libro abierto / serie apuntes

Pablo Ruiz Mzquiz u

Sistemas Operativos0.5.0

Programa 1

Programa 2

P1 inactivo P1 inactivo P1 inactivo P2 inactivo P2 inactivo P2 inactivo

(a) Ejecucin secuencial

Tiempo

Programa 1 " # " # " #

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(b) Ejecucin multiprogramada

Un libro libre de Alqua

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Programa 2

P2

Tiempo

004.451

SSOO

Sistemas Operativos

lomo para ediciones impresas

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DedicadoA mi hermana Ins e

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Pablo Ruiz Mzquiz u

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Sistemas Operativosversin 0.5.0 o 15 de abril de 2004

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ccopyleftCopyright (c) 2004 Pablo Ruiz Mzquiz. 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 Mzquiz. u Este trabajo cae bajo las provisiones de la licencia Atribucin-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

EditoresPablo Ruiz Mzquiz u pablo@alqua.org

Notas de produccin o Plantilla latex-book-es-b.tex, v. 0.1 (C) Alvaro Tejero Cantero. compuesto con software libre

Indice general

Portada Copyleft Indice general 1. Introduccin a los Sistemas Operativos o 1.1. Denicin de Sistema Operativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1.2. Relacin con la mquina subyacente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o a 1.2.1. Componentes bsicos de la arquitectura Von Neuman . . . . . . a 1.2.2. Registros del procesador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. Ejecucin 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 evolucin del Sistema Operativo . . . . . . . . . . . o 1.4. Evolucin histrica de los Sistemas Operativos . . . . . . . . . . . . . . o o 1.4.1. Proceso en serie. Primera generacin (1945-1955) . . . . . . . . . o 1.4.2. Sistemas sencillos de proceso por lotes. Segunda generacin (1955o 1965) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3. Multiprogramacin. Tercera Generacin (1965-1980) . . . . . . . o o 1.4.4. Computadoras personales. Cuarta Generacin (1980-1990) . . . . o 2. Gestin de procesos o 2.1. Procesos y tareas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Divisin impl o cita y expl cita de tareas . . . . . . . . . . 2.1.2. Tipos de procesos y relacin entre procesos concurrentes o 2.1.3. El sistema operativo y los procesos . . . . . . . . . . . . 2.2. Creacin y terminacin 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 . . . . . . . . . . .

I VI VII

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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 control de procesos (BCP) . . . . . . . . . . . . Estados del sistema y listas de procesos . . . . . . . . . . Conmutacin de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Servicios del sistema operativo para la gestin de procesos o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 28 30 31 32 35 35 35 35 36 36 36 36 36 37 38 38 39 39

3. Planicacin de procesos o 3.1. Concepto y criterios de planicacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 3.1.1. Utilizacin 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 planicadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Planicador a largo plazo (PLP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Planicador a corto plazo (PCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Planicador a medio plazo (PMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Algoritmos de planicacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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. Planicacin con expropiacin basada en prioridades (ED, Evento o Driven) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4. Planicacin MLQ (Multiple level queues) . . . . . . . . . . . . . o 4. Programacin Concurrente o 4.1. Multitarea, multiprogramacin y multiproceso . . . . . . . . . . . . . . . o 4.2. Principios de concurrencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Comunicacin y sincronizacin de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . o o 4.3.1. Posibilidades de interaccin de procesos . . . . . . . . . . . . . . o 4.3.2. Necesidad de sincronizacin de los procesos: regin cr o o tica y exclusin mutua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.4. Soluciones software para la exclusin mutua . . . . . . . . . . . . . . . . o 4.4.1. Algoritmo de Dekker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Algoritmo de Peterson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. Semforos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.4.4. Monitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5. Paso de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6. Soluciones hardware para la exclusin 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

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. 42 . 43 45 45 45 46 46 47 49 49 50 56 58 60 63 73 73 73 73 74

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Sistemas Operativos - 0.5.0

INDICE GENERAL 5.2. Prevencin de interbloqueos . . . . . . . . . . . . . . o 5.3. Deteccin de interbloqueos . . . . . . . . . . . . . . . o 5.4. Prediccin de interbloqueo. Algoritmo del banquero o 5.4.1. Negativa de iniciacin de procesos . . . . . . o 5.4.2. Negativa de asignacin de recursos . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 75 76 77 78 81 81 82 84 84 87 88 88 89

6. Gestin de memoria o 6.1. Reubicacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 6.2. Asignacin de memoria con particiones jas . . . . . . . . . . . . . . . . o 6.3. Asignacin de memoria con particiones dinmicas . . . . . . . . . . . . . o a 6.4. Asignacin de memoria con paginacin simple . . . . . . . . . . . . . . . o o 6.5. Asignacin de memoria con segmentacin simple . . . . . . . . . . . . . o o 6.6. Memoria virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1. Estructuras Hardware y de control . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.2. Hiperpaginacin y cercan de referencias . . . . . . . . . . . . . o a 6.6.3. Memoria virtual con paginacin y buer de traduccin adelantada o o (TLB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.4. Software del SO para la gestin de memoria virtual . . . . . . . . o Indice alfabtico e Historia Creative Commons Deed Maniesto de Alqua El proyecto libros abiertos de Alqua Otros documentos libres

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INDICE GENERAL

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Sistemas Operativos - 0.5.0

1 Introduccin a los Sistemas Operativos o

1.1.

Denicin de Sistema Operativo o

Un sistema operativo puede ser contemplado como una coleccin organizada de exteno siones software del hardware, consistentes en rutinas de control que hacen funcionar al computador y proporcionan un entorno para la ejecucin de programas. Adems, estos o a programas utilizan las facilidades proporcionadas por el sistema operativo para obtener acceso a recursos del sistema informtico 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 aplicacin, los cuales invocarn sus servicios por medio de o a llamadas al sistema. Por otro lado, los usuarios pueden interactuar directamente con el SO a travs de rdenes concretas. En cualquier caso, el SO acta como interfaz entre e o u los usuarios/aplicaciones y el hardware de un sistema informtico. a El rango y la extensin de los servicios proporcionados por un SO dependen de varios o factores. As las funciones visibles al usuario estn en gran medida determinadas por la , a necesidades y caracter sticas 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 diseado para soporte en tiempo de ejecucin a una aplicacin 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 automtico de a una entidad bancaria. Internamente, un SO acta como gestor de los recursos del sistema informtico tales u a como el procesador, la memoria, los archivos y los dispositivos de E/S. En esa funcin, o el SO mantiene actualizada la informacin relativa al estado de sistemas que soportan o la ejecucin concurrente de programas, el SO resuelve las peticiones conictivas de reo cursos de manera que preserve la integridad del sistema y al hacerlo intenta optimizar el rendimiento nal. En general, el SO presenta al usuario el equivalente de una mquina virtual que sea a ms fcil de utilizar que la mquina subyacente y uno de sus objetivos primarios es increa a a mentar la productividad de los recursos que ofrece al sistema mediante una planicacin o lo ms ptima posible de ellos. a o

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1 Introduccin a los Sistemas Operativos o

1.2.1.2.1.

