Sistemas Operativos I

Tema 1

Introducción a los sistemasoperativos

Objetivos

1. Presentar el concepto de sistema operativo.2. Describir las funciones que debe llevar a cabo cualquier sistema

operativo actual.3. Dar una visión general de la historia de los sistemas operativos que

ayudará a entender cuándo y por qué se introdujeron estas funciones en el sistema.

Un Sistema Operativo es un programa que actúa como intermediario entre el usuario y el hardware de una computadora.

Propósito: Es ofrecer un ambiente en el que un usuario pueda ejecutar programas.Objetivos:Comodidad: Facilitar el uso de la máquina a los usuarios, proporcionando un entorno cómodo para el desarrollo yejecución de programas y para el acceso a los recursos de la máquina.Eficiencia: El s.o. debe administrar los recursos (hardware y software) de la máquina de forma que se aprovechen de la manera más conveniente.

SISTEMA OPERATIVO

Cómo funciona un Sistema Operativo

Los sistemas operativos proporcionan una plataforma de software encima de la cual otros programas, llamados aplicaciones, puedan funcionar. Las aplicaciones se programan para que funcionen encima de un sistema operativo particular, por tanto, la elección del sistema operativo determina en gran medida las aplicaciones que puedes utilizar.

Cómo se utiliza un Sistema Operativo

Un usuario normalmente interactúa con el sistema operativo a través de un sistema de comandos, por ejemplo, el sistema operativo DOS contiene comandos como copiar y pegar para copiar y pegar archivos respectivamente. Los comandos son aceptados y ejecutados por una parte del sistema operativo llamada procesador de comandos o intérprete de la línea de comandos. Las interfaces gráficas permiten que utilices los comandos señalando y clickeando objetos que aparecen en la pantalla.

            

COMPONENTES DE UN SISTEMA COMPUTACIONALUn sistema de computo puede dividirse en cuatro componentes:

El sistema operativo controla y coordina el uso del hardware entre los diversos programas de aplicación para los diversos usuarios

Proporcionan los recursos básicos de computo

Definen las formas en que estos recursos se utilizan para resolver problemas de computo de los usuarios

GESTIONA RECURSOS

Veamos que el S.O es un asignador de recursos (hardware y software) que se requieren para resolver un problema : tiempo de CPU, espacio de memoria, espacio de almacenamiento para archivos, dispositivos de E/S etc. El S.O actúa como un administrador de recursos y los asigna a programas y usuarios específicos según sea necesario para la realización de tareas.

HISTORIA DE LOS SISTEMAS OPERATIVOSGeneración Cero (década de 1940)Los primeros sistemas computacionales no poseían sistemas operativos. Los usuarios tenían completo acceso al lenguaje de la maquina. Todas las instrucciones eran codificadas a mano.

Primera Generación (década de 1950) SISTEMAS POR LOTES

Las computadoras eran fisicamente enormes máquinas que se operaban desde una consola. Los dispositivos de entrada comunes eran los lectores de tarjetas y unidades de cinta. Los dispositivos de salida eran impresoras de línea, unidades de cinta y perforadoras de tarjeta. El usuario no interactuaba con el computador, mas bien preparaba el trabajo que consistía en el programa, los datos y la información de control y lo entregaba al operador de la máquina. En algún momento posterior (minutos, horas o días)aparecía la salida que era el resultado del programa así como un vaciado de la memoria y los registros en caso de errores en el programa.

El S.O era bien simple , su tarea era transferir automáticamente el control de un trabajo al siguiente. El sistema operativo siempre estaba residente en memoria.Para acelerar el procesamiento los operadores los agrupaban en lotes los trabajos con necesidades similares y los ejecutaban en la Pc como un grupo

Segunda Generación (a mitad de la década de 1960)La característica de los sistemas operativos fue el desarrollo de los sistemas compartidos o mutitarea con multiprogramación, y los principios del multiprocesamiento. Un Sistema operativo de tiempo compartido permite a varios usuarios compartir la computadora simultáneamente. Debido a que cada acción o comando en un sistema de tiempo compartido tiende a ser corta, se necesita un poco de tiempo de CPU para cada usuario. Como el sistema cambia rápido de un usuario al siguiente , el usuario tiene la impresión de que todo el sistema de computo está dedicado a el .Un S.O de tiempo compartido hace uso de la planificación de la CPU y la multiprogramación para proporcionar a cada usuario una pequeña porción de una computadora.

