Sistemas de Computación2007-1

Cecilia Hernández

chernand@inf.udec.cl

Que veremos hoy?

Detalles del curso Aspectos importantes acerca SOs Qué es un SO (Sistema Operativo)? Contenidos Objetivos Tendencias

Detalles del curso

Sitio web: http://www.inf.udec.cl/~sc Bibliografía

Silberschatz, Galvin, Gagne, "Operating System Concepts", 5th y 6th edition, John Wiley & Sons, Inc (2003)

Silberschatz, Galvin, Gagne, "Operating System Concepts with Java", 6th edition, John Wiley & Sons, Inc (2004)

Andrew Tanenbaum, “Sistemas Operativos Modernos”, Primera Edición, Prentice Hall. 1993.

Deitel H. M. “Sistemas Operativos”. Segunda Edición, Addison Wesley Iberoamericana. 1993.

Bovet Daniel P., Sesati Marco, “Understanding the Linux Kernel” (2nd Edition). O'Reilly Media, Inc. 2002

Andrew Tanenbaum, “Sistemas Operativos Distribuidos”, Primera Edición, Prentice Hall. 1995

Evaluación

2 Certámenes Aprox. 6 Proyectos Participación

Nota Presentación: 0.85*prom certs + 0.15*prom proyectos

Si Nota Presentación < 4

Nota Final = Nota Presentación*0.65 + Examen*0.3 + Nota Participación*0.05

Else

Nota Final = 0.65*prom certs + 0.3*prom proyectos + Nota Participación*0.05

Reglas del Juego

Trabajos en grupos de 2 o 3 personas. Penalidad por atraso, 10% por día, sábado y

domingo incluídos No asistencia a certamen/proyecto/tarea debe ser

avalado con certificado médico La no entrega de tarea o proyecto tiene como

consecuencia calidad de NCR La copia de un certamen/proyecto/tarea es causal

de 1 para los involucrados

Aspectos importantes acerca SO

SO: Componente básico de un sistema computacional moderno Magia para la mayoría de las personas

SO: ejemplo de sistema complejo Muy grande, muy caro de construir

• Windows NT, XP: por ~10 años, más de 1000 personas involucradas.

Cómo manejar complejidad? Abstracción, modularidad, proceso iterativo Int main() { cout<<“ Hola Mundo”<<endl;}

• Requiere ejecución de muchas líneas de código, no visible a programador.

Qué es un SO?

SO : software entre Hardware y aplicaciones Proporciona abstracción del hardware Proporciona protección Permite utilizar hardware de millones de

maneras

emacs

SO

Hardware

g++ Aplicación/Firefox

Objetivos de la clase

Perspectiva de los Sistemas Operativos Como usuario/programador, como desarrollar

aplicaciones Como diseñar/implementar un Sistema Operativo

Aspectos a aprender en esta clase Cuáles son las partes de un sistema operativo Componentes de SO y su interacción Cuáles son las interfaces importantes Cuáles son las características/requerimientos de un

sistema operativo (se compromenten y varían en el tiempo)

Políticas y mecanismos Cuáles son los algoritmos típicos utilizados

Programa Tentativo

Aspectos Generales e Historia Administración de Procesos Administración de Memoria Sistemas de Entrada/Salida Sistemas de Archivos Protección y Seguridad Inroducción a Sistemas Distribuidos

Sistemas Operativos Qué es ?

Administrador de recursos• Abstracción• Desempeño• Protección

Soporte usuario/programador• Abstracción

• Normalmente viene con conjunto de utilitarios

Todo el software que el usuario no escribió que le permite escribir aplicaciones

• No completamente, programador utiliza editores, compiladores y bibliotecas que no son parte de SO, pero muchas veces vienen con instalaciones estandar

Definición de Sistema Operativo

Como administrador de recursos Nivel de software que maneja y controla los recursos

computacionales y periféricos por el usuario.

• Abstracción de complejidad del hardware. • Sistema operativo abstrae hardware en recursos lógicos

• CPU -> Procesos, Hebras• Memoria -> Memoria virtual, paginación• Disco -> Archivos• Tarjetas de Red -> sockets

• Control en la ejecución de procesos, protección usuarios, etc.