Relacin con la mquina subyacente o aComponentes bsicos de la arquitectura Von Neuman a

A un nivel muy alto, un sistema informtico que implemente la arquitectura Von a Neuman clsica consta de 3 componentes bsicos: 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 aritmtico-lgica, la unidad de control y un conjunto a e o de registros. Los componentes bsicos mencionados se encuentran interconectados para a llevar a cabo la funcin principal del computador, que consiste en la ejecucin de las o o sentencias que forman los procesos. As pues, se tienen cuatro elementos estructurales principales. Memoria principal: Comnmente conocida como memoria RAM. En ella se enconu trar el programa en cdigo mquina a ejecutar, los datos de entrada y los resultaa o a dos. La memoria est formada por un conjunto de celdas idnticas que pueden ser a e accedidas de forma aleatoria mediante los distintos registros de direccionamiento. Esta memoria es normalmente voltil y tambin se conoce como memoria real. a e La unidad aritmtico-lgica permite efectuar un conjunto de opoeraciones aritmtie o e cas y lgicas de los datos. Estos datos, que pueden proceder de memoria principal o o ser el resultado de operaciones previas, se almacenarn en los registros de entrada a de que esta unidad dispone. El resultado de la operacin, as como la informao cin relativa al estado de terminacin de la misma, quedarn 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 mquina que forman el programa. a Interpreta cada instruccin le o da. Lee los datos de memoria referenciados por la instruccin. o Ejecuta la instruccin. o Almacena el resultado de cada instruccin. o Finalmente, la unidad de Entrada/Salida se encarga de realizar la transferencia de informacin entre la memoria (o los registros) y los perifricos. 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 comunicacin y los terminales. o Adems de los descritos anteriormente, los sistemas informticos disponene de un cona a junto de elementos de interconexin (buses de datos). Estos elementos estn constituidos o a

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Sistemas Operativos - 0.5.0

1.2 Relacin con la mquina subyacente o a por mecanismos que permiten la comunicacin entre los componentes que conforman el o sistema informtico, es decir, su funcin es la de interconectar procesadores, memoria a o principal y mdulos 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 ms rpido y pequeo que la memoria principal. Los registros del procesador a a n pueden clasicarse de la siguiente forma: Registros visibles de usuario: Un registro visible al usuario es aqul que puede ser e referenciado por medio de lenguaje mquina que ejecuta el procesador, siendo, por a lo general, accesible a todos los programas, tanto de aplicacin como de sistema. o Un programador de lenguaje de mquina 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 direccin o y registros de cdigos de condicin. o o Los registros de datos pueden ser asignados por el programador a diversas funciones. En muchos casos, son de propsito general y pueden ser empleados o por instrucciones que lleven a cabo cualquier tipo de operacin sobre un dao to determinado. Sin embargo, suelen establecerse ciertas restricciones como dedicar algunos registros para operaciones en coma otante. Los registros de direccin guardan direcciones de memoria principal que pueo den contener datos, instrucciones o parte de una direccin efectiva utilizada o para calcularla. Como ejemplo de registros de direccin podemos incluir los o siguientes: Registro ndice: Se utiliza en el direccionamiento indexado que consiste en sumar un ndice a un valor base para obtener la direccin efectiva. o Puntero de segmento: Cuando se utiliza direccionamiento segmentado la memoria se divide en segmentos, que son bloques de palabras de tamao 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 sealar 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 a para los usuarios, son aqullos que contienen cdigos de condicin (tambin e o o e denominados indicadores o ags). Los cdigos de condicin son bits activados o o por el hardware como resultado de determinadas operaciones. Por ejemplo, una operacin aritmtica puede producir un resultado positivo, negativo, cero, o e con acarreo o con desbordamiento, lo que se reejar en el correspondiente bit a

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1 Introduccin a los Sistemas Operativos o o ag de control y que puede consultarse posteriormente, por ejemplo, como parte de una operacin de salto condicional. Es importante tener en cuenta que o los cdigos de condicin pueden ser consultados por las aplicaciones de usuario o o pero no modicados por stas. Los bits de cdigo de condicin se sgrupan en e o o uno o ms registros que forman parte de los determinados registros o palabras a de control que veremos a continuacin. o En algunas mquinas, una llamadaa un procedimiento o subrutina provocar que a a los registros visibles de usuario se salven automticamente, para luego restaurarlos a y continuar con la ejecucin 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 mquinas, 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 ejecucin de los programas. En la mayor de las mquinas, la mayor parte de estos o a a registros no son visibles para los usuarios. Adems 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 direccin o de la siguiente instruccin mquina 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 instruccin (RI) que permite almacenar la instruccin mquina 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 informacin o producida por la ultima instruccin del programa ejecutada (bits de estado aritm o e tico) e informacin sobre la forma en que ha de comportarse la computadora (bits o de nivel de ejecucin 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.

Ejecucin de instrucciones o

La tarea bsica que realiza un computador es la ejecucin de instrucciones. El punto a o de vista ms 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 instruccin mo a quina apuntada por el PC, incremento del contador del programa - para que apunte a la siguiente instruccin mquina - y ejecucin de la instruccin. o a o o Esta secuencia tiene 2 prioridades fundamentales: es lineal, es decir, ejecuta de forma consecutiva las instrucciones que estn en direcciones consecutivas, y forma un bucle a

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Sistemas Operativos - 0.5.0

1.2 Relacin con la mquina subyacente o a innito. Esto signica 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 mquina con sus datos y hemos de conseguir a que el contador de program apunte a la instruccin mquina inicial del programa. o a El esquema de ejecucin lineal es muy limitado, por lo que se aaden unos mecanismos o n que permiten alterar esta ejecucin lineal. En esencia, todos ellos se basan en algo muy o simple; modican el contenido del programa, con lo que se consigue que se salte o bifurque a otro segmento del programa o a otro programa (que, lgicamente, tambin ha de residir o e en memoria). Los tres mecanismos bsicos de ruptura de secuencia son los siguientes. a Las instrucciones mquina de salto o bifurcacin, que permiten que el programa a o rompa su secuencia lineal de ejecucin pasando a otro fragmento de s mismo. o Las interrupciones externas o internas, que hacen que la unidad de control modique el valor del contador de programa saltando a otro programa. La instruccin de mquinaTRAP, que produce un efecto similar a la interrupcin, o a o haciendo que se salte a otro programa. Si desde el punto de vista de la programacin son especialmente interesantes las instruco ciones de salto, desde el punto de vista de los SSOO son mucho ms importantes las a interrupciones y las interrupciones de TRAP. Por tanto, centraremos nuestro inters 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 mdulos o (E/S, memoria) pueden interrumpir la ejecucin normal del procesador. Las interrupcioo nes aparecen, principalmente, como una v para mejorar la eciencia del procesamiento a debido a que la mayor de los dispositivos externos son mucho ms lentos que el procea a sador. Con las interrupciones, el procesador se puede dedicar a la ejecucin de otras instruco ciones mientras una operacin de E/S est en proceso. Cuando el dispositivo de E/S o a est disponible, es decir, cuando est preparado para aceptar ms datos del procesador, e e a el mdulo de E/S de dicho dispositivo enviar una seal de solicitud de interrupcin al o a n o procesador. El procesador responde suspendiendo la operacin 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 ejecucin o original despus de haber atendido al dispositivo. e Desde el punto de vista del programa de usuario una interrupcin es solamente eso: o una interrupcin de la secuencia normal de ejecucin. Cuando el tratamiento de la inteo o rrupcin termina, la ejecucin contina. El programa no tiene que disponer de ningn o o u u cdigo especial para dar cabida a las interrupciones; el procesador y el sistema operativo o