La gestión por parte del SO se centra en el concepto de proceso.Un proceso es un programa en el que se ha iniciado su ejecución.Por lo tanto un programa es un ente pasivo mientras que un proceso es un ente activo.

RESUMENLos sistemas operativos se han desarrollado en los últimos 40 años por dos razones principales:

1. Planificar las actividades computacionales y lograr un buen desempeño del sistema en si.2. Proporcionar un ambiente adecuado para el desarrollo y ejecución de programas.

Los sistemas por lotes permitieron la ejecución secuencial automática de trabajos mediante un S.O residente, la computadora ya no tenia que esperar mas la operación humana, sin embargo la utilización de la CPU todavía era reducida, debido a la baja velocidad de los dispositivos de E/S.Para mejorar el desempeño global del sistema de computo, se introdujo la multiprogramación, que permitía que varios trabajos se mantengan en memoria. La CPU se conmuta entre ellos para incrementar la ocupación del procesador.

La multiprogramación se desarrolló para mejorar el rendimiento, también posibilita el tiempo compartido, estos sistemas permiten que los usuarios utilicen al mismo tiempo un sistema de computo de manera interactiva.

Los Pc son menos costosas que los mainframes , las computadoras personales se han beneficiado del desarrollo de los Sistemas Operativos para equipos grandes , sin embargo, debido a que un usuario puede usar en exclusivo una computadora, La utilización de la CPU ya no es una preocupación principal y por lo tanto el diseño y consideraciones que se toman para sistemas operativos mainframes no son apropiados para sistemas pequeños.

RESUMENLos sistemas paralelos tienen mas de una CPU en estrecha comunicación los mismas que comparten memoria, bus y dispositivos de E/S. Estos sistemas utilizan el multiprocesamiento simétrico en el que cada procesador ejecuta una copia idéntica del S.O y además se le asigna una tarea específica y todos los procesadores están al mismo nivel.En otro esquema un procesador llamado maestro controla el sistema, los restantes procesadores solicitan instrucciones , esta relación define una relación maestro-esclavo.Los sistemas paralelos proporcionan un mayor rendimiento y una mejor confiabilidad.

Un sistema operativo estricto de tiempo real controla una aplicación dedicada y tiene restricciones de tiempo fijas y bien definidas, esto implica que el procesamiento debe realizarse dentro de estas restricciones, o de lo contrario el sistema fallará.

La Influencia del Internet ha impulsado el desarrollo de sistemas operativos modernos que incluyen navegadores y software para redes y comunicación como características integrales .

Se ha visto que avance lógico de los Sistemas Operativos impulsado por la inclusión de características de hardware de la CPU Esta tendencia se puede ver hoy en la evolución delas PC en donde se está mejorando un hardware de bajo precio de manera suficiente para permitir, a su vez, características mejoradas.

ARQUITECTURA DE UN COMPUTADOR

Todo PC tiene, como parte fundamental de su arquitectura, al menos un procesador. En su interior se encuentran una serie de elementos básicos tales como registros (capaces de almacenar pequeñas cantidades de información), unidad aritmético-lógica o UAL (capaz de realizar simples operaciones aritméticas), unidad de control, etc. Este procesador se comunica con el resto del ordenador a través de lo que denominaremos el bus del sistema.

La comunicación entre el procesador y el resto del equipo se puede dividir a su vez en dos categorías: la conexión con la memoria (también llamada memoria principal o memoria RAM), y la conexión con los dispositivos de entrada salida (E/S). El circuito representado en esta figura por el nombre Puente E/S es el encargado de separar los datos de estas categorías. La conexión con la memoria RAM se realiza a través del bus de memoria. Esta memoria es capaz de almacenar información mientras el equipo esté encendido. Al apagar el equipo, los datos almacenados en este dispositivo se pierden, por este motivo, también se le conoce como memoria volátil.

Los datos dirigidos a los dispositivos de entrada/salida se envían a través del bus de entrada/salida (o bus E/S). Este bus se utiliza para conectar todos los dispositivos auxiliares que necesita el ordenador para su funcionamiento. Dichos dispositivos no se conectan directamente el bus, sino a un circuito encargado de gestionar su comunicación denominado “controlador”.

Una de las características que ha contribuido a que esta arquitectura haya alcanzado un nivel tan alto de popularidad es la posibilidad de conectar de forma sencilla dispositivos adicionales. El bus de entrada/salida está preparado para conectar más dispositivos y así dotar al Pc de mayor capacidad. De esta forma, el Pc se puede completar con una impresora, un scanner, discos duros adicionales, lector/grabador de DVDs, etc. La mayoría de estos dispositivos se conectan al Pc a través de conectores específicamente incluidos a tal efecto (tal es el caso de la conexión de una impresora al puerto paralelo) o a través de las clavijas de expansión.

