(Gp:) Monitor Residente
(Gp:) Area de programa de usuario (Gp:) Intérprete del Lenguaje de control (Gp:) MONITOR RESIDENTE (Gp:) Secuenciador de Jobs (Gp:) Controladores de Dispositivos (Gp:) Tratamiento de Interrupciones (Gp:) Límite
Evolución Historica de los Sistemas Operativos
(Gp:) Sistemas de Multiprogramación. Monitor residente comienza a llamarse Sistema Operativo. Asignación de tiempo de ejecución por ráfagas de CPU. Una ráfaga es un período de tiempo de uso de CPU y limitado por tiempos de espera. Este debe decidir qué jobs hace avanzar, tratando de maximizar el rendimiento del computador. Esto se conoce como job scheduling. Se introducen los primeros esquemas de administración de memoria con particiones y espacio de direcciones lógicos. Ventajas: CPU se mantiene mayor tiempo ocupado. Desventajas: Ausencia de protección entre jobs (en primeras versiones). Hardware y S.O. Son más complejos. Ejemplos: IBM Systen/360, OS/370.
Evolución (3): década 1960_1970 Evolución Historica de los Sistemas Operativos
Sistemas Multiprogramados El Spooling mantiene una estructura de datos con todos los jobs listos para ser ejecutados en un área de disco.
Esta estructura permite seleccionar cualquier job del conjunto. Con esta estructura es posible mejorar la utilización de la CPU.
La selección de un job para su ejecución de un conjunto Se denomina itineración de job La itineración de jobs permite la mutiprogramación. La multiprogramación aumenta la utilización de la CPU al organizar los jobs de manera tal que la CPU siempre tenga algún job que ejecutar. Para esto se mantienen los jobs en memoria principal. El S.O. Selecciona un job, lo ejecuta y cuando el job debe esperar por E/S, se selecciona otro job
(Gp:) Multiprogramación con dos programas (Gp:) running (Gp:) running (Gp:) wait (Gp:) running (Gp:) running (Gp:) wait
(Gp:) running (Gp:) running (Gp:) wait (Gp:) running (Gp:) running
(Gp:) running (Gp:) running (Gp:) wait (Gp:) Ráfaga de CPU
Monoprogramación Evolución Historica de los Sistemas Operativos
(Gp:) Diagrama de Estados de un Proceso
(Gp:) Idle (Creación) (Gp:) Zombie (Gp:) Running (Corriendo) (Gp:) Ready (Listo) (Gp:) Waiting (Esperando) (Gp:) Dispached (Gp:) Bloqued (Read, Write, etc.) (Gp:) Wake-up (despierta) (Gp:) Asigna Memoria, crea PCB, asigna identificación (Gp:) Exit (Gp:) fork()
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(Gp:) PCB (Process Control Block) o Descriptor de Proceso
(Gp:) Registros CPU (Gp:) PC (Gp:) *nextPCB (Gp:) Información administración de memoria (Gp:) Información administración de E/S
(Gp:) En Linux, esta estructura de datos se denomina task_struct.
Evolución Historica de los Sistemas Operativos
Sistemas de Tiempo Compartido (Time Sharing). Los sistemas batch multiprogramados permiten usar recursos eficientemente, pero los usuarios no pueden interactuar con sus aplicaciones. El tiempo compartido (time sharing) o multitarea es una extensión de la multiprogramación. La CPU ejecuta múltiples jobs, pero la conmutación de un job a otro ocurre con una frecuencia tal que los usuarios piensan que interactúan con el programa mientras éste corre Trabajo interactivo con el computador a través de terminales. Nace el concepto de Proceso. Asignación de tiempo de CPU por tajadas de tiempo. Ya no se habla de tiempo de despacho de un job, sino que tiempo de respuesta. Núcleos monolíticos. Todas las funciones y servicios del sistema operativo están dentro del núcleo. Espacio de direcciones virtuales para cada proceso, utilizando mecanismos de segmentación o paginación. Sistemas Operativos: Unix, VAX/VMS, AS/400. Ventaja: Aumento en la productividad de los programadores. Desventaja: El procesador es un cuello de botella. Evolución (4): década 1970 Evolución Historica de los Sistemas Operativos
(Gp:) Diagrama de Estados de un Proceso (2)
(Gp:) Idle (Creación) (Gp:) Zombie
(Gp:) Running (Corriendo) (Gp:) Ready (Listo) (Gp:) Waiting (Esperando) (Gp:) Dispached (Gp:) Bloqued (Read, Write, etc.) (Gp:) Wake-up (despierta) (Gp:) Asigna Memoria, crea PCB, asigna identificación (Gp:) Time-out (fin tajada o
quantum) (Gp:) Exit (Gp:) fork()
Evolución Historica de los Sistemas Operativos
(Gp:) Computadores Personales. Fines de los años ´70. Aparece el microprocesador. Sistema Monousuario. Sistemas Operativos: CP/M, MS-DOS, Macintosh, OS/2, Windows. Problema: Dificultad para compartir recursos.