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1 Introduccin a los Sistemas Operativos o son los responsables de suspender el pograma de usuario y de reanudarlo despus en el e mismo punto. Para dar cabida a las interrupciones, se aade un ciclo de interrupcin al ciclo de n o instruccin. En el ciclo de interrupcin el procesador comprueba si ha ocurrido alguna o o interrupcin, lo que se indicar con la presencia de alguna seal de interrupcin. Si no hay o a n o interrupciones pendientes, el procesador sigue con el ciclo de lectura y trae la prxima o instruccin del programa en curso. Si hay una interrupcin pendiente, el programador o o suspende la ejecucin del programa en curso y ejecuta una rutina de tratamiento de o interrupcin. Esta rutina, generalmente, forma parte del sistema operativo, determina la o naturaleza de la interrupcin y realiza cuantas acciones sean necesarias. Una interrupcin 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 seal de interrupcin al procesador. n o 2. El procesador naliza la ejecucin de la instruccin en curso antes de responder a o o la interrupcin. o 3. El procesador pregunta por la interrupcin comprueba que hay una y env una o a seal de reconocimiento al dispositivo que gener la interrupcin, de forma que n o o ste suspende su seal de interrupcin. e n o 4. El procesador necesita ahora prepararse para transferor el control a la rutina de interrupcin. Para empezar, hace falta salvar la informacin necesaria para reao o nudar la ejecucin del programa en curso en el punto de la la interrupcin. La o o m nima informacin es la palabra de estado del programa (PSW) y la ubicacin o o de la prxima instruccin a ejecutar. o o 5. El procesador carga ahora el contador de programa con la ubicacin de entrada o del programa de tratamiento de interrupcin. o 6. La rutina de interrupcin suele comenzar salvando el contenido de los registros del o procesador porque la rutina puede utilizarlos y se perder la informacin que la a o ejecucin del proceso interrumpido hibiera dejado en ellos. o 7. La rutina de tratamiento de la interrupcin procesa la interrupcin realizando las o o acciones requeridas para atenderla. 8. Tras completar el tratamiento de la interrupcin, se recuperan de la pila los valores o de los registros que se salvaron y se restauran en los correspondientes registros. 9. El paso nal es restaurar los valores del la PSW y del contador de programa tambin e a partir de la pila y continuar con la ejecucin del programa interrumpido. Estas o acciones se llevan a cabo como resultado de ejecutar la instruccin mquina para o a retorno de interrupcin, RETI, que incluyen la mayor de las computadoras en su o a lenguaje mquina. a

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Sistemas Operativos - 0.5.0

1.3 Funciones y objetivos de los Sistemas Operativos Las computadoras incluyen varias seales de solicitud de interrupcin, cada una de las n o cuales tiene una determinada prioridad. En caso de activarse al tiempo varias de estas seales, se tratar la de mayor prioridad, quedando las dems a la espera de ser n a a atendidas. Adems la computadora incluye un mencanismo de inhibicin selectiva que a o permite detener todas o determinadas seales de interrupcin. Las seales inhibidas no n o n son atendidas hasta que pasen a estar desinhibidas. La informacin de inhibicin de o o las interrupciones suele incluirse en la parte del registro de estado que solamente es modicable en nivel de ncleo, por lo que su modicacin queda restringida al sistema u o operativo. Las interrupciones se pueden generar por diversas causas, que se pueden clasicar de la siguiente forma: Excepciones de programa. Hay determinadas causas que hacen que un programa presente un problema en su ejecucin, por lo que deber generarse una interrupcin, o a o de forma que el SO trate dicha causa. Ejemplos de errores de este tipo son el desbordamiento de operaciones matemticas, al divisin 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 operacin o un conjunto de ellas. o Excepciones del hardware como la deteccin de un error de paridad en la memoria. o Instrucciones de TRAP. Estas instrucciones permiten que un programa genere una interrupcin 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 acta como interfaz entre la mquina u a desnuda y los programas de aplicaciones o el propio usuario. por otro lado, el sistema operativo tambin se encarga de gestionar los recursos del sistema informtico para e a obtener un uso lo ms ptimo posible de stos. A continuacin, trataremos las funciones a o e o del sistema operativo desde estos dos puntos de vista, as como las caracter sticas que debe presentar para mantener una capacidad de evolucin adecuada. o

1.3.1.

El Sistema Operativo como Interfaz Usuario/Computadora

Un sistema operativo debe hacer que la interaccin del usuario o de los programas o de aplicacin con el computador resulte sencilla y fcil y debe construirse de modo que o a permita el desarrollo efectivo, la vericacin y la introduccin 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 estraticada o jerrquica. Este usuario nal no tiene que preocua parse de la arquitectura del computador y contempla el sistema informtico en trminos a e

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1 Introduccin a los Sistemas Operativos o de aplicaciones. Estas aplicaciones pueden construirse con un lenguaje de programacin o y son desarrolladas por los programadores de aplicaciones. Si se tuviera que desarrollar un programa de aplicacin con un conjunto de instruco ciones totalmente responsables del control del hardware, dicho programa tendr una a 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 creacin de aplicaciones de usuario, la gestin de archivos y el control de los o o dispositivos de E/S. El programa de sistema ms importante es el sistema operativo. a El sistema operativo oculta al programador los detalles del hardware y le proporciona una interfaz cmoda para utilizar el sistema y acta como mediador, ofreciendo al o u programador y a los programas de aplicacin un conjunto de servicios y utilidades que o faciliten su tarea. De forma resumida el sistema operativo ofrece servicios en las siguientes reas: a Creacin de programas: El sistema operativo ofrece una gran variedad de servicios o como los editores y depuradores (debuggers), para ayudar al programador en la creacin de programas. Normalmente, estos servicios estn en forma de programas o a de utilidad que no forman realmente parte del sistema operativo, pero que son accesibles a travs de l. e e Ejecucin de programas: Para ejecutar un programa es necesario realizar un cierto o nmero 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 seales 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 simultneamente, 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 pblico, el sistema u operativo controla el acceso al sistema como un todo y a los recursos espec cos del sistema. Las funciones de acceso deben brindar protecin a los recursos y a los o datos ante usuarios no autorizados y debe resolver conictos en la propiedad de los recursos. Deteccin y respuesta a errores: Cuando un sistema informtico est en funcioo a a namiento pueden producirse varios errores. El sistema operativo debe dar una respuesta que elimine la condicin de error con el menor impacto posible sobre las o aplicaciones que estn en ejecucin. a o

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Sistemas Operativos - 0.5.0

1.3 Funciones y objetivos de los Sistemas Operativos Contabilidad: Un sistema operativo debe recoger estad sticas de utilizacin de los o diversos recursos y supervisar parmetros de rendimiento tales como el tiempo de a respuesta.

1.3.2.

El Sistema OPerativo como administrador de recursos

Un SO debe perseguir una utilizacin lo ms ptima y equilibrada posible de los o a o recursos que administra. De esta forma se obtendr un alto rendimiento del sistema a informtico gobernado. a El SO es el responsable de la gestin de los recursos de la mquina y mediante su o a administracin tiene el control sobre las funciones bsicas de la misma. El SO no es nada o a ms que un programa pero la diferencia clave es su propsito. El SO dirige al procesador a o en el empleo de otros recursos del sistema y en el control del tiempo de ejecucin de los o programas de usuario. Una parte del SO reside en memoria principal. En esta parte est el ncleo (kernel ) a u que incluye funciones del SO utilizdas con ms 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 cundo puede utilizarse un dispositivo de E/S por parte de un a programa en ejecucin y controla el acceso y la utilizacin de los archivos. El procesador o o es, en s mismo, un recurso y es el SO el que debe determinar cunto tiempo de procesador a debe dedicarse a la ejecucin de un programa usuario en particular. En el caso de sistemas o multiprocesador, la decisin debe tomarse entre todos los procesadores. o

1.3.3.