FUNCIONES

Las funciones clásicas en un sistemas Operativo se agrupan en tres categorías:1. Gestión de los recursos de la computadora2. Ejecución de los servicios para los programas3. Ejecución de los mandatos de los usuarios

El S.O está formado por tres capas.Núcleo (kernel) Que es la que gestiona los recursos de hardware del sistema y la que suministra la funcionalidad básica del sistemas operativo.Servicios o llamadas al Sistema Ofrece a los programas unos servicios en forma de interfaz API , desde el punto de vista de los programas , esta capa extiende la funcionalidad de la computadora , por lo que se dice que el S.O ofrece una máquina virtual extendida a los programas.Interprete de Comandos Shell Suministra una interfaz a través de la cual el usuario puede dialogar de forma interactiva con la computadora. Esta capa recibe los mandatos de usuario, los interpreta y, si puede los ejecuta .

FUNCIONES DEL SISTEMA OPERATIVO

1.- Gestor de recursos: En un computador los programas en ejecución deben compartir los recursos disponibles que sonlimitados (CPU, memoria, dispositivos de E/S, etc.). El s.o.establece la política que determina a quién, cuándo, cuánto tiempo y la cantidad de recurso que asigna.

EL S.O. COMO GESTOR DE RECURSOS

ASIGNACIÓN DE RECURSOS Para este propósito debe mantener estructuras que le permitan saber que recursos están libres y cuáles están asignados a cada programa. La asignación se realiza según la disponibilidad de los mismos y la prioridad de los programas.También hace la recuperación de recursos cuando ya no son necesitados. Una mala recuperación puede hacer que el sistema operativo considere por ejemplo que ya no le quede memoria disponible cuando en realidad si la tiene.

Protección Ha de garantizar la protección entre los usuarios del sistema, para esto impide que algunos programas accedan a los recursos asignados a otros programas.

Contabilidad Mide la cantidad de recursos que, a lo largo de su ejecución utiliza cada programa. De esta forma se puede conocer la carga de utilización que tiene cada recursos y se puede imputar a cada usuario los recursos que ha utilizado.

2.- Máquina extendida: Los recursos hardware son difíciles de manejar y programar (especialmente la E/S). El s.o. debe ocultar la complejidad del hardware y proporcionar una interfaz sencilla de utilizar.

FUNCIONES DEL SISTEMA OPERATIVO

El S.O ofrece a los programas un conjuntos de servicios o llamadas del sistema que pueden solicitar cuando lo necesiten, proporcionando a los programas una visión de máquina extendida..Los servicios se pueden agrupar en 4 clases:

1. Ejecución de programas..- Existen servicios para lanzar la ejecución asi como para pararla y abortarla, también existen servicios para conocer y modificar las condiciones de ejecución, para sincronizar comunicar unos programas con otros.La ejecución de programas da lugar al concepto de proceso, que puede ser definido como un programa en ejecución. Para que un programa pueda ser convertirse en un proceso ha de estar traducido a código de máquina y almacenado en un dispositivo de almacenamiento.

Es importante diferenciar entre proceso y programa:• Programa: Lista de instrucciones. Ente pasivo. Se almacena en ficheros.• Proceso: Ejecución de un programa. Ente activo. La ejecución de un programa requiere que éste se

cargue, previamente, en memoria.

EL SISTEMA OPERATIVO COMO MAQUINA EXTENDIDA

EL SISTEMA OPERATIVO COMO MAQUINA EXTENDIDA

2. Ordenes de E/S.- Estos servicios ofrecen una gran comodidad y protección al proveer a los programas de operaciones de lectura, escritura y modificación del estado de los periféricos. Las operaciones de E/S son complejas y dependiente del hardware específico del periférico.

3. Operaciones sobre archivos.- Los archivos ofrecen un mayor nivel de abstracción que las ordenes de E/S permitiendo operaciones como creación, borrado, renombrado, apertura, escritura y lectura de archivos.

4. Detección y tratamiento de errores.- Además de analizar todas las ordenes que recibe, para comprobar que se pueden realizar, el S.O se encarga de tratar todas las condiciones de error que detecte el hardware. Entre las condiciones de error d que pueden aparecer podemos mencionar los siguientes:

a) Errores en las operaciones de E/Sb) Errores de paridad en los accesos a memoria o en los busesc) Errores de ejecución en los programas como desbordamientos, violaciones de memoria,

códigos de instrucción prohibidas, etc.

