio de direcciones del proceso] 3. Pila de sistema: Se utiliza para almacenar par´metros y direcciones de retorno. a [estructuras del sistema operativo] 4. Bloque de control de proceso: Contiene la informaci´n necesaria para que un proceo so pueda ser gestionado y controlado por el SO. [estructuras del sistema operativo] 2.4.2. Bloque de control de procesos (BCP) El SO agrupa toda la informaci´n que necesita conocer respecto a un proceso particular o en una estructura de datos denominada descriptor de proceso o bloque de control de proceso (BCP). Cada vez que se crea un proceso, el SO crea uno de estos bloques para que sirva como descripci´n en tiempo de ejecuci´n durante toda la vida del proceso o o (V´ase figura 2.8). Cuando el proceso termina, su BCP es liberado y devuelto al dep´sito e o de celdas libres del cual se extraen nuevos BCPs. 2 Consiste en una tabla enlazada que hace referencia a los sectores del disco duro asignados a un mismo fichero. FAT da problemas al fragmentarse frecuentemente lo que provoca un retardo al acceder a esos datos. Para solucionar este problema existen herramientas de desfragmentaci´n. En sistemas UNIX o se trata desde el principio m´s eficientemente esta asignaci´n y los datos almacenados apenas sufren a o fragmentaci´n. o 3 c´digo que puede ser ejecutado por una determinada arquitectura. o 28 Sistemas Operativos - 0.5.0
  38. 38. 2.4 Estructuras de control del sistema operativo SO BCPs     ¡   ¡       ¡ ¡ ¡       ¡ ¡ ¡       ¡       ¡   ¡ ¡   ¡   ¡ ¡       ¡ ¡       ¡ ¡ ¡       ¡ ¡ ¡       ¡ ¡ ¡       ¡ ¡ ¡       ¡ ¡ ¡       ¡ ¡   ¡   ¡ ¡   ¡     ¡   ¡   ¡ ¡     ¡   ¡   ¡ ¡     ¡   ¡   ¡ ¡     ¡   ¡   ¡ ¡     ¡   ¡   ¡ ¡     ¡   ¡   ¡ ¡     ¡   ¡ ¡   ¡ ¡           ¡     ¡ ¡ ¡   ¡ ¡     ¡   ¡ ¡   ¡ ¡ ¡   ¡     ¡   ¡ ¡ ¡   ¡   ¡ ¡   ¡   ¡   ¡ ¡ Figura 2.8: Dentro de la memoria asignada al SO tenemos unos bloques reservados para los BCPs de los procesos. Un proceso resultar´ conocido para el SO y, por tanto, susceptible de ser elegido para a competir por los recursos del sistema s´lo cuando existe un BCP activo asociado a ´l4 . o e El BCP es una estructura de datos5 con campos para registrar los diferentes aspectos de ejecuci´n del proceso as´ como de la utilizaci´n de los recursos. La informaci´n del BCP o ı o o se agrupa generalmente en las siguientes categor´ ıas: 1. Identificaci´n del proceso o La informaci´n correspondiente a la identificaci´n del proceso consiste en un cono o junto de identificadores que incluyen: a) El identificador del proceso (PID): Consiste en un n´mero entero asignado u por el sistema. b) El identificador del proceso padre c) La identificaci´n del usuario: Es una cadena de caracteres. o 2. Informaci´n del estado del procesador: La informaci´n relativa al estado del miso o croprocesador consta de: a) Registros visibles para el usuario: Son los registros utilizados por el proceso para almacenar datos de entrada y resultados. b) Registros de control y estado, entre los cuales de incluyen el contador de programa (PC), los regitros de c´digos de condici´n 6 , los registros con indicadores o o de habilitaci´n o inhabilitaci´n de interrupciones y el modo de ejecuci´n. o o o 4 en el modelo de 5 estados, hab´ un estado llamado Nuevo en donde el SO sab´ que exist´ un nuevo ıa ıa ıa proceso pero sin BCP ya que a´n no era candidato para asignarle recursos. u 5 El SO tiene bloques de memoria libres preparados para almacenar BCPs. 6 bits que reflejan el resultado de una operaci´n aritm´tica (bit de overflow, bit de acarreo, bit de cero, o e etc) http://alqua.org/libredoc/SSOO 29
  39. 39. 2 Gesti´n de procesos o c) Puntero a la pila del proceso: El proceso utiliza una estructura de pila para almacenar par´metros y direcciones de retorno de funciones y procedimientos a 3. Informaci´n de control y gesti´n del proceso: La informaci´n de control y gesti´n o o o o del proceso incluye: a) Informaci´n de planificaci´n y estado: esta informaci´n es necesaria para que o o o el SO lleve a cabo sus funciones de planificaci´n. Los elementos t´ o ıpicos de esta informaci´n son los siguientes o 1) Estado del proceso (ejecuci´n, preparado, etc). o 2) Prioridad de planificaci´n (se utilizar´n algoritmos de planificaci´n que o a o usar´n esta informaci´n). a o 3) Informaci´n para la planificaci´n: ´sta depende del algoritmo de planifio o e caci´n utilizado. o 4) Suceso por el que se encuentre esperando el suceso para reanudar su ejecuci´n o