Facilidad de evolucin 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 paginacin que acompaa a la memoria de algunos sistemas informticos. o n a Nuevos servicios: Como respuesta a nuevas necesidades, el sistema operativo ampliar su oferta de servicios para aadir nuevas medidas y herramientas de control. a n Correcciones: El sistema operativo tiene fallos que se descubrirn 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 diseo. Una armacin obvia es que el sistema debe tener una construccin modular, n o o con interfaces bien denidas entre los mdulos y debe estar bien documentado. o

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1 Introduccin a los Sistemas Operativos o

1.4.

Evolucin histrica de los Sistemas Operativos o o

Para intentar comprender los requisitos bsicos de un SO y el signicado de las caa racter sticas principales de un sistema operativo contemporneo, resulta util considerar a cmo han evolucionado los sistemas operativos a los largo de los aos. o n

1.4.1.

Proceso en serie. Primera generacin (1945-1955) o

En los primeros computadores, de nales de los 40 hasta mediados de los 50, el programa interactuaba directamente con el hardware: no hab sistema operativo. La operacin a o con estas mquinas se efectuaba desde una consola dotada con indicadores luminosos y a conmutadores o a travs de un teclado hexadecimal. Los programas se arrancan cargane do el registro contador de programas con la direccin de la primera instruccin. Si se o o deten el programa por un error, la condicin de error se indicaba mediante los indicaa o dores luminosos. El programador pod examinar los registros relevantes y la memoria a principal para comprobar el resultado de la ejecucin o para determinar la causa del o error. El siguiente paso signicativo de la evolucin en el uso de sistemas informticos 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. codicados ahora en un lenguaje de programacin, se traducen a un forato ejecutable mediante un programa como un o compilador o un intrprete. Otro programa, llamado cargador, automatiza el proceso de e cargar en memoria estos programas en cdigo ejecutable. El usuario coloca un programa o y sus datos de entrada en un dispositivo de entrada y el cargador transere la informacin o desde el dispositivo a la memoria. Despus de transferir el control al programa cargado e por medios manuales o automticos, comienza la ejecucin del mismo. El programa en a o ejecucin 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: Planicacin: La mayor de las instalaciones empleaban un formulario de reserva o a de tiempo de mquina. Normalmente, un usuario pod reservar bloques de tiempo, a a mltiplos, por ejemplo, de media hora. Si la ejecucin del programa terminaba antes u o del plazo asignado, el tiempo restante se desperdiciaba. Tambin pod suceder que e a el programa no terminara dentro del plazo asignado, con lo que el programadir no pod saber si el programa hab terminado satisfactoriamente o no. a a Tiempo de preparacin: Un programa aun siendo sencillo requer un tiempo de o a preparacin 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 continuacin, 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 reeja el hecho de los a que usuarios ten que acceder al computador en serie. an

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Sistemas Operativos - 0.5.0

1.4 Evolucin histrica de los Sistemas Operativos o o

1.4.2.

Sistemas sencillos de proceso por lotes. Segunda generacin o (1955-1965)

Las primeras mquinas eran muy caras y, por tanto, era importante maximizar la a utilizacin de las mismas. El tiempo desperdiciado en la planicacin y la preparacin 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 detrs 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 mquina. En su lugar, el usuario an a deb entregar los trabajos en tarjetas o en cinta al operador del computador, quien a 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 a de modo tal que volviera al monitor al terminar el procesamiento y, en ese momento, el monitor comenzaba a cargar automticamente el siguiente programa. a Para obtener provecho del potencial de utilizacin de recursos, un lote de trabajos o debe ejecutarse automticamente sin intervencin humana. Para este n, deben proa o porcionarse algunos medios que instruyan al sistema operativo sobre cmo debe tratar o cada trabajo individual. Estas intrucciones son suministradas generalmente por medio de rdenes del sistema operativo incorporadas al ujo 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 picas de un JCL se incluyen las marcas de comienzo y nalizacin 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 ejecucin y los o requisitos de memoria. Estas rdenes se hallan incoporadas al ujo 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.

Multiprogramacin. Tercera Generacin (1965-1980) o o

Incluso con las mejoras anteriores, el proceso por lotes dedica los recursos del sistema informtico a una unica tarea a la vez. a En el curso de su ejecucicn, la mayor de los programas oscilan entre fases intensivas o a de clculo y fases intensivas de operaciones de E/S. Esto queda indicado en la gura 1.1 a donde los periodos de clculo 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 instruccin de E/S. Entonces debe esperar a que o concluya la instruccin de E/S antes de continuar. o Esta ineciencia no es necesaria. Se sabe que hay memoria suciente para almacenar

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1 Introduccin a los Sistemas Operativos oPrograma 1

Programa 2

P1 inactivo P1 inactivo P1 inactivo P2 inactivo P2 inactivo P2 inactivo

(a) Ejecucin secuencial

Tiempo

Programa 1 " # " # " #

P1

P2

P1

P2

P1

(b) Ejecucin multiprogramada

Figura 1.1: Ejecucin secuencial vs multiprogramacin o o

en memoria el sistema operativo (monitor residente) y un programa usuario. Supongamos que hay espacio suciente para almacenar el sistema operativo y dos programas de usuario. Ahora, cuando un trabajo necesite esperar por una operacin 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 desperdicio de tiempo que suponen las esperas hasta que se completen las operaciones de E/S. Este concepto es conocido como multiprogramacin o multitarea y es el punto o central de los sistemas operativos modernos. Como sugiere la gura 1.1 se pueden lograr ganancias signicativas de rendimiento intercalando la ejecucin de los programas, o, multiprigramando, que es como se le deo nomina a este modo de operacin. Con un solo procesador no es posible la ejecucin o o paralela de programas, y como mximo, slo un programa puede tener el control del a o procesador en un instante determinado. El ejemplo presentado en la gura 1.1 (b) consigue un 100 % de utilizacin del procesador slo con dos programas activos. Aunque o o conveniente para ilustrar la idea bsica en la multiprogramacin, no se deben esperar a o resultados tan espectaculares en programas reales, ya que las distribuciones de las fases de computacin y E/S tienden a ser ms variables. Para aumentar la utilizacin de o a o recursos, los sistemas de multiprogramacin reales permiten generalmente que ms de o a dos programas compitan por los recursos del sistema al mismo tiempo. El nmero de u programas en competencia activa por los recursos de un sistema informtico se denomina a grado de multiprogramacin. En principio, mayores grados de multiprogramacin deben o o dar lugar a una mayor utilizacin de recursos. o La multiprogramacin ha sido tradicionalmente empleada para aumentar la utilizacin o o de los recursos de un sistema informtico y para soportar mltiples usuarios simultneaa u a mente activos.

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" # " # " # " # " # #

" ! ! ! ! ! ! ! ! !

Programa 2

P2

Tiempo

Sistemas Operativos - 0.5.0

1.4 Evolucin histrica de los Sistemas Operativos o o

1.4.4.

Computadoras personales. Cuarta Generacin (1980-1990) o

Con el desarrollo de la tecnolog LCI (Large Scale Integration) de construccin de a o circuitos, que permit fabricar chips con miles de transistores en un cent a metro cuadrado de silicio, se inicio la era de la computadora personal. En trminos de arquitectura, las e computadoras personales no eran muy distintas de las minicomputadoras del tipo PDP11, pero en trminos de precio s eran bastante distintas. Las computadoras personales e ms poderosas reciben el nombre genrico de estaciones de trabajo, pero en realidad slo a e o son computadoras personales grandes. La amplia disponibilidad de poder de cmputo condujo, junto con un nivel grco o a bastante adecuado, al crecimiento de la industria de produccin de software para las o computadoras personales. Gran parte de este software ten adems, la ventaja de prea, 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 AT&T. MS-DOS tuvo un amplio uso en el IBM PC y otras mquinas 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 particular las que poseen chips RISC de altas prestaciones. Un interesante desarrollo que comenz a llevarse a cabo a mediados de la dcada 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 mquinas remotas. Cada mquina 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 ubicacin de los archivos a los que desea acceder, esas o cuestiones deben ser manejadas automticamente y de forma eciente por el sistema a operativo.