Evolución (5) Evolución Historica de los Sistemas Operativos
1980’s. Redes Evolución Historica de los Sistemas Operativos Estaciones de Trabajo: (Sun, Vax, Silicon Graphics).
Redes de Area Local (Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM), Redes de larga distancia (Arpanet).
Redes organizadas como clientes–servidores.
Servicios de S.O. Protocolos de comunicación, encripcion de datos, seguridad, consistencia en datos distribuidos
Sistemas Distribuidos – distribuyen el cómputo entre varios procesadores geográficamente dispersos.
Sistemas debilmente acoplados – cada procesador tiene su propia memoria local y el procesador se comunica con los demas procesadores mediante lineas de comunicación, buses de alta velocidad y lineas telefónicas.
Ventajas: Compartición de recursos Incremento en la velocidad de cómputo compartición de carga Confiabilidad Comunicación 1980’s. Sistemas Distribuidos Evolución Historica de los Sistemas Operativos
1980-1990`s. Sistemas Paralelos Sistemas paralelos – sistemas de múltiples procesadores con mas de 1 procesador con comunicación entre ellos.
Sistema fuertemente acoplado – los procesadores comparten memoria y reloj; la comunicación usualmente se realiza mediante memoria compartida.
Ventajas: Incremento de throughput Economica Incremento en la confiabilidad Evolución Historica de los Sistemas Operativos
Computo Paralelo (Teraflops).
PC’s poderosas (1.5 GigaHertz) , Computadoras Multimedia.
Redes de Comunicación de distancia mundial, con envio de imágenes, grandes cantidades de datos, audio y video.
Notebooks utilizando tecnologias de comunicación inalambrica: Computo Mobil.
Computo Embebido y Robotica. Evolución Historica de los Sistemas Operativos 1990`s-2000.
A menudo utilizados como dispositivo de control en aplicaciones dedicadas, como control de experimentos científicos, sistemas de procesamiento de imagenes médicas, sistemas de control industrial, etc…
Exige complimiento de restricciones de tiempos.
Sistemas de tiempo real criticos. Cumplimiento forzoso de plazos de respuesta. Predecibilidad y analisis de cumplimineto de plazos de respuesta
Sistemas de tiempo real acríticos. Exigencia “suave” de plazos de respuesta. Atención lo mas rapido posible a eventos, en promedio.
Ejemplos: – Sistemas de Control Industrial – Monitoreo médico – Control de encendido de motores – Sistemas de defensa • El procesamiento se debe hacer con restricciones de tiempo. En caso contrario se producen fallas
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Funciones del sistema operativo • Gestor de recursos (cpu, memoria, …) – Asignación y recuperación de recursos – Protección de los usuarios – Contabilidad/monitorización • Máquina extendida (servicios) – Ejecución de programas (procesos) – Órdenes de E/S – Operaciones sobre archivos – Detección y tratamiento de errores • Interfaz de usuario – Shell
Niveles del sistema operativo La capa de servicios o llamadas al sistema ofrece a los programas unos servicios en forma de una interfaz de programación o API (application programming interface). Desde el punto de vista de los programas, esta capa extiende la funcionalidad de la computadora, por lo que se suele decir que el sistema operativo ofrece una máquina virtual extendida a los programas. La capa de intérprete de comandos o shell suministra una interfaz a través de la cual el usuario puede dialogar de forma interactiva con la computadora. El shell recibe los comandos u órdenes del usuario, los interpreta y, si puede, los ejecuta. Dado que el shell suele ejecutar en nivel de usuario núcleo (kernel) es la que gestiona los recursos hardware del sistema y la que suministra otra la funcionalidad básica del sistema operativo. Esta capa ha de ejecutar en modo núcleo, mientras que las otras pueden ejecutar en niveles menos permisivos.