b) Estructuaci´n de datos: Un proceso puede estar enlazado con otros procesos o formando una cola, un anillo o alguna otra estructura. Por ejemplo; todos los procesos que se encuentran en estado preparado con un determinado nivel de prioridad pueden estar enlazado en una cola. El BCP podr´ contener entonces a punteros a otros BCPs para dar soporte a esas estructuras. c) Comunicaci´n entre procesos: en el BCP pueden ubicarse indicadores, se˜ales o n y mensajes asociados con la comunicaci´n entre los procesos independientes. o d ) Privilegios de los procesos: A los procesos se les otorgan privilegios en t´rminos e de la memoria a la que pueden acceder y los tipos de instrucciones que pueden ejecutar. Adem´s, tambi´n se pueden aplicar privilegios al uso de servicios y a e utilidades del sistema. e) Gesti´n de memoria: Esta secci´n incluye punteros a las tablas de p´gina y/o o o a segmentos que describen la memoria asignada al proceso. f ) Recursos en propiedad y utilizaci´n de los procesos: Se incluyen los recursos o controlados por el proceso tales como los ficheros abiertos por ´ste. Tambi´n e e se suele incluir un hist´rico de la utilizaci´n del procesador o de otro recurso. o o Esta informaci´n puede ser necesaria para el planificador. o 2.4.3. Estados del sistema y listas de procesos Un estado de un proceso es s´lo un componente del estado global del sistema que o incluye a todos los procesos y recursos. Para controlar la evoluci´n de todos los procesos, o el SO mantiene listas de BCPs clasificadas por el estado actual de los procesos aceptados. En general, existir´ una lista con los BCPs de todos los procesos en situaci´n de preparado a o y una lista con todos los BCPs en situaci´n de suspendido. Mediante estas listas el SO o forma colecciones de procesos en estados an´logos y ser´n examinadas por las rutinas de a a asignaci´n de recursos del SO. o 30 Sistemas Operativos - 0.5.0
  40. 40. 2.4 Estructuras de control del sistema operativo ejemplo El planificador buscar´ el siguiente proceso a ejecutar en la lista de los BCPs a de procesos preparados. El rendimiento del SO puede mejorar ordenando y actualizando estas listas de la manera m´s conveniente para las rutinas del SO que operan con ellas. Las transiciones de estado a de un proceso quedar´n reflejadas en el cambio de su BCP de una lista a otra. a 2.4.4. Conmutaci´n de procesos o Una transici´n entre dos procesos residentes en memoria en un sistema multitarea se o denomina conmutaci´n de procesos o conmutaci´n de tareas. Las principales operaciones o o implicadas en una conmutaci´n de procesos est´n resumidas en la figura 2.9. o a Espacio de memoria de usuario Espacio de memoria del SO Px (Proceso) Suceso Cambio de modo Conmutación de procesos. SO en ejecución Guardar el estado de Px en BCP(x) Actualizar el estado de Px y los datos de planificación Atención del suceso (Se consideran fuera del proceso de conmutación) Planificación del siguiente proceso a ejecutar (Py) Restaurar el estado HW de Py y sus atributos desde BCP(y) Cambio de modo Py(Proceso) Figura 2.9: Esquema de conmutaci´n de recursos o La figura se interpreta de la siguiente manera Estamos en modo usuario con un proceso Px ejecut´ndose. Ocurre un suceso. a Pasamos a modo supervisor (ejecutamos SO). • Guarda el estado del proceso interrumpido en su BCP correspondiente • Actualiza el estado de Px (en funci´n del suceso que haya tenido lugar, el o estado ser´ uno u otro) y los datos de planificaci´n (Algunos ssoo tienen a o ciertas consideraciones para recalcular estos datos de planificaci´n para un o proceso. Por ejemplo, restar prioridad a procesos largos. • Atendemos al suceso dependiendo de cada caso (no incluimos esta operaci´n o en lo que consideramos proceso de conmutaci´n) o http://alqua.org/libredoc/SSOO 31