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1 Introduccin a los Sistemas Operativos o

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Sistemas Operativos - 0.5.0

2 Gestin de procesos o2.1. Procesos y tareas

Proceso una denicin tradicional de proceso es la de instancia de un programa en o ejecucin. La ejecucin de tal programa es indicada al SO mediante una accin u o o o orden especializada. El SO responde en ese punto creando un nuevo proceso. En general, esta actividad consiste en la creacin e iniciliazacin de estructuras de datos en el SO para monitorizar o o y controlar el progreso de proceso en cuestin. Una vez creado, el proceso pasar a estar o a activo y competir por la utilizacin de recursos del sistema como el procesador y los a o dispositivos I/O. Un proceso evoluciona c clicamente entre per odos de ejecucin activa y de espera por o la terminacin de actividades de I/O. Cuando un proceso queda inactivo por especicar o una operacin de I/O y quedar a la espera de que sta se complete, el SO puede planicar o e la ejecucin de otro proceso. o Desde este punto de vista, un proceso es una entidad individualmente planicable, que puede ser asignada al procesador y ejecutada por ste. El SO controla, pues, dine a micamente la evolucin de los procesos registrando la informacin correspondiente a sus o o cambios cuando stos se produzcan. Esta informacin es utilizada por el SO para sus e o labores de planicacin y gestin sobre el conjunto de procesos que en un determinado o o momento pueden coexistir en el sistema informtico. a De esta forma adems de la plantilla esttica constituida por el programa ejecutable a a en que se basa, un proceso posee ciertos atributos que ayudan al SO en su gestin. o Los atributos de un proceso incluyen su estado actual, unidad de planicacin, derechos o de acceso, nivel de prioridad entre otros datos. Desde el punto de vista del usuario, un proceso no es ms que la ejecucin de un conjunto de instrucciones que llevan a cabo una a o determinada tarea, mientras que para el SO es una entidad que atraviesa dinmicamente 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 planicado de forma que se consiga un rendimiento en la utilizacin de los mismos lo ms ptimo posible. o a o

2.1.1.

Divisin impl o cita y expl cita de tareas

Dependiendo del SO y del entorno objetivo de ejecucin de programas, la divisin o o de un trabajo en tareas que sern ejecutadas como procesos independientes as como la a asignacin inicial de los atributos de esos procesos pueden ser efectuadas o bien por el o SO o bien por el desarrollador de la aplicacin. En otras palabras, lo que constituir un o a proceso independiente puede provenir de:

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2 Gestin de procesos o 1. Divisin impl o cita de tareas denida por el sistema. 2. Divisin expl o cita de tareas denida por el desarrollador. En general, la divisin impl o cita de tareas se aplica en sistemas operativos multitarea para multiplexar la ejecucin de una serie de programas y explotar los benecios de o la concurrencia entre una serie de aplicaciones. La divisin expl o cita en tareas permite mejoras adicionales en el rendimiento al explotar la concurrencia inherente o propia de una determinada aplicacin o programa. La divisin impl o o cita en tareas signica que los procesos son denidos por el sistema, esta divisin aparece comnmente en sistemas de o u multiprogramacin de propsito general tales como los sistemas de tiempo compartido. o o En este enfoque cada programa remitido para su ejecucin 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 planicacin y los derechos de acceso en el momento de la creacin del proceso basndose o o a en el perl del usuario y en valores predeterminados del sistema. La divisin expl o cita signica que los desarrolladores denen expl citamente cada proceso y alguno de sus atributos, t picamente una unica aplicacin queda dividida en o varios procesos relacionados con objeto de mejorar su rendimiento. La divisin expl o cita se utiliza en situaciones donde se desea elevar la eciencia o controlar expl citamente las actividades del sistema. Entre las razones ms comunes para aplicar la divisin expl a o cita de tareas se incluyen 1. Ganancia de velocidad: algunas de las tareas independientes en que quede dividida la aplicacin podrn ejecutarse de forma concurrente con la consiguiente mejora o a en el tiempo total de ejecucin de la aplicacin. o o 2. Mejora en el rendimiento de la utilizacin de dispositivos de I/O con latencia: o dedicando tareas expl citas a la realizacin de operaciones I/O, stas podrn ser o e a planicadas por el SO de forma concurrente con tareas de computacin intensiva o con la consiguiente ganancia en el rendimiento. 3. Multiprocesamiento: los procesos independientes que constituyen una aplicacin o pueden ser perfectamente portados para su ejecucin en un entorno multiprocesao dor con lo que se conseguir paralelismo real. a 4. Computacin distribuida: de igual forma, cada tarea independiente puede ser asigo nada a un procesador que forme parte de un sistema distribuido, siendo necesaria una sincronizacin con el resto de procesadores que se ocupan de sus respectivas o tareas.

2.1.2.

Tipos de procesos y relacin entre procesos concurrentes o

En principio, podemos realizar una clasicacin muy general de los procesos entre o procesos de usuario y procesos de sistema. Un proceso de usuario es aquel creado por

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Sistemas Operativos - 0.5.0

2.1 Procesos y tareas el SO como respuesta a una de ejecucin del usuario o de una aplicacin que ejecuta a o o instancias de ste. e Un proceso de sistema es un proceso que forma parte del propio SO y que desempea n alguna de sus labores caracter sticas, como por ejemplo, la eleccin del siguiente proceso o a ejecutar o bien la prestacin 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: Competicin y/o Colaboracin. o o En virtud de la comparticin de recursos de un solo sistema, todos los procesos concuo rrentes compiten unos con otros por la asignacin de los recursos del sistema necesarios o para sus operaciones respectivas. Adems, una coleccin de procesos relacionados que a o representen colectivamente una sola aplicacin lgica, suelen cooperar entre s La coopeo o . racin es habitual entre los procesos creados como resultado de una divisin expl o o cita de tareas. Los procesos cooperativos intercambian datos y seales de sincronizacin necesan o rios para estructurar su progreso colectivo. Tanto la competicin como la colaboracin o o de procesos requiere una cuidada asignacin y proteccin de los recursos en trminos o o e de aislamiento de los diferentes espacios de direcciones. La cooperacin depende de la o existencia de mecanismos para la utilizacin controlada de los datos compartidos y el o intercambio de seales de sincronizacin. n o Los procesos cooperativos comparten t picamente algunos recursos y atributos adems a de interactuar unos con otros. Por esta razn, 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 relacin ms comnmente soportada por los o a u sistemas operativos es la relacin padre-hijo. Esta relacin 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 creacin y tambin o e pueden compartir recursos con sus procesos hermanos.

2.1.3.

El sistema operativo y los procesos

Todos los SSOO de multiprogramacin estn 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 ejecucin de procesos para optimizar la utilizacin 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 tica espec ca que evite situaciones de interbloqueo. 3. El SO podr tener que dar soporte a la comunicacin entre procesos y ofrecer a o mecanismos para su creacin, labores que pueden ser de ayuda en la estructuracin o o de aplicaciones.