Componentes y Estructura del SO Gestión de procesos. Encargada de la creación, planificación y destrucción de procesos. Gestión de memoria. Componente encargada de saber qué partes de memoria están libres y cuáles ocupadas, así como de la asignación y liberación de memoria según la necesiten los procesos. Gestión de la E/S. Se ocupa de facilitar el manejo de los dispositivos periféricos. Gestión de archivos y directorios. Se encarga del manejo de archivos y directorios y de la administración del almacenamiento secundario. Comunicación y sincronización en los procesos. Encargada de ofrecer mecanismos los procesos puedan comunicase y sincronizarse. Seguridad y protección. Este componente debe encargarse de garantizar la seguridad de los usuarios y de definir lo que pueden hacer cada uno de ellos con los recursos del sistema.
Clasificación de los Sistemas Operativos Por su Estructura Interna:
Estructura Modular (Monolítica): el SO se escribe como una colección de procedimientos.
Estructura Microkernel: las funciones principales son controladas por el núcleo (kernel) mientras que la interfaz del usuario es controlada por el entorno shell.
Clasificación de los Sistemas Operativos Por la forma en que ofrecen sus servicios:
SO por Lotes: Los trabajos se reunían por grupos o lotes. Cuando el trabajo estaba en ejecución, este tenia el control absoluto de la maquina. Al terminar cada trabajo, el control era devuelto al SO.
SO de Tiempo Compartido: Permite que varios programas de usuario se encuentren al mismo tiempo en la memoria principal, y el procesador es alternado rápidamente de un trabajo a otro.
SO de Tiempo Real: Procesan las instrucciones recibidas al instante, y una vez que han sido procesadas muestra el resultado. Su característica principal es dar respuestas inmediatas. Generalmente se utilizan en procesos industriales o de control.
Clasificación de los Sistemas Operativos Por la forma en que ofrecen sus servicios: SO de Red: Son aquellos sistemas que mantienen dos o mas computadoras unidades a través de algún medio de comunicación (físico o no), con el fin de poder compartir los distintos recursos y la información del sistema SO Distribuidos: Colección de sistemas autónomos capaces de comunicación y cooperación mediante interconexiones hardware y software. Proporcionan abstracción de maquina virtual a los usuarios. Permiten distribuir trabajos, tareas o procesos entre un conjunto de procesadores, el cual pueden encontrarse en un equipo o en distintos equipos.
Clasificación de los Sistemas Operativos Sistemas Operativos por Servicios: Por el numero de Usuarios: Monousuarios: Sistemas que atienden a una única tarea de usuario. Multiusuarios: Se emplean en redes y cumplen simultáneamente las necesidades de dos o mas usuarios, que comparten unos mismos recursos Por el numero de Tareas: Monotareas: Solo pueden manejar un proceso en cada momento, es decir ejecutan las tareas una a una. Multitareas: Pueden procesar varias tareas al mismo tiempo. Por el Numero de Procesadores: Uniproceso: Se mantiene un solo procesador Multiproceso: Pueden manejar varios procesadores a la vez, compartiendo la misma memoria y reloj Simétricos: Una CPU principal retiene el control global de la computadora, así como la de los procesadores. Asimétricos : No existe una CPU controladora única. Cada procesador tiene asignado una tarea especifica.