Como apoyo en el desarrollo de aplicaciones Set de utilitarios y ambientes que ayudan al usuario a crear

aplicaciones• Shells, sistemas gráficos, etc

Estructura Lógica de un Sistema Operativo

Servicios para Aplicaciones

Servicios independientesdel Hardware

Servicios dependientesdel Hardware

Shells Ambientes gráficos Utilitarios

Administraciónde Procesos

TCP/IP

SistemasArchivos

Drivers

Administraciónde Memoria

Interrupciones, Memoria física, TLB, CPUs, dispositivos

Control de acceso

Beneficios usando SO Para programadores desarrollando aplicaciones

Facilidades para programar• Es mejor usar archivos a tener que lidiar con el disco

directamente Portabilidad (configuración entre máquinas y arquitecturas)

Para usuarios Seguridad

• Sistema operativo proteje procesos (espacios de memoria independientes). De usuarios, usuario/kernel

Justicia• Sistema operativo regula que todos los procesos tengan su

oportinidad de ejecución Eficiencia

• Muchos usuarios pueden compartir un Computador• Muchos procesos se ejecutan concurrentemente

Características/requerimientos de un SO

Estructura. Como organizar componentes de SO Compartir. Como los usuarios comparten los recursos Nombres. Como los usuarios o programas nombran los

recursos Protección. Como los usuarios/programas se protejen entre

ellos (usuario/usuario, programa/programa) Seguridad. Como se proteje el sistema de ataques. Como

se mantiene la integridad del sistema y sus recursos. Rendimiento. Como mejorarlo (por qué es lento?) Confiabilidad. Y en caso de falla (programa o hardware),

que ocurre?

Características/requerimientos de un SO

Extensibilidad. Como podemos incorporar nuevas características

Comunicación. Como los usuarios se comunican con otros usuarios en diferentes computadores

Concurrencia. Como son creadas y controladas las actividades concurrentes/paralelas

Escalabilidad. Como reacciona el sistema cuando la carga de trabajo o recursos aumentan

Persistencia. Como hacer que los datos perduren en el tiempo.

Características/requerimientos de un SO

Distribución. Como múltiple computadores interectuan entre sí.

Contraloría o Monitoreo. Como se lleva la cuenta del uso de recursos. En sistemas comerciales, como cobrar en función de algunos índices (uso disco, velocidad de conexión, tiempo ejecución, etc)

Por qué deben estudiar SO en su carrera?

Construir, modificar o administrar un SO o alguno de sus componentes Tomando en cuenta el hardware sobre el cual se ejecutan

• Mayor discusión más adelante. Entender el desempeño de un SO

Comportamiento de SO afecta toda el sistema y usuarios que la usan

Constituye un desafío para entender sistemas complejos Midiendo y optimizando desempeño del sistema

Aplicación en otras áreas Ingeniería de software (diseño e implementación de aplicaciones),

usando recursos y abstracciones disponibles Desarrollo en la construcción de algoritmos

Más avanzados Proponiedo cambios en técnicas, algoritmos que maximicen

la facilidad de configuración y utilización, uso de recursos, proposiciones en cambio de arquitectura, construcción de compiladores, mejoras en protección y seguridad, etc

Evolución de SOs

Con el inicio de los computadores digitales Computadores eran compartidos por programadores

quienes manipulaban hw y escribían su propio código para acceso a dispositivos y recopilación de resultados (ejecuciones exitosas o fallidas)

Posteriormente operador realizada trabajo de cargar y recopilar info en disposivos correspondientes

Inicios Inicio de compartición. Bibliotecas y manejadores de

dispositivos Sistema operativo era una biblioteca que se linkeaba

en un programa. Programa se cargaba completamente en memoria y se ejecutaba.