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2 Gestin de procesos o

2.2.

Creacin y terminacin de procesos o o

Cuando se aade 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 creacin de un nuevo proceso. o Son cuatro los sucesos comunes que llevan a la creacin de un proceso. o 1. Nueva tarea en un sistema de proceso por lotes. 2. Nueva conexin 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 informtico debe existir alguna forma de que un a proceso indique su terminacin. Un trabajo por lotes debe incluir una instruccin de o o detencin halt o una llamada expl o cita a un servicio del sistema operativo para indicar su terminacin, mientras que en una aplicacin interactiva, ser la accin del usuario la o o a o que indique cundo termine el proceso. a Todas estas acciones provocan al nal una peticin de servicio al SO para terminar el o proceso demandante. Adems, una serie de errores pueden llevarnos a la terminacin de a o un proceso. A continuacin se enumeran algunas de las condiciones ms habituales de o a terminacin de procesos: o 1. Terminacin normal: Un proceso termina de ejecutar su conjunto de instrucciones o y naliza. 2. Tiempo l mite excedido: El proceso requiere ms tiempo para completar su ejecua cin del que el sistema establece como mximo. o a 3. No disponibilidad de memoria: Tiene lugar cuando un proceso necesita ms mea moria de la que el sistema puede proporcionar. 4. Violacin de l o mites: Ocurre cuando un proceso trata de acceder a una posicin de o memoria a la que no puede hacerlo. 5. Error de proteccin: 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 aritmtico: Aparece si el proceso intenta hacer un clculo prohibido como e a la divisin por cero o trata de almacenar un nmero mayor del que el hardware o u acepta. 7. Superacin del tiempo mximo 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 mite establecido.

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Sistemas Operativos - 0.5.0

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 despus de un nmero mximo de intentos. e u a 9. Instruccin no vlida: Se produce si un proceso intenta ejecutar una instruccin o a o inexistente. 10. Inento de acceso a una instruccin privilegiada: Se presenta si un proceso intenta o utilizar una instruccin 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 operacin que se pretende realizar. o 12. Intervencin del operador o del SO: Por alguna razn, el operador o el SO termio o na con el proceso. Por ejemplo, si se considera comprometido el rendimiento del sistema. 13. Finalizacin del proceso padre: Cuando un proceso padre naliza el SO puede o disearse para terminar automticamente 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 bsico conocer el comportamiento que exhibirn a a los distintos procesos y el conjunto de estados que pueden atravesar.

2.3.1.

Modelo de dos estados

El modelo ms sencillo que puede construirse tiene en cuenta que un momento dado a un proceso puede estar ejecutndose en el procesador o no. As pues, un proceso puede a estar en uno de dos estados: Ejecucin o No ejecucin (Vase la gura 2.1). o o e

entrada

no ejecucin

ejecucin

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 ejecucin. 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

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2 Gestin de procesos o el procesador a un proceso determinado con lo que dicho proceso pasar de estado No a ejecucin a Ejecucin. o o Cada cierto tiempo, el proceso en ejecucin 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 Ejecucin al de No ejecucin mientras que el proceso o o elegido realiza la transicin inversa. o Incluso en este modelo tan simple, se aprecian ya algunos de los elementos importantes en el diseo de SSOO. Cada proceso debe representarse de forma que el sistema operativo n tenga conocimiento de su estado actual y de su posicin en memoria. o Aquellos procesos que no estn en estado de ejecucin debern almacenarse en algn e o a u tipo de estructura de datos mientras esperan que el sistema operativo les otorgue el control sobre el procesador. La siguiente gura 2.2 propone una estructura basada en una cola de procesos.COLA FIFO

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 informacin 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 , se introducir el correspondiente bloque al nal de la cola, accin que tambin 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 operacin de E/S. Cuando un proceso termine o su ejecucin, ser descartado del sistema. Si todos los procesos estuvieran siempre listos o a para ejecutar, la disciplina de comportamiento de cola presentada ser ecaz. El modelo a 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 implementacin no es adecuada debido a que algunos procesos en estado de no o ejecucin estarn listos para ejecutar mientras que otros se encontrarn a la espera de o a a obtener algn recurso solicitado o a que se complete una operacin de E/S. As pues, el u o 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 ms tiempo en espera. e a Una forma ms natural de afrontar esta situacin es dividir el estado de no ejecucucin a o o en dos; los estados listo y bloqueado. Adems se aadirn dos nuevos estados al sistema. a n a

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Procesador

terminar

Sistemas Operativos - 0.5.0

2.3 Estados de un proceso Estos estados son: nuevo y terminado, que resultan de utilidad para las labores de gestin o de procesos. As se dar lugar al modelo de 5 estados. 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 denidos a pero que an no han sido admitidos por el sistema operativo como procesos ejecutau bles. Para estos procesos se habrn realizado ciertas tareas de gestin interna como a o la asignacin de un identicador y la creacin de algunas estructturas de control. o o La principal motivacin para la existencia de este estado es la limitacin por parte o o del SO del nmero 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 encontrarn aquellos procesos que a dispongan de todos los recursos necesarios para comenzar o proseguir su ejecucin o y se encuentran a la espera de que se les concedael control del procesador. 3. Estado de Ejecucin: En este estado se encuentra el proceso que tiene el control o del procesador. Dado que se considerarn arquitecturas que disponen de un unico a procesador, en un instante determinado slo un proceso puede encontrarse en este o estado. 4. Estado Bloqueado: En este estado se encuentran aquellos procesos que carecen de algn recurso necesario para su ejecucin 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 terminacin, cuando se abandona debido a un error irrecuperable o o cuando un proceso con la debida autoridad hace que termine su ejecucin. En este o punto, el proceso ya no es susceptible de ser elegido para ejecutarse. Sin embargo, el SO conserva cierta informacin asociada con l para su posible utilizacin, bien o e o por otras aplicaciones como programas de utilidad para el anlisis de la historia a y rendimiento del proceso o bien por parte del SO con nes estad sticos. Una vez extra esta informacin, el SO ya no necesita mantener ms datos relativos al da o a proceso y stos se borran del sistema. e En la gura 2.3 presentamos el diagrama de transiciones entre estados Transicin a Nuevo: Se crea un nuevo proceso para ejecutar un programa o

1

Se puede llegar a perder ms tiempo en la gestin del cambio de procesos que en el proceso mismo. a o

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2 Gestin de procesos o

pasar a ejecucin Admitir PREPARADO EJECUCIN

Fin de plazo NUEVO ocurrencia de suceso BLOQUEO esperar un suceso TERMINADO

Figura 2.3: Diagrama de transiciones entre estados. La l nea punteada indica situacin expcecional. o

Transicin Nuevo-Preparado: Esta transicin tiene lugar cuando el SO est preparado o o a para aceptar o admitir un proceso ms. Se tendrn 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. Transicin Preparado-Ejecucin: Esta transicin se produce cuando el SO selecciona o o o un nuevo proceso para ejecutar en funcin de su pol o tica de planicacin. o Transicin Ejecucin-Preparado: La razn ms comn para esta transicin es que el o o o a u o proceso que est en ejecucin ha alcanzado el tiempo mximo permitido de ejea o a cucin ininterrumpida. Hay otras causas alternativas que no estn implementadas o a en todos los SSOO como la expropiacin de un proceso en favor de otro ms prioo a ritario. Otra situacin, muy extraordinaria, que origina esta transicin es que un o o proceso ceda voluntariamente el control del procesador. Transicin Ejecucin-Bloqueo: Un proceso realiza esta transicin cuando queda a la o o o espera por la concesin de un determinado recurso o por la ocurrencia de un deo terminado suceso. Transicin 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. Transicin Preparado-Terminado: Puede ocurrir si, por ejemplo, un proceso padre deo cide en un momento determinado nalizar la ejecucin de sus procesos hijos. Si o alguno de dichos procesos se encontraba en estado preparado realizar esta trana sicin. Otra razn puede ser debida a un requisito de memoria que es denegado. o o Transicin Bloqueado-Terminado: Un proceso hijo puede realizar esta transicin por la o o misma razn que la anterior. Otra causa puede ser que el proceso supere el tiempo o mximo de espera por un recurso y el sistema operativo decida entonces terminarlo a (es la razn ms habitual). o a

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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 gura 2.4.Entrada Cola FIFO Procesador Fin de Plazo Ocurrencia de suceso Cola de bloqueados Esperar suceso Terminar

Figura 2.4: Diagrama de transiciones entre estados implementada con una cola.