Estructura del sistema operativo En función de esta estructura se pueden agrupar los sistemas operativos en dos grandes grupos: sistemas operativos monolíticos y sistemas operativos estructurados. Sistemas operativos monolíticos Un sistema operativo de este tipo no tiene una estructura clara y bien definida. Todos sus componentes se encuentran integrados en un único programa (el sistema operativo) que ejecuta en un único espacio de direcciones. En este tipo de sistemas todas las funciones que ofrece el sistema operativo se ejecuta en un modo núcleo. Estos sistemas operativos han surgido, normalmente, de sistemas operativos sencillos y pequeños a los que se les ha ido añadiendo un número mayor de funcionalidades. Esto les ha hecho evolucionar y crece hasta convertirlos en programas grandes y complejos formados por muchas funciones situadas todas ellas en un mismo nivel. Ejemplos claros de este tipo de sistemas son MS-DOS y UNIX El problema que plantean este tipo de sistemas radica en lo complicado que es modificar el sistema operativo para añadir nuevas funcionalidades y servicios. En efecto, añadir una nueva característica al sistema operativo implica la modificación de un gran programa, compuesto por miles de líneas de código fuente y funciones, cada una de las cuales puede invocar a otras cuando así lo requiera.
Estructura del sistema operativo Estructura simple Sistemas monousuarios con funcionalidad básica (e.g. computadores personales antiguos) No existen protecciones ni multiprogramación Cualquier falla de programación hace caer al sistema Actividad asincrónica se maneja a través derutinas activadas por interrupción (difícil programar) MS-DOS – escrito para proveer la mayor funcionalidad en el menor espacio No tiene módulos Aunque MS-DOS tiene algo de estructura, sus interfaces y niveles de funcionalidad no están bien separados
Estructura del sistema operativo UNIX – limitado por funcionalidad del hardware, el SO UNIX original tenía una estructura limitada, con dos partes separadas Programas del sistema El kernel Todo abajo de la interfaz de llamadas al sistema y arriba del hardware Provee: sistema de archivos, CPU scheduling, manejo de memoria y otras operaciones del SO. Un gran número de funciones para una capa.
Estructura del sistema operativo Sistemas operativos estructurados Cuando se quiere dotar de estructura a un sistema operativo, normalmente se recurre a dos tipos de soluciones: sistemas por capas y sistemas cliente– Servidor. Sistemas por capas En un sistema por capas, el sistema operativo se organiza como una jerarquía de capas, donde cada capa ofrece una interfaz clara y bien definida a la capa superior y solamente utiliza los servicios que le ofrece la capa inferior. La principal ventaja que ofrece este tipo de estructuras es la modularidad y la ocultación de la información. Una capa no necesita conocer como se ha implementado la capa sobre la que se construye, únicamente necesita conocer la interfaz que ofrece. Esto facilita enormemente la depuración y verificación del sistema, puesto que las capas se pueden ir construyendo y depurando por separado.
Estructura del sistema operativo (Gp:) El operador (Gp:) 5 (Gp:) Programas del usuario (Gp:) Control de entrada/salida (Gp:) 4 (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 1 (Gp:) Administración de la memoria y el disco (Gp:) Asignación procesador y multiprogramación (Gp:) 0 (Gp:) Comunicación operador-proceso
Sistemas Operativo THE OS/2
Estructura del sistema operativo Modelo cliente-servidor o micronúcleo En este tipo de modelo, el enfoque consiste en implementar la mayor parte de los servicios y funciones del sistema operativo en procesos de usuario, dejando solo una pequeña parte del sistema operativo ejecutando en modo núcleo. A esta parte se le denomina micronúcleo y a los procesos que ejecutan el resto de funciones se les denomina servidores. No hay una definición clara de las funciones que debe llevar a cabo un micronúcleo. La mayoría incluyen la gestión de interrupciones, gestión básica de procesos y de memoria y servicios básicos de comunicación entre procesos. Para solicitar un servicio en este tipo de sistemas, como por ejemplo crear un proceso, el proceso de usuario (proceso denominado cliente) solicita el servicio al servidor del sistema operativo correspondiente, en este caso al servidor de procesos. A su vez, el proceso servidor puede requerir los servicios de otros servidores, como es el caso del servidor de memoria. En este caso, el servidor de procesos se convierte en cliente del servidor de memoria.