Básicamente el sistema operativo era una biblioteca run-time

Evolución de SOs

Sistemas batch Sistema operativo estaba almacenado en una porción de

la memoria Cargaba trabajo a ejecutar a memoria usando un lector de

tarjeta Ejecutaba trabajo e imprimía resultado, contenido de

memoria y registros para depuración Cargaba próximo trabajo Tarjetas de control especificaban al computador que

hacer. Operadores ordenaban trabajos con requerimientos

similares en grupos (batches) y los ejecutaban Con este enfoque la CPU pasaba mucho tiempo ociosa

• Diferencias entre dispositivos I/O, mecánicos mucho más lento que electrónicos

• Gap entre velocidad de CPU y dispositivos siempre muy grande

Evolución de SOs

Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On-Line) Con la invensión de Discos más rápidos que lectores

de tarjeta y acceso a dispositivos de salida como impresoras

Sobreponer lectura/escritura a dispositivos de E/S mientras se ejecuta proceso en CPU

Spool : buffer que mantiene info de entrada o salida de un dispositivo

Leer de dispositivos de entrada a disco Escribir de dispositivos de salida a disco Usar CPU mientras se lee y escribe a disco Grupo de trabajos pueden ser leídos a disco

• Sistema operativo elige trabajo a ejecutar (planificación)

Sin embargo, CPU aun sigue ociosa por mucho tiempo cuando programa interactua con periférico

Evolución de SOs

Sistemas Multiprogramados Para aumentar la utilización del sistema Mantiene varios programas cargados en memoria

simultáneamente• Protección es importante

Mientras un programa espera por I/O otro puede estar ejecutándose

beneficios por el uso de dispositivos I/O asincrónicos• necesita saber cuando el disposito termina

• interrupciones• polling

Objetivo es optimizar throughput (#trabajos/tiempo) aunque castiga tiempo de respuesta

Evolución de SOs

Sistemas de Tiempo Compartido Para soportar uso interactivo

• En un principio un servidor para varios terminales Cada usuario cree que el sistema esta dedicado a él Tiempo de respuesta es preferido a throughput Sistema operativo divide el tiempo de CPU entre los

usuarios• Procesos se ejecutan por un pequeño periodo de

tiempo o hasta que requieran I/O, entonces el próximo proceso en la lista entra en ejecución

Usuarios pueden ejecutar procesos interactivos, como editores, depuradores, etc

Primer sistema: MULTICS ( ~ 1960) Protección es importante

Sistemas actuales

Sistemas de Escritorio Maximización de utilización de CPU no es tan

importante como lo es facilidad de uso para el usuario

• Sistemas gráficos (ventanas, menus, etc) Seguridad es un aspecto importante, sobretodo ahora

que la mayoría de los computadores modernos están conectados en red

Estaciones de trabajo, son básicamente computadores para ser usados por usuarios, pero poseen hw más poderoso, como buenas tarjetas gráficas y CPUs

Actualmente computadores de escritorio están incluyendo la tecnología multicore

Sistemas actuales

Sistemas Distribuidos Sistemas que facilitan el uso de recursos distribuidos

geográficamente Computadores conectados en red (LAN, WAN) Soportan comunicación entre trabajos (procesos) Permite la compartición de recursos (hardware, software)

• balance de carga, autentificación y control de acceso

Permite algo de paralelismo, pero no es el objetivo principal Algunos modelos que se usan en el desarrollo de

aplicaciones distribuidas• Sistemas Peer to Peer

• Servidores y clientes. No hay distinción entre el cliente y el servidor, ambos actúan como los dos. Se conocen como peers

• Sistemas Cliente/servidor• Clientes envian requerimientos que servidores procesan y

responden a clientes.

• SO distribuidos• Proporcionan ilusión que existe un solo SO que controla recursos

distribuidos en red.

Sistemas actuales

Sistemas basados en clusters Compuestos por dos o más sistemas individuales

acoplados Definición general : computadores comparten

almacenamiento y están conectados mediante una LAN con alto ancho de banda

Tipos• Asimétricos: uno es el principal y otro monitorea principal y

pasa a ser el principal en caso de falla• Simétricos: dos o más computadores ejecutan las aplicaciones

y se monitorean entre ellas Sistemas basados en Multiprocesadores

Mejoran productividad, confiabilidad Comúnmente utilizados en aplicaciones científicas Computadores paralelos

• SMPs (Symmetric Multi-Processors)• MPPs (Massively Parallel Processors)• NOWs (Networks Of Workstations)• Grid Computacional