Ahora se dispone de dos colas, una para los procesos en situacin de preparado y o otra para los bloqueados. A medida que se admiten procesos nuevos en el sistema, stos e se sitan 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 ejecucin, porque ha excedido el tiempo o mximo de posesin 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 signica 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 ms eciente 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. Vase la gura 2.5. a e Si la planicacin de procesos se realiza mediante un esquema basado en prioridades, o entonces es conveniente tener un cierto nmero de colas de procesos listos, una para cada u prioridad.

2.3.3.

Procesos suspendidos

Debido a que el procesador es mucho ms rpido 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 operacin 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 ms a

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2 Gestin de procesos oCola FIFO Procesador Fin de Plazo Ocurrencia de suceso 1 Ocurrencia de suceso 2 Ocurrencia de suceso n Cola de bloqueados por 1 Esperar suceso 1 Cola de bloqueados por 2 Esperar suceso 2 Cola de bloqueados por n Esperar suceso n Terminar

Entrada

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 del procesador. 2. La otra solucin consiste en aplicar una tcnica conocida como intercambio o swao e ping. Esta tcnica consiste en que cuando todos los procesos que se encuentran e en memoria principal estn 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 operacin, 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 sticas siguientes: 1. Un proceso suspendido no est disponible de inmediato para su ejecucin. a o 2. Un proceso puede estar esperando o no un suceso. Si lo est, la condicin de a o bloqueado es independiente de la condicin de suspendido y el acontecimiento del o suceso bloqueante no lo habilita para la ejecucin. o 3. El proceso fue situado en estado suspendido por un agente (el SO o el proceso padre) con el n de impedir su ejecucin. o 4. El proceso no puede apartarse de estado hasta que llegue la orden expresa para ello.

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2.3 Estados de un proceso Si aadimos este nuevo estado a nuestro diagrama de 5 estados, obtendremos la gura n 2.6.pasar a ejecucin Admitir PREPARADO EJECUCIN

Fin de plazo NUEVO ocurrencia de suceso BLOQUEO SUSPENDIDO esperar un suceso TERMINADO

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 ms eciente desdoblar el estado suspendido en a a dos, uno para las procesos suspendidos que an 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 situacin de proseguir su ejecucin (estado listo y suspendido). Para o o verlo mejor, consletese la gura 2.7. u Las transiciones que involucran a los nuevos estados son las siguientes: Transicin Bloqueado y Suspendido-Preparado y Suspendido: Esta transicin tiene o o lugar si se ha producido un suceso por el que hab sido bloqueado el proceso a suspendido. Es importante tener en cuenta que esto requiere que est accesible e para el SO la informacin relativa a los procesos suspendidos. o Transicin 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 ejecucin. Adems, 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 operacin o de intercambio si no hay espacio en memoria principal para todos los procesos, o bien esperar a que haya espacio suciente en memoria principal para albergar al proceso suspendido. Transicin Preparado-Preparado y Suspendido: Como ve o amos en la transicin o anterior, se puede producir un intercambio entre un proceso en estado Preparado

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2 Gestin de procesos o

pasar a ejecucin Admitir PREPARADO EJECUCIN

Fin de plazo NUEVO ocurrencia de suceso BLOQUEO esperar un suceso TERMINADO

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 suciente para ambos. Generalmente, el SO preere 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 sucientemente e grande de memoria principal. Adems, el SO puede escoger suspender un proceso a Preparado de ms baja prioridad en lugar de uno bloqueado de prioridad ms alta a a si se estima que el proceso bloqueado pronto pasar a estado de Preparado. a Transicin Bloqueado y Suspendido-Bloqueado: Si un proceso termina y libera o memoria principal y existe adems algn 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 Transicin Ejecucin-Preparado y Suspendido: Generalmente, un proceso en ejecuo o cin pasa al estado Preparado cuando expira su fraccin 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 ejecucin a la cola de Preparados y a o Suspendidos, liberando as espacio en la memoria principal. ejemplo 1 proceso de prioridad 1 en estado Bloqueado, 3 procesos de prioridad 2 en Preparado, 1 proceso en Ejecucin de prioridad 1 y 1 Preparado de prioridad 3. 1 o

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2.4 Estructuras de control del sistema operativo bloqueado y suspendido de prioridad 1. los bloqueados lo dejarn de estar pronto. a qu transicin tendr lugar? e o a Entre las razones ms habituales para la suspensin 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. Suspensin de un proceso por el SO por sospechar que est causando algn tipo o a u de problema. 3. Solicitud expresa del usuario. 4. Un proceso puede ejecutarse peridicamente y puede ser suspendido mientras eso pera el intervalo de tiempo antes de una nueva ejecucin. o 5. Por una peticin 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 informtico y es a el responsable de planicar y expedir a los procesos para su ejecucin en el procesador. o El SO es quien asigna los recursos a los procesos y el que responde a las solicitudes de servicios bsicos 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 continuacin se tratarn los elementos que necesita el SO para llevar a cabo sus o a labores de control de procesos y de administracin 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 informacin sobre el estado actual de cada proceso y de cada recurso. El mtodo universal o e para obtener esta informacin es sencillo. El sistema operativo construye y mantiene tao blas de informacin 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 debern incluir la siguiente informacin: a o 1. Asignacin de memoria principal a los procesos. o 2. Asignacin de memoria secundaria a los procesos. o 3. Atributos de proteccin de segmentos de memoria principal o secundaria. o 4. Informacin necesaria para la gestin de la memoria secundaria. o o

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2 Gestin 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 informtico. En un momento dado, un dispositivo de E/S puede a estar disponible o estar asignado a un proceso particular. Si hay una operacin de E/S o en marcha el SO necesita conocer el estado de dicha operacin y la posicin de memoria o o principal que se est utilizando como origen o destino de la transferencia de E/S. a El SO tambin mantiene un conjunto de tablas de archivos, las cuales ofrecen infore macin sobre las propiedades de stos. Sobre su posicin y distribucin en la memoria o e o o secundaria, su estado actual y otros atributos. Gran parte de esta informacin, sino toda, o puede ser mantenida y utilizada por un sistema de gestin de archivos. Este consisitir o a en un mdulo del SO bien diferenciado y su labor se ocupar de todas las operaciones o a necesarias para la gestin y tratamiento de los archivos. o Un ejemplo de estructura para la ubicacin de archivos es la conocida como FAT o (File Allocation Table)2 . Un ejemplo de sistema de cheros ser el utilizado por el SO a Windows NT y conocido NTFS (NT Filesystem). Las tablas de procesos almacenan informacin relativa al conjunto de procesos aco tivos presentes en un instante determinado en el sistema. La informacin t o picamente 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 utilizada por ste. [espacio de direcciones del proceso] e 2. Programa de usuario: Contiene el cdigo objeto3 del programa que se va a ejecutar. o [espacio de direcciones del proceso] 3. Pila de sistema: Se utiliza para almacenar parmetros y direcciones de retorno. a [estructuras del sistema operativo] 4. Bloque de control de proceso: Contiene la informacin 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 informacin 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 descripcin en tiempo de ejecucin durante toda la vida del proceso o o (Vase gura 2.8). Cuando el proceso termina, su BCP es liberado y devuelto al depsito 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 chero. FAT da problemas al fragmentarse frecuentemente lo que provoca un retardo al acceder a esos datos. Para solucionar este problema existen herramientas de desfragmentacin. En sistemas UNIX o se trata desde el principio ms ecientemente esta asignacin y los datos almacenados apenas sufren a o fragmentacin. o 3 cdigo que puede ser ejecutado por una determinada arquitectura. o