Estructura del sistema operativo Modelo cliente-servidor o micronúcleo continuacion… Beneficios: Más fácil de extender un microkernel Más fácil portar el SO a otras arquitecturas Más confiable (menos código se ejecuta en modo kernel) Más seguro Problemas: Sobrecarga de comunicación entre los espacios de usuario y kernel
Ejemplos: windows NT, mac OS
Estructura del sistema operativo Windows NT Estructura de Mac OS X
Estructura del sistema operativo
Estructura del sistema operativo http://www.makelinux.net/kernel_map
Estructura del sistema operativo Módulos La mayoría de los SO modernos implementan módulos de kernel Enfoque orientado a objetos Cada componente base está separado Cada uno habla con los otros a través de interfaces comunes Cada uno puede cargarse (al kernel) conforme se necesita En general, similar a las capas, pero más flexible
Estructura del sistema operativo Enfoque modular en Solaris
Estructura del sistema operativo Máquinas virtuales Una máquina virtual lleva el enfoque de capas a su conclusión lógica. Trata el hardware y el kernel del SO como si fueran hardware ambos Una máquina virtual ofrece una interfaz idéntica para cualquier hardware que esté abajo El sistema operativo crea la ilusión de múltiples procesos, cada uno ejecutando en su propio procesador con su propia memoria (virtual) Los recursos de la computadora física se comparten para crear las máquinas virtuales CPU scheduling produce la ilusión de que los usuarios tienen su propio procesador Colas (spooling) y el sistema de archivos pueden ofrecer lectores de tarjetas e impresoras virtuales Una terminal de usuario en un sistema de tiempo compartido, sirve como la máquina virtual de la consola del operador
Estructura del sistema operativo Máquinas virtuales cont…
El concepto de máquinas virtuales provee protección completa de los recursos del sistema, ya que cada máquina virtual está aislada de las demás. Sin embargo, por el aislamiento no pueden compartir recursos directamente. Una máquina virtual es un excelente vehículo para hacer investigación en SO. El desarrollo se lleva a cabo en la máquina virtual, sin afectar la operación normal del sistema. El concepto de máquina virtual es difícil de implementar debido al gran esfuerzo de proveer un duplicado exacto de la máquina.
Estructura del sistema operativo Ejemplos de maquinas Virtuales
IBM VM: ofrecía a cada usuario su propia máquina virtual no multiprogramada; las m.v. se planificaban con tiempo compartido. Java: los programas compilados en Java corren sobre una máquina virtual (JVM). VMware: capaz de ejecutar al mismo tiempo varias sesiones windows, Linux, Mac OS X, etc. sobre plataforma PC o Mac. Nachos: S.O. que se ejecuta en una máquina virtual MIPS, cuyo emulador corre sobre Unix.
Estructura del sistema operativo Ejemplo Maquina Virtual Máquina no virtual Máquina virtual
Estructura del sistema operativo Arquitectura de VMware
Estructura del sistema operativo La máquina virtual Java
Estructura del sistema operativo Portabilidad de Java en varias plataformas
Estructura del sistema operativo Ambiente de desarrollo Java
Estructura del sistema operativo Sistemas Operativos basados en JAVA JavaOS: proyecto abandonado por SUN (reemplavado por las API de JME). Jnode.– Máquina Virtual y Sistema Operativo http://www.jnode.org/ Jx.– Kernel mas AWT http://www4.informatik.uni-erlangen.de/Projects/JX/
Estructura del sistema operativo jnode
Estructura del sistema operativo JX
Estructura del sistema operativo El sistema operativo JX
Núcleo del sistema operativo Proporciona la funcionalidad básica del SO Es la parte más dependiente del hw de todo el SO Suele permanecer en el almacenamiento primario porque su código se ejecuta muy frecuentemente proporciona una serie de servicios a las capas superiores del sistema. | NUCLEO Proceso S.O. Procesos usuario Hardware
Núcleo del sistema operativo Funciones básicas del núcleo Proporcionar el entorno adecuado para la existencia de procesos Tratamiento de interrupciones Conmutación del procesador entre procesos (soporte al diagrama de estados) Mecanismos básicos de comunicación y sincronización entre procesos Carga inicial y activación de la configuración del sistema
Núcleo del sistema operativo Tratamiento de interrupciones: El núcleo transforma las interrupciones en eventos de más alto nivel (p. ej. mensajes) El núcleo determina qué proceso espera una interrupción y el envía un mensaje Cuando el hardware detecta una interrupción, el control se transfiere a este módulo, el cual analiza el carácter de la interrupción y toma las acciones apropiadas: Transferir el control a otro módulo del S. O. Iniciar otro programa Continuar la ejecución del programa interrumpido
Núcleo del sistema operativo Conmutación de CPU entre procesos Los procesos de usuario pasan por varios estados durante su tiempo de vida en el sistema El núcleo proporciona los mecanismos de conmutación de la CPU entre procesos El núcleo transfiere el control al programa que el planificador ha determinado para que sea el próximo en ejecutarse. La comunicación entre programas se logra manteniendo una cola de mensajes en espera para cada uno de los programas activos. El núcleo recibe los mensajes y los va almacenando en la cola apropiada al destino en cuestión, para distribuirlos cuando el programa destino se active.