• Incluye clusters y almacemamiento distribuido geográficamente

Sistemas actuales

Sistemas incrustados CPUs baratas presentes en muchos artículos Celulares, PDAs, juegos, iPods

Sistemas Handheld PDAs (Personal Digital Assistants) Limitados por tamaño

• CPU lenta comparada con PC• si no requeriría una batería grande

• Pequeña memoria• La mayoría no implementan memoria virtual

Usan tecnología como BlueTooth e infrarojo para comunicarse con otros PDAs y PCs

Comunicación inalámbrica ahora también esta accesible para PDAs

Sistemas actuales

Sistemas de tiempo real Especialmente diseñados con restricciones de tiempo

importantes Deben responder a eventos que ocurren con alta precisión

de tiempo• Sistemas computacionales de emergencia• Control de tráfico aéreo• Se agrupan de acuerdo a los requerimientos en tiempos de

respuesta

• Tipos• Duros: Con restricciones de tiempo importantes. Algunas

características avanzadas de SOs no se encuentran, por ejemplo, memoria virtual normalmente no es implementada. Se usan en sistemas de control industrial y robótica.

• Suaves: Menos restrictivo sólo requiere que procesos no esperen indifinidamente y tengan prioridad sobre otros.

Tendencias en SOs

Mejoras tecnológicas avanzan rápidamente

Código de SOs tiende a cambiar mucho más lentamente que Hardware

Construcción de sistemas se extiende mucho más allá que el SO

Citas famosas

“I think there is a world market for maybe five computers” Thomas Watson, IBM, 1943

“There is no reason for any individual to have a computer in their home” Ken Olson, Digital, 1977

“640K ought to be enough for anybody” Bill Gates, 1981

Citas famosas

Scientists from RAND Corporation have created this model to illustrate how a "home computer" could look in the year 2004. However the needed technology will not be economically feasible for the average home. Also the scientists readily admit that the computer will require not yet invented technology to actually work, but 50 years from now scientific progress is expected to solve these problems. With teletype interface and the Fortran language, the computer will be easy to use and only

Tendencia en Desempeño de CPU

Desempeño de CPU paró de doblarse cada 18 meses en el 2002

Fuente: David Patterson

Ley de Moore

Continúa mejorando la cantidad de transistores por chip

Por qué desempeño crece a menor pendiente?

Según la ley de Moore, es posible conseguir más transistores por chip

Problema con CPUs Diseño de chips se está haciendo más

complejo Tiempos de comunicación se hacen más

importantes Ruido en los circuitos pasa a ser un factor

importante Problemas para seguir aumentando la

velocidad del reloj (uso de energía y disipación de calor)

• Tecnologías multicore permiten aumentar desempeño a costo de velocidad de reloj

Qué ofrece las empresa ahora?

Qué pasa con la Educación en Computación?

“Given this sea change, how much of the curriculum and what fraction of the CS faculty is oblivious to concurrency? How many algorithms, data structures, languages, compilers, debuggers, operating systems, books, and lectures must change to match the transformation in underlying technology if they are to remain relevant in the 21st century?”David Patterson -- Computer Science Education in the 21st Century Aparece en Communications of the ACM : Documento completo aparece en http://www.inf.udec.cl/~chernand/sc/2007-1/links/p27-patterson.h

Desafío en computación paralela

Cómo podemos obtener una aceleración de N en un multiprocesador de N procesadores? Software debe ser paralelizable

Métricas para medir aceleración? Latencia: Tiempo para completar una tarea

(tambien puede referirse a tiempo de respuesta)

Throghput (productividad): Razón a la cual tareas son completadas

Un ejemplo de la vida diaria

Problema: Producir cachorros Se puede paralelizar el problema?

Latencia : No se puede mejorar• Cada perrita no puede parir en una

semana• Latencia 2 meses

Productividad : Si • 10 perritas pueden producir un cachorro

por mes• Productividad : 10/mes

Un ejemplo del área

Qué será más importante para una empresa que vende por internet Ser capaz de manejar más clientes? Hacer que cada transacción se realice

más rápido?

Paralelismo en teoría

Ley de Amdahl: Predice desempeño total en base a una mejora local. En una máquina paralela mejora dada por el

número de CPUs• N : número de procesadores• F : Factor que no se puede mejorar, en este caso

fracción de computación secuencial• Que significa F = 0 ???