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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 slo 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 ejecucin del proceso as como de la utilizacin de los recursos. La informacin del BCP o o o se agrupa generalmente en las siguientes categor as: 1. Identicacin del proceso o La informacin correspondiente a la identicacin del proceso consiste en un cono o junto de identicadores que incluyen: a) El identicador del proceso (PID): Consiste en un nmero entero asignado u por el sistema. b) El identicador del proceso padre c) La identicacin del usuario: Es una cadena de caracteres. o 2. Informacin del estado del procesador: La informacin 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 cdigos de condicin 6 , los registros con indicadores o o de habilitacin o inhabilitacin de interrupciones y el modo de ejecucin. o o o4

en el modelo de 5 estados, hab un estado llamado Nuevo en donde el SO sab que exist un nuevo a a a proceso pero sin BCP ya que an no era candidato para asignarle recursos. u 5 El SO tiene bloques de memoria libres preparados para almacenar BCPs. 6 bits que reejan el resultado de una operacin aritmtica (bit de overow, bit de acarreo, bit de cero, o e etc)

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2 Gestin de procesos o c) Puntero a la pila del proceso: El proceso utiliza una estructura de pila para almacenar parmetros y direcciones de retorno de funciones y procedimientos a 3. Informacin de control y gestin del proceso: La informacin de control y gestin o o o o del proceso incluye: a) Informacin de planicacin y estado: esta informacin es necesaria para que o o o el SO lleve a cabo sus funciones de planicacin. Los elementos t o picos de esta informacin son los siguientes o 1) Estado del proceso (ejecucin, preparado, etc). o 2) Prioridad de planicacin (se utilizarn algoritmos de planicacin que o a o usarn esta informacin). a o 3) Informacin para la planicacin: sta depende del algoritmo de planio o e cacin utilizado. o 4) Suceso por el que se encuentre esperando el suceso para reanudar su ejecucin o b) Estructuacin 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) Comunicacin entre procesos: en el BCP pueden ubicarse indicadores, seales o n y mensajes asociados con la comunicacin entre los procesos independientes. o d ) Privilegios de los procesos: A los procesos se les otorgan privilegios en trminos e de la memoria a la que pueden acceder y los tipos de instrucciones que pueden ejecutar. Adems, tambin se pueden aplicar privilegios al uso de servicios y a e utilidades del sistema. e) Gestin de memoria: Esta seccin incluye punteros a las tablas de pgina y/o o o a segmentos que describen la memoria asignada al proceso. f ) Recursos en propiedad y utilizacin de los procesos: Se incluyen los recursos o controlados por el proceso tales como los cheros abiertos por ste. Tambin e e se suele incluir un histrico de la utilizacin del procesador o de otro recurso. o o Esta informacin puede ser necesaria para el planicador. o

2.4.3.

Estados del sistema y listas de procesos

Un estado de un proceso es slo un componente del estado global del sistema que o incluye a todos los procesos y recursos. Para controlar la evolucin de todos los procesos, o el SO mantiene listas de BCPs clasicadas por el estado actual de los procesos aceptados. En general, existir una lista con los BCPs de todos los procesos en situacin de preparado a o y una lista con todos los BCPs en situacin de suspendido. Mediante estas listas el SO o forma colecciones de procesos en estados anlogos y sern examinadas por las rutinas de a a asignacin de recursos del SO. o

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2.4 Estructuras de control del sistema operativo ejemplo El planicador 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 ms conveniente para las rutinas del SO que operan con ellas. Las transiciones de estado a de un proceso quedarn reejadas en el cambio de su BCP de una lista a otra. a

2.4.4.

Conmutacin de procesos o

Una transicin entre dos procesos residentes en memoria en un sistema multitarea se o denomina conmutacin de procesos o conmutacin de tareas. Las principales operaciones o o implicadas en una conmutacin de procesos estn resumidas en la gura 2.9. o aEspacio de memoria de usuario Px (Proceso) Suceso Cambio de modoConmutacin de procesos. SO en ejecucin Guardar el estado de Px en BCP(x) Actualizar el estado de Px y los datos de planificacin Atencin del suceso (Se consideran fuera del proceso de conmutacin) Planificacin del siguiente proceso a ejecutar (Py) Restaurar el estado HW de Py y sus atributos desde BCP(y)

Espacio de memoria del SO

Cambio de modo Py(Proceso)

Figura 2.9: Esquema de conmutacin de recursos o

La gura se interpreta de la siguiente manera Estamos en modo usuario con un proceso Px ejecutndose. 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 funcin del suceso que haya tenido lugar, el o estado ser uno u otro) y los datos de planicacin (Algunos ssoo tienen a o ciertas consideraciones para recalcular estos datos de planicacin para un o proceso. Por ejemplo, restar prioridad a procesos largos. Atendemos al suceso dependiendo de cada caso (no incluimos esta operacin o en lo que consideramos proceso de conmutacin) o

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2 Gestin de procesos o Planicamos cul va a ser el siguiente proceso a ejecutar (que podr ser el a a mismo de inicio). Una vez elegido el nuevo proceso a ejecutar, llammosle 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 conmutacin de procesos es una operacin considerablemente ms compleja y costosa o o a que la conmutacin del contexto de interrupcin y puede ser bastante complicada en ssoo o o grandes que disponen de un mantenimiento preciso de recursos y de sosticados esquemas de planicacin. Dada su complejidad y su relativamente alta frecuencia de ocurrencia, o la implementacin de la conmutacin de procesos puede afectar signicativamente al o o rendimiento de un SO de multiprogramacin. o Es especialmente importante en sistemas donde el tiempo es un factor cr tico tales comos los sistemas en tiempo real. La eciencia de la conmutacin 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 conmutacin de o procesos es disponer de mltiples conjuntos estructuralmente idnticos 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 operacin supervisor o usuario y el conjunto de registros activos. Este mtodo reduce el o e gasto software por conmutacin de modo y la mayor parte del proceso de almacenamiento o del estado hardware a la ejecucin de unas pocas instrucciones de manipulacin de bits. o o Si se dispone de ms de dos conjuntos de registros, se pueden aplicar ahorros similares a a los procesos de usuario hasta alcanzar el nmero de conjuntos de registros disponibles. u Pregunta Por qu la conmutacin de procesos es ms costosa que la conmutacin del e o a o contexto de interrupcin? o

2.4.5.

Servicios del sistema operativo para la gestin de procesos o

Aunque los ssoo suelen diferir en su losof y objetivos de diseo sus capas del ncleo a n u ms internas muestran una gran similitud en cuanto al tipo y rango de primit