Núcleo del sistema operativo
Núcleo del sistema operativo Comunicación y sincronización entre procesos El núcleo proporciona mecanismos para que los procesos puedan intercambiar información y sincronizarse Mecanismos: Señales Semáforos Mensajes RPCs (remote procedure calls)
Arranque de la Computadora: ¿Cómo cargar el núcleo?
Arranque de la Computadora: ¿Cómo cargar el núcleo? El RESET carga valores predefinidos en los registros Contador de Programa < – dirección de arranque del cargador ROM Se ejecuta el cargador ROM del sistema Test del sistema para detectar su caracteristicas (ej. mem. Ppal. Disponible o los periféricos instalados) Trae a memoria el boot del SO
En el caso de la computadora de tipo PC la ROM contiene, además del programa iniciador, software de E/S denominado (BIOS)
Arranque de la Computadora: ¿Cómo cargar el núcleo? El SO está almacenado en el disco
Arranque de la Computadora: ¿Cómo cargar el núcleo? El cargador ROM carga el sector de boot del SO y le da control El boot del SO carga el SO residente y da control al programa de arranque del SO, que: Comprueba el hardware Comprueba el sistema deArchivos Establece las tablas del SO Crea procesos (según el tipo de SO) Proceso INIT Procesos o tareas del sistema (demonios) Procesos de login (uno por terminal) Tras la autenticación, el proceso login se convierte en shell
Administrar permisos Cada contenedor y objeto de la red tiene asignada información de control de acceso. Esta información se denomina descriptor de seguridad y controla el tipo de acceso permitido a usuarios y grupos. Los permisos se definen en el descriptor de seguridad de un objeto. Se asocian o asignan a usuarios y grupos específicos.
Cuando se es miembro de un grupo de seguridad que está asociado a un objeto, se tiene cierta capacidad para administrar los permisos de ese objeto. En el caso de los objetos que se poseen, el control es total. Puede utilizar distintos métodos, como Servicios de dominio de Active Directory (AD DS), Directiva de grupo o listas de control de acceso, para administrar distintos tipos de objetos
Permisos y descriptores de seguridad Cada contenedor y objeto de la red tiene información de control de acceso adjunta. Esta información se denomina descriptor de seguridad y controla el tipo de acceso permitido a usuarios y grupos. El descriptor de seguridad se crea automáticamente junto con el contenedor u objeto que se crea. Un ejemplo típico de objeto con un descriptor de seguridad es un archivo.
Los permisos se definen en el descriptor de seguridad de un objeto. Se asocian o asignan a usuarios y grupos específicos. Por ejemplo, para el archivo Temp.dat, el grupo de cuentas predefinidas de administrador podría tener asignados permisos para leer, escribir y eliminar, mientras que el grupo de operadores de copia de seguridad sólo permisos para leer y escribir.
Cada asignación de permisos a un usuario o grupo se representa en el sistema como una entrada de control de acceso (ACE). Al conjunto completo de entradas de permiso de un descriptor de seguridad se le denomina conjunto de permisos o lista de control de acceso (ACL). De esta forma, para un archivo denominado Temp.dat, el conjunto de permisos incluye dos entradas de permiso: una para el grupo de cuentas predefinidas de administrador y otra para el grupo de operadores de copia de seguridad.
Permisos de archivos y carpetas En la siguiente tabla se muestran las limitaciones de acceso para cada conjunto de permisos NTFS especiales.
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