Unidad 1 Introducción a los Sistema Operativos

1.1 Sistema Operativo.

Colección de mecanismos de software destinados a servir de interfaces entre un sistema informático y sus usuarios, el cual ofrece herramientas y facilidades para simplificar las tareas de diseño, codificación, depuración, actualización, etc.

Administra los recursos hardware y software que constituyen el sistema informático a explotar. Nació con la necesidad de llevar el control de quién utiliza los recursos software (usuario(s)). Componentes principales: manejo de procesos, entrada/salida, manejo de memoria y del sistema de archivos. Un sistema de computación consta de hardware, programas del sistema y programas de aplicación.

1.2 Funciones y características.

Las funciones básicas de un Sistema Operativo son: 

• soporte para la ejecución de sw(software) de aplicación 
• elemento de diagnóstico de hw(hardware) 
• elemento de una red de computadoras 
• elemento que optimiza el aprovechamiento de los recursos lógicos y físicos de un sistema de cómputo

1.3 Evolución histórica.

Los primeros sistemas.

En un principio sólo existía el hardware de la computadora. Las primeras computadoras eran (físicamente) grandes máquinas que se operaban desde una consola. Una sola persona programaba y operaba el equipo.

Accesos por operador

En 1955 se separaron las funciones informáticas: Programación, operación y mantenimiento. El operador se encarga del manejo de la máquina (cargar programas, obtener resultados, hacer respaldos, etc.) y el programador dejó de tener acceso a la computadora.

Los programadores daban al operador los trabajos, éste los reunía y los ejecutaba uno tras otro y recogía los resultados entregándolos a los programadores.

Otra solución: El operador agrupaba los trabajos similares en requerimientos y los ejecutaba como si fueran un bloque (todos los de cobol, todos los de fortran), así se cargaba sólo una vez el compilador.

Secuencia automática de trabajos

El trabajo del operador era muy rutinario y podía automatizarse. Se diseñó un programa que transfería automáticamente el control de un trabajo a otro, el monitor residente (1er sistema operativo). Al encender el equipo el control se daba al programa monitor, este lo pasaba al 1er trabajo, el cual al terminar regresaba el control al monitor, y así sucesivamente.

Mejora del rendimiento

Aun quedaba mucho tiempo del cpu ocioso debido a la diferencia de velocidad entre este y los dispositivos entrada/salida que eran mecánicos.

Off-Line

Aparecieron las cintas magnéticas, más rápidas que las tarjetas perforadas, pero secuenciales. Entonces se perforaban los programas en tarjetas y de ahí se pasaban a una cinta, esta cinta en bloque se pasaba a ejecución y los resultados en una nueva cinta y de ahí a la impresora. Las operaciones se hacían en dispositivos distintos lo que aumentaba la velocidad.

On line

Lector de tarjetas->CPU->Impresora

Off Line

Lector de tarjetas->Unidad de Cinta->CPU->unidad de cinta->Impresora

Se podían tener varias lectoras de tarjetas y unidades de cinta y mantener ocupado al CPU, la desventaja era que el usuario debía esperar a que se llenara la cinta para ser atendido.

Multiprogramacion

Tipos de trabajo:

Limitados por proceso: La mayor parte de su tiempo ocupan CPU

El segundo tipo dio origen a la Multiprogramación.- Modo de trabajo en el que se pueden ejecutar varios programas simultáneamente aprovechando la inactividad del CPU en una operación e/s para optimizar el uso de los recursos. Surge de la imposibilidad de que con un solo trabajo se puedan tener ocupados el cpu y los entrada/salida todo el tiempo

Da la impresión que todos los procesos están siendo atendidos a la vez pero son conmutados

Problemas:

1 El cpu debe tener reglas para ejecutar todos los trabajos

2 Se necesita administración de memoria porque será compartida por varios trabajos

3 Varios trabajos pueden necesitar el mismo recurso a la vez (concurrencia)

Surge el núcleo del sistema (Kernel): rutinas para gestión de memoria, cpu y demás recursos

1.4. Clasificación

Sistemas Operativos por Servicios

Esta clasificación es la más comúnmente usada y conocida desde el punto de vista del usuario final.

Monousuarios: un usuario a la vez, no importa el número de cpu’s, número de procesos que pueda ejecutar en un mismo instante de tiempo. PC’s.

Multiusuarios: más de un usuario a la vez, por varias terminales conectadas a la computadora o por sesiones remotas en una red de comunicaciones. No importa el número de cpu’s ni el número de procesos que cada usuario puede ejecutar simultáneamente.

Monotareas: sólo una tarea a la vez por usuario. Puede darse el caso de un sistema multiusuario y monotarea, varios usuarios al mismo tiempo pero cada uno de ellos puede estar haciendo solo una tarea a la vez.

Multitareas: realiza varias labores al mismo tiempo. interfases gráficas orientadas al uso lo cual permite un rápido intercambio entre las tareas para el usuario,

Monoprocesador: solamente un CPU, de manera que si la computadora tuviese más de uno le sería inútil. MS-DOS y MacOS.

1.5 Estructura (niveles o estratos de diseño).

Estructura monolítica.

Características:

1 Construcción del programa final a base de módulos compilados separadamente que se unen a través del encadenador (linker)

2 Buena definición de parámetros de enlace entre las distintas rutinas existentes

3 Carecen de protecciones y privilegios al entrar a rutinas

que manejan diferentes aspectos de los recursos de la computadora

4 Generalmente hechos a la medida, eficientes y rápidos en ejecución y gestión

5 Poco flexibles para soportar diferentes ambientes de trabajo o aplicaciones.

Estructura jerárquica.