EL SISTEMA OPERATIVO COMO INTERFAZ DE USUARIO

Cuando un usuario introduce una orden en un ordenador, ésta es captada por el intérprete de comandos (shell). El intérprete se encarga de traducir o descomponer la orden en llamadas al sistema.El Shell se comporta como un bucle infinito que está repitiendo constantemente la siguiente secuencia:• Espera una orden del usuario. En el caso de interfaz textual el shell está pendiente de lo que escribe el usuario.

En las interfaces gráficas está pendiente de los eventos del apuntador (mouse).• Analiza la orden y, en caso de ser correcta la ejecuta para lo cual emplea los servicios del S.O.

Casi todos los interpretes de ordenes pueden ejecutar archivos de mandatos llamados shell scripts , estos archivos incluyen varios mandatos totalmente equivalentes a los mandatos que se introducen en le terminal. Además para realizar funciones complejas pueden incluir mandatos especiales de control de flujo de ejecución como por ej, el goto, for e el if .

ARRANQUE DE LA COMPUTADORAEl arranque de una computadora tiene 2 fases: la de arranque hardware y la del sistema operativo.

Arranque Hardware Las computadoras antiguas tenían una serie de conmutadoras que permitían introducir una a una palabras en la memoria principal en los registros. El usuario debía introducir a mano y en binario un primer programa que permitiese cargar otros programas almacenados en algún soporte, como la cinta de papel.

En la figura podemos observar que una parte del mapa de memoria está construido con memoria ROM no volátil en esta se encuentra un programa de arranque está siempre disponible le, puesto que la ROM no pierde su contenido. Lo que le llamaremos Iniciador ROMAl encender la computadora o presionar RESET se genera una señal eléctrica para cargar valores predefinidos en los registros, esta señal carga en el CP (contador de programa) la dirección de comienzo del iniciador ROM

FUNCIONES DEL INICIADOR ROM1. Hacer una comprobación del sistema que sirve para detectar sus características, memoria, dispositivos

conectados, etc, una vez pasada la comprobación entra a la fase de:2. Lectura y almacenamiento en memoria del programa cargador del S.O3. Da el control a este programa, bifurcando a la dirección de memoria en la que lo ha almacenado.

Nota.- Para tener una mayor flexibilidad se hace que el Iniciador Rom sea independiente del sistema operativo

ARRANQUE DEL SISTEMA OPERATIVO

Boot del sistema que está almacenado en una en una zona predefinida del disco

El programa cargador del S.O tiene por misión traer a memoria principal algunos de los componentes del Sistema Operativo. Una vez en memoria se pasa a la fase de iniciación que incluye las siguientes operaciones: :• Comprobación del Sistema Completamiento del hardware realizados por el ………… y se comprueba que el sistema

de archivos tengan coherencia.• Se establece las estructuras de información propias del S.O tales como tablas de procesos, tablas de memoria y las

de E/S• Se carga a memoria aquella parte del S.O que ha de estar siempre en memoria , a la que se le denomina Sistema

Operativo Residente• Se crea un proceso de inicio o LOGIN para cada terminal definido en el sistema.

COMPONENTES Y ESTRUCTURA DE UN SISTEMA OPERATIVO

El Núcleo es el que interacciona directamente con el hardware, las funciones de este se centran en la gestión de recursos como el procesador, tratamiento de interrupciones y las funciones básicas del manipulación de memoria.Los Servicios se suelen agrupar de acuerdo a su funcionalidad:Gestión de Procesos.- Encargada de la creación, planificación y destrucción de procesosGestión de Memoria.- Encargada de saber que partes de memoria están libres y cuales ocupadas, así como la asignación y liberación según la necesiten los recursos.Gestión de E/S.- Facilitar el uso de los dispositivos periféricosGestión de Archivos.- Manejo de archivos y directorios y de la administración del almacenamiento secundarioComunicación y Sincronización entre procesos.- Encargada de ofrecer mecanismos para que los procesos puedan comunicarse y sincronizarse.Seguridad y Protección.- Se encargará de garantizar la identidad de los usuarios y de definir lo que pueden hacer cada uno de ellos con los recursos del sistema.

interfaz de servicios en la que los programas deben elegir con cual quieren ejecutar

ESTRUCTURA DEL SISTEMA OPERATIVOSISTEMAS OPERATIVOS MONOLITICOS

No tienen una estructura bien clara definida , todos sus componentes se encuentran integrados en un único programa que ejecuta en un único espacio de direcciones , todas las funciones que ofrece el sistema operativo se ejecutan en modo núcleo.El problema que plantean es en lo complicado que es modificar el S.O para añadir nuevas funcionalidades y servicios, lo que 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 otra cuando así lo requiera.