F + (1 - F) / N

1S =

Ejemplo: Ley de Amdahl

10.7

(1 0.7)S

N

=- +

Programa ocupa el 70% del tiempo ejecutandocódigo fácilmente paralelizable, y un 30%en código completamente secuencial (no paralelizable).

¿Cúal es la aceleración al ejecutar este programaen un computador paralelo con 2, 3, 4 y 5 CPUs?

¿Cuál es la máxima aceleración posible de alcanzar a través de paralelismo?

3.32.32.11.851.54S

inf.5432N

Evaluación en la práctica

Predecir desempeño es difícil porque hay muchas formas de paralelismo Múltiple procesadores

• SMP (Symmetric multiprocessors) Procesadores multicore Procesadores multithreaded Clusters

Ejecución de software permite evaluar experimentalmente

Soporte de la arquitectura para el Sistema Operativo

En parte el sistema operativo está sujeto a la arquitectura que lo soporta Lista de instrucciones de la CPU (s) Controladores como MMU y DMA

Arquitectura construida para soportar SO Reloj Intrucción Test and Set (para sincronización atómica) Protección de memoria Operaciones de control I/O Interrupciones y excepciones

• Diferencia entre ellas?

Protección en SO

Objetivos Evitar que sistema se caiga producto de una

aplicación con errores Evitar que una aplicación/usuario maliciosa(o)

tome el control del sistema (seguridad) Proteger datos de usuarios de usuarios y

aplicaciones no confiables

Ideas utilizadas en protección

Apropiación: entregar a usuarios y aplicaciones lo que puede quitar Tiempo CPU (uso de reloj de sistema)

Interposición: Llevar cuenta de lo que aplicación está usando. En cada acceso verificar acceso es legal Estructuras de datos usadas en SO para ello

Modo protegido/no protegido Aplicaciones usuarios ejecutadas en modo no protegido SO ejecutadas en modo protegido

• Operaciones de seguridad sólo permitidas en modo protegido

Como sabe el procesador que una instrucción protegida debe ser ejecutada?

• Arquitectura debe soportar modo kernel y modo usuario

Intrucciones Protegidas

Algunas instrucciones son de uso exclusivo del SO Directamente accesar dispositivos I/O (discos,

tarjetas de red) Manipulación de administración de memoria

• punteros a tablas de página, carga a TLBs, etc

Manipulación de bits de modo• nivel de interrupción de prioridades

Cruce de modo usuario a kernel Código usuario debe llamar un procedimiento del SO SO define una secuencia de llamados a sistema

Arquitectura y SO

Frontera entre aplicaciones usuario y sistema (kernel) Permite a SO ejecutar instrucciones protegidas Aplicaciones entran a modo kernel ejecutando

llamadas a sistema

Llamadas a sistema

Transición de modo usuario a modo kernel Hay una intrucción de llamado a sistema que

• Causa una excepción (a través de una interrupción software) que direcciona a un handler del kernel

• Pasa un parámetro indicando el llamado a sistema que debe invocar

• Guarda el estado del que llama (caller) (registros, bit de modo) para ser restaurados al terminar

• SO verifica los parámetros (punteros) del que llama (caller)

• Debe retornar al modo usuario cuando termine

Ilustración de la transición de modo usuario a kernel

Modo usuario

Modo kernel

Applicaciónusuario (llamado a sistema req)

Llamadoa sistemaAlmacenaestado app

Manejadorllamadas sistema

EjecutaLlamadasistema

Restableceestado app, retorna modousuariocontinuaejecución

Preguntas

Qué pasaría si el SO no salvara el estado de las aplicaciones antes de ejecutar un llamado a sistema?

Por qué el sistema debe verificar parámetros en los llamados a sistema?

Qué pasaría si una aplicación de usuario modificara el vector de interrupciones del sistema?

Cómo el sistema evita que una aplicación lea directamente del disco en lugar de pasar por las verificaciones de control de acceso del sistema de archivos?