Mayores necesidades de los usuarios, mayor organización del software. Se dividió el sistema operativo en pequeñas partes, cada una bien definida y con una clara interfase con el resto de elementos.

Se constituyó una estructura jerárquica, el primero de los cuales fue denominado THE (Technische Hogeschool, Eindhoven)

Capa 5 – Control de programas de usuario

Capa 4 – Gestión de Archivos

Capa 3 – Control de operaciones entrada/salida

Capa 2 – Control de la Consola de operación

Capa 1 – Gestión de memoria

Capa 0 – Planificación de CPU

Otra forma es la de anillos.

Cada uno tiene una apertura por donde pueden entrar las llamadas de las capas inferiores. Las zonas más internas del sistema operativo o núcleo estarán más protegidas de accesos indeseados desde las capas más externas. Las internas serán más privilegiadas que las externas.

Cliente-servidor

El más reciente, puede ser ejecutado en la mayoría de las computadoras, para toda clase de aplicaciones, es de propósito general.

El núcleo establece la comunicación entre los clientes y los servidores. Los procesos pueden ser tanto servidores como clientes. Por ejemplo, un programa de aplicación normal es un cliente que llama al servidor correspondiente para acceder a un archivo o realizar una operación de entrada/salida sobre un dispositivo concreto. A su vez, un proceso cliente puede actuar como servidor para otro.

1.6 Núcleo.

El Núcleo.- Componente que interactúa directamente con el hardware. Contiene un conjunto de rutinas que hacen posible la ejecución de los programas y la comunicación entre ellos y el Hardware, es el que gestiona la entrada y salida del sistema, adaptándolas al hardware del sistema.

Núcleo (Kernel) y Niveles de un Sistema Operativo

Concepto de Kernel

Para que una computadora pueda arrancar y funcionar, no es necesario que tenga un núcleo para poder usarse. Los programas pueden cargarse y ejecutarse directamente en una computadora «vacía», siempre que sus autores quieran desarrollarlos sin usar ninguna abstracción del hardware ni ninguna ayuda del sistema operativo. Ésta era la forma normal de usar muchas de las primeras computadoras: para usar distintos programas se tenía que reiniciar y reconfigurar la computadora cada vez. Con el tiempo, se empezó a dejar en memoria (aún entre distintas ejecuciones) pequeños programas auxiliares, como el cargador y el depurador, o se cargaban desde memoria de sólo lectura. A medida que se fueron desarrollando, se convirtieron en los fundamentos de lo que llegarían a ser los primeros núcleos de sistema operativo.

El kernel presenta al usuario o los programas de aplicación una interfaz de programación de alto nivel, implementando la mayoría de las facilidades requeridas por éstos. Reúne el manejo de una serie de siguientes conceptos ligados al hardware de nivel más bajo:

• Procesos (tiempo compartido, espacios de direccionamiento protegidos); 
• Señales y Semáforos; 
• Memoria Virtual ("swapping", paginado); 
• Sistema de Archivos; 
• Tubos ("pipes") y Conexiones de red.

1.6.1.Interrupciones (FLIH).

La interrupción es el mecanismo mediante el cual otros módulos pueden interrumpir una secuencia normal de procesamiento. Ejemplos: Programa: división por cero Temporizador: cuando se cumple un tiempo específico E/S: cuando hay algo que comunicar Hardware: cuando ocurre una falla.

La gestión de interrupciones la realiza el manipulador (controlador) de interrupciones (FLIH, First Level Interrupt Handler) que es la parte del sistema operativo responsable de proporcionar la respuesta adecuada a las señales procedentes tanto del exterior como del interior del sistema (interrupciones externas e internas).

       1.6.2 Despachador(Scheduler).

Se encarga de asignar los procesadores a los diferentes procesos, por lo tanto debe actuar cuando se debe comprobar si es necesario cambiar el proceso que está activo.

Esto involucra: 

• cambio de contexto 
• cambio a modo usuario 
• salto a la dirección de memoria que corresponda al programa de usuario para continuar su ejecución.

Criterios de Despachador 

• Utilización de CPU: mantener la CPU ocupada la mayor cantidad del tiempo posible
• Productividad (Throughput): # de procesos por unidad de tiempo 
• Tiempo de servicio (Turnaround time): tiempo necesario para la ejecución de un proceso particular 
• Tiempo de espera (Waiting time): tiempo total que el proceso se encuentra en la fila ready
• Tiempo de respuesta (Response time): tiempo que transcurre desde el requerimiento hasta que se produce la primera respuesta (en ambientes de tiempo compartido)

Criterios de Optimización 

• Máxima utilización de CPU 
• Máxima productividad 
• Mínimo tiempo de servicio 
• Mínimo tiempo de espera 
• Mínimo tiempo de respuesta

       1.6.3 Primitivas de comunicación (IPC).

Es una función básica de los Sistemas operativos. Los procesos pueden comunicarse entre sí a través de compartir espacios de memoria, ya sean variables compartidas o buffers, o a través de las herramientas provistas por las rutinas de IPC (Interprocess Communication).

La IPC provee un mecanismo que permite a los procesos comunicarse y sincronizarse entre sí. Normalmente a través de un sistema de bajo nivel de paso de mensajes que ofrece la red subyacente. La comunicación se establece siguiendo una serie de reglas (protocolos de comunicación).