SISTEMAS OPERATIVOS ESTRUCTURADOS

Capa 5 Programa de usuario

Capa 4 Gestión de la E/S

Capa 3 Controlador de consola

Capa 2 Gestión de memoria

Capa 1 Planif. CPU y multiprogramac.

Capa 0 Hardware

El S.O 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.Su principal ventaja es la modularidad y la ocultación de la información , la capa superior no necesita conocer como se ha implementado la capa anterior, solo conoce la interfaz que ofrece, lo que facilita que las capas se pueden ir construyendo y depurando por separado

CLIENTE SERVIDOR

Este tipo de modelo consiste en implementar la mayor parte de los servicios y funciones del S.O en procesos de usuario, dejando solo una pequeña parte del sistema operativo ejecutando en modo núcleo conocido a esto como micro núcleo y a los procesos que ejecutan el resto de funciones se les denomina Servidores

La gran ventaja de este modelo es la gran flexibilidad que presenta. Cada proceso servidor solo se ocupa de una funcionalidad concreta, lo que hace que cada pate pueda ser pequeña y manejable Este tipo a su vez facilita el desarrollo y depuración de cada uno de los procesos servidores.En cuanto a la desventaja se pueden citar que estos sistemas presentan una mayor sobrecarga en el tratamiento de los servicios que los sistemas monolíticos. Esto se debe a que los distintos componentes de un sistema operativo de este tipo ejecutan en espacios de direcciones distintos, lo que hace que su activación requiera mas tiempo.

Un programa no es mas que un conjunto de instrucciones , mientras que el proceso surge cuando un programa se pone en ejecución. Esto hace que varios procesos puedan ejecutar al mismo programa ala vez. Ej. Varios usuarios estén ejecutando el mismo editor de textos.

MULTIPROGRAMACIONUn solo usuario no puede por lo general mantener a la CPU o a los dispositivos de E/S ocupados en todo momento . La Multiprogramación incrementa el uso de la CPU organizando los trabajos de tal manera que la CPU siempre tenga alguno por ejecutar .

La idea es que el S.O mantiene simultáneamente varios trabajos en la memoria

El sistema operativo toma y comienza a ejecutar uno de los trabajos que están en la memoria . En ocasiones el trabajo tiene que esperar a que se complete alguna tarea entonces el S.O simplemente cambia a otro trabajo, con el tiempo el primer trabajo termina su espera y vuelve de nuevo a la CPU

ELEMENTOS DE UN PROCESO

Al contenido de los segmentos de de memoria en los que reside el código y los datos del proceso se le denomina: IMAGEN DE MEMORIA

Durante la ejecución el proceso va modificando los registros del modelo de programación de la computadora de acuerdo a las instrucciones de máquina presentes.. A este contenido de los registros del modelo de programación se lo conoce como ESTADO DEL PROCESADOR

El S.O mantiene por cada proceso una serie de estructuras de información que permite identificar las características de éste así como los recursos asignados Una parte muy importante de esta estructura es el BLOQUE DE CONTROL DEL PROCESO (BCP)

El sistema operativo debe encargarse también de ofrecer una serie de servicios para la gestión de procesos y de gestionar los posibles interbloqueos que surgen cuando los procesos acceden a diferentes recursos.Dependiendo del numero de procesos y de usuarios que pueden ejecutar simultáneamente, un Sistema Operativo puede ser : MonotareaMultitareaMonousuarioMultiusuario

También llamado Monoproceso permiten que exista un proceso en cada instante

O Multiproceso , permite que exista varios procesos a la vez . El S.O se encarga de ir repartiendo el tiempo del procesador entre estos procesos

Está previsto para soportar a un solo usuario

Soporta varios usuarios trabajando simultáneamente desde varias terminales . A su vez cada usuario puede tener activo más de 1 proceso , por lo que debe ser también el sistema Multitarea .También reciben el nombre de Tiempo Compartido porque ha de repartir el tiempo de la computadora entre los usuarios para procesar cada una de las tareas de los usuarios