Protección de Memoria

Problema1. SO debe protejer programas unos de otros. Programas de diferentes usuarios. Malintencionados

o no.• Solución: Memoria Virtual, donde cada aplicación tiene

su propio espacio de direccionamiento, el cual se mapea a memoria física a medida que la aplicación lo requiera

Problema2. Kernel debe proteger sus programas y datos Solución: Dividir el espacio de direccionamiento en

la mitad• La que corresponde al kernel requiere modo de acceso

priviligiado TLBs y registro para puntero a tabla de páginas

proporcionados por HW

Espacio de direccionamiento en linux

Operación de SO

Sistema computacional compuesto por CPU y controladores de dispositivos incluyendo memoria. Cada tipo de dispositivo tiene asociado un

controlador. Controladores funcionan en base a eventos.

Antes de SO. Programa inicial para empezar (bootstrap program) (en ROM). Inicializa todos los aspectos del sistema, Registros de

CPU, controladores de dispositivos, contenido de memoria

Debe cargar SO en memoria para ejecutarlo. SO empieza ejecución con algún programa como init

(Unix) y luego espera por la ocurrencia de eventos.

Operación de SO

Una vez que el kernel esta en ejecución cualquier entrada al kernel ocurre mediante un evento. Eventos detienen ejecución actual cambia modo a modo kernel. SO llama a manejador de

eventos Kernel define manejadores para cada tipo de evento

La arquitectura define los tipos (ejemplos, reloj, interrupciones I/O)

Cuando el procesador recibe un evento de un tipo• transfiere el control al manejador de eventos en el SO

• manejador salva estado de proceso actual

• manejador llama a la rutina que atiende evento• manejador restaura estado del proceso

Interrupciones y Excepciones

Eventos en el sistema ocurren a través de interrupciones y excepciones Excepciones. Causadas por ejecución de

intrucciones de SW• x86 assembly: instrucción “int”• falta de página: intento de escribir en una página

con permisos de lectura solamente Interrupciones. Causadas por dispositivos HW

• reloj (ha pasado el tiempo programado)• dispositivo termina con I/O (click on mouse, o

termino copia de bloque a disco, etc)• llega un paquete de red

Estructura I/O

Secuencia en una operación de I/O SO ejecuta intrucciones especiales de I/O o I/O

mapeada a memoria CPU carga datos en registros de controlador de

dispositivo Controlador de dispositivo examina datos y determina

que acción tomar 2 posibilidades de acción una vez que empieza I/O

• sincrónica (espera término I/O)

• asincrónica (control transferido a proceso de usuario mientras I/O termina)

I/O asincrónica (más eficiente uso de recursos)• dispositivo realiza una operación asincrónica a la CPU

Estructura I/O

Dispositivo envía una interrupción a través del bus cuando termina

En memoria hay una tabla que contiene la lista de direcciones de kernel de rutinas para manejar varios tipos de interrupciones

CPU se cambia a la dirección indicada por el vector mediante la señal de interrupción

Relojes

Como controla el SO que un proceso se acapare la CPU? Reloj que genera una interrupción

periódicamente Antes de ejecutar un proceso, el SO carga el

reloj con un tiempo para que luego de expirado se genere una interrupción (quantum)

Cuando el quantum expira el control es transferido al SO para la ejecución del siguiente proceso (planificación de procesos)

Sincronización

Interrupciones pueden ocurrir en cualquier momento proceso a ejecutarse puede interferir con proceso que

esta siendo ejecutado SO debe poder sincronizar procesos concurrentes

sanamente Sincronización

debe permitir la ejecución de set de instrucciones que lean-modifiquen-escriban atomicamente (sin ser interrumpida)

una forma: desabilitando interrumpciones (arquitectura debe soportarlo). No aceptable en un sistema multiprocesador

otra forma: teniendo una intrucción atómica special que conste de estas tres operaciones (test-and-set)

Preguntas

Qué pasaría si el SO no salvara el estado de las aplicaciones antes de ejecutar un llamado a sistema?

Por qué el sistema debe verificar parámetros en los llamados a sistema?

Qué pasaría si una aplicación de usuario modificara el vector de interrupciones del sistema?

Cómo el sistema evita que una aplicación lea directamente del disco en lugar de pasar por las verificaciones de control de acceso del sistema de archivos?