  41. 41. 2 Gesti´n de procesos o • Planificamos cu´l va a ser el siguiente proceso a ejecutar (que podr´ ser el a ıa mismo de inicio). • Una vez elegido el nuevo proceso a ejecutar, llam´mosle Py , hay que restaurar e su estado HW y recuperamos sus atributos gracias a su BCP. Una vez elegido el nuevo proceso, realizamos un cambio de modo. La conmutaci´n de procesos es una operaci´n considerablemente m´s compleja y costosa o o a que la conmutaci´n del contexto de interrupci´n y puede ser bastante complicada en ssoo o o grandes que disponen de un mantenimiento preciso de recursos y de sofisticados esquemas de planificaci´n. Dada su complejidad y su relativamente alta frecuencia de ocurrencia, o la implementaci´n de la conmutaci´n de procesos puede afectar significativamente al o o rendimiento de un SO de multiprogramaci´n. o Es especialmente importante en sistemas donde el tiempo es un factor cr´ ıtico tales comos los sistemas en tiempo real. La eficiencia de la conmutaci´n de procesos puede ser o mejorada con ayuda del hardware y una estructura de software especial conocida como hebra o hilo. Un esquema hardware habitualmente empleado para la acelerar la conmutaci´n de o procesos es disponer de m´ltiples conjuntos estructuralmente id´nticos de registros del u e procesador. Un conjunto para el SO y otro para los procesos de usuario. Un bit dedicado en la unica copia de la palabra del estado del procesador indica el estado actual de ´ operaci´n supervisor o usuario y el conjunto de registros activos. Este m´todo reduce el o e gasto software por conmutaci´n de modo y la mayor parte del proceso de almacenamiento o del estado hardware a la ejecuci´n de unas pocas instrucciones de manipulaci´n de bits. o o Si se dispone de m´s de dos conjuntos de registros, se pueden aplicar ahorros similares a a los procesos de usuario hasta alcanzar el n´mero de conjuntos de registros disponibles. u Pregunta ¿Por qu´ la conmutaci´n de procesos es m´s costosa que la conmutaci´n del e o a o contexto de interrupci´n? o 2.4.5. Servicios del sistema operativo para la gesti´n de procesos o Aunque los ssoo suelen diferir en su filosof´ y objetivos de dise˜o sus capas del n´cleo ıa n u m´s internas muestran una gran similitud en cuanto al tipo y rango de primitivas de a gesti´n de procesos que ofrecen. Los detalles y par´metros var´ inevitablemente de un o a ıan sistema a otro, pero las funciones proporcionadas por la colecci´n total de llamadas al o SO son muy parecidas. Esto es as´ porque el concepto de proceso es com´n a todos los ı u ssoo pero cada uno los gestiona de forma distinta. El servicio de creaci´n de procesos crear(Id_proceso, atributos): En respuesta a o esta llamada el SO crea un proceso con el identificador y los atributos especificados o predeterminados por el sistema. El SO obtiene un nuevo BCP del conjunto de memoria libre, rellena sus campos con los par´metros proporcionados y/o predea terminados e inserta el BCP en la cola de procesos preparados 7 . De esta manera, 7 cuando un proceso tiene BCP ya puede ejecutarse por lo que ya estar´ en el nivel de Preparado. a 32 Sistemas Operativos - 0.5.0
  42. 42. 2.4 Estructuras de control del sistema operativo el proceso especificado podr´ ser elegido por el SO para su ejecuci´n. Algunos de a o los par´metros o atributos que pueden definirse en el momento de creaci´n de un a o proceso son los siguientes: 1. Nivel de privilegios. 2. Nivel de prioridad. 3. Tama˜o y requisitos de memoria. n 4. Informaci´n sobre acceso a memoria y derechos de acceso a dispositivos de o E/S. 5. Tama˜o m´ximo del ´rea de datos y/o de la pila. n a a El servicio de terminaci´n de procesos terminar(Id_proceso): La invocaci´n de eso o ta llamada hace que el SO destruya el proceso designado y lo suprima del sistema. El SO reacciona reclamando todos los recursos asignados al proceso especificado, cerrando los archivos abiertos por o para el proceso y efectuando otras operaciones de que pueden considerarse necesarias y que depender´n de la naturaleza del a proceso. A continuaci´n el BCP es eliminado de la lista en que resida y devuelto o al conjunto de posiciones libres. Un proceso puede eliminarse a s´ mismo pero no ı puede crearse a s´ mismo. Un proceso podr´ eliminar a otro siempre y cuando tenga ı a privilegios para ello. El servicio para abortar un proceso abortar(Id_proceso): Esta orden supone la terminaci´n forzosa de un proceso. El SO efect´a generalmente muchas de las o u acciones que conlleva la orden terminar. Habitualmente se proporciona un volcado de registros y memoria junto con la informaci´n relativa a la identidad del proceso o que se aborta y la raz´n de la acci´n. El uso m´s frecuente de esta orden es para o o a terminaciones involuntarias. ejemplo en MS Windows NT se produce una operaci´n inv´lida y el SO lo aborta. o a Aparece una ventana detalles en donde se ofrece un volcado del registro y memoria. El servicio dividir/unir fork()/join(): La operaci´n dividir fork() se utiliza para o dividir una sencuencia de instrucciones en dos secuencias que se ejecutan concurrentemente. Se crea as´ un nuevo proceso (proceso hijo) que ejecuta una rama ı del c´digo dividido mientras el proceso padre contin´a ejecutando la otra. Esta o u llamada proporciona al proceso padre el identificador del proceso hijo y lo utiliza para asignarle una rama de c´digo. La operaci´n unir join() se utiliza para reunir o o las dos secuencias de c´digos divididos y puede ser empleada por un proceso padre o para sincronizarse con un proceso hijo. ejemplo Esto se utiliz´ mucho en servidores de ficheros. Existe un proceso llamado o listener que se mantiene a la escucha. Cuando recibe la petici´n de un cliente o (identificado por una direcci´n IP, etc). Listener realiza un fork() y al nuevo o http://alqua.org/libredoc/SSOO 33
  43. 43. 2 Gesti´n de procesos o proceso le proporciona la direcci´n IP del cliente mientras el proceso Padre o sigue a la escucha. El servicio para bloquear un proceso bloquear(Id_proceso): Como respuesta a esta llamada, el proceso designado queda bloqueado idefinidamente y pasa a este estado. Un proceso puede bloquearse a s´ mismo o puede bloquear a otro proceso cuando ı est´ autorizado para ello en virtud de su nivel de privilegio, prioridad o pertenencia a a una familia. Servicio para reanudar un proceso reanudar(Id_proceso): Esta llamada al sistema saca un proceso del estado de bloqueo impuesto por la llamada anterior, el BCP del proceso pasa a la lista de preparados. Un proceso no puede reanudarse a s´ ı mismo si est´ en estado de bloqueo indefinido, por lo que si se encuentra en a esta situaci´n no podr´ continuar hasta que sea reanudado. o a Servicio para retardar un proceso retardar(Id_proceso, tiempo): Esta orden es conocida en bastantes ssoo como sleep y bloquea a un proceso durante un tiempo igual al especificado. Servicio para leer los atributos de un proceso leer_Atributos(Id_proceso,atributos): Esta llamada vuelca en la estructura suministrada el conjunto de atributos del proceso. Servicio para modificar la prioridad de un proceso modificar_Prioridad(Id_proceso, nuevo_valor_prioridad): Esta llamada al sistema establece como nueva prioridad del proceso la especificada por par´metros. a 34 Sistemas Operativos - 0.5.0
  44. 44. 3 Planificaci´n de procesos o 3.1. Concepto y criterios de planificaci´n o La planificaci´n hace referencia a un conjunto de pol´ o ıticas y mecanismos incorporados al SO que gobiernan el orden en que se ejecutan los trabajos que deben ser completados por el sistema inform´tico. Un planificador es un m´dulo del SO que selecciona el sia o guiente trabajo a admitir en el sistema y el siguiente proceso que tomar´ el control sobre a el procesador. El objetivo primario de la planificaci´n es optimizar el rendimiento del o sistema de acuerdo con los criterios considerados m´s importantes por los dise˜adores a n del mismo. Entre las medidas de rendimiento y los criterios de optimizaci´n m´s habituales que o a los planificadores utilizan para llevar a cabo su labor se encuentran los siguientes: 3.1.1. Utilizaci´n del procesador: o La utilizaci´n del procesador es la fracci´n de tiempo promedio durante la cual el o o procesador est´ ocupado, es decir, la fracci´n de tiempo durante la cual el procesador se a o encuentra activo ejecutando alg´n proceso, bien de usuario, bien del propio SO. Con esta u interpretaci´n, la utilizaci´n del procesador puede ser medida con relativa facilidad, por o o ejemplo mediante un proceso nulo especial1 que se ejecute cuando ning´n otro proceso u pueda hacerlo. Una alternativa es considerar unicamente la operaci´n en modo usuario ´ o y, por tanto, excluir el tiempo empleado para el SO2 . En cualquier caso, el objetivo es mantener al procesador ocupado tanto tiempo como sea posible. De esta forma, se conseguir´ que los factores de utilizaci´n de los restantes a o componentes tambi´n sean elevados obteni´ndose con ello buenas medidas de rendimiene e to. 3.1.2. Productividad La produtividad se refiere a la cantidad de trabajo completada por unidad de tiempo. Un modo de expresarla es defini´ndola como el n´mero de trabajos de usuario ejecutados e u por una unidad de tiempo. Cuanto mayor sea este n´mero, m´s trabajo aparentemente u a est´ siendo ejecutado por el sistema. a 1 en MINIX existe un proceso llamado idle: idle(){ for(;;); } 2 Podr´ ıamos decir que el tiempo de uso real del procesador es el tiempo total de uso menos el tiempo que se estuvo ejecutando la instrucci´n idle(). o 35

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