SISTEMAS OPERATIVOS TRABAJO

TGT 2331-10
SISTEMAS OPERATIVOS

Contenido

• Introducción

• Soporte de interrupciones

• Conceptos de sistemas operativos

• Planificación en sistemas de tiempo real

• Mecanismos de sincronización y comunicación

• Planificación de tiempo real con recursos compartidos

Conceptos de Sistemas Operativos

CONTENIDO

• El sistema operativo como interfaz para las aplicaciones

• Modos de ejecución

• Threads y procesos

• Control de procesos. Cambio de contexto

• Gestión de la memoria

• Gestión de la entrada/salida

• Gestión de tiempos y temporización

BIBIOGRAFIA

• Q. Li: Real-Time concepts for embedded systems. CMP Books, 2003.

• A. Lafuente: Sistemas Operativos II. Apuntes de la asignatura. Edición 2009-10. http://www.sc.ehu.es/acwlaroa/SO2.htm 

•  M.J. Rochkind: Advanced Unix Programming (2nd Edition), Addison-Wesley, 2004.

• C. Rodríguez, I. Alegria, J. Abascal, A. Lafuente: Descripción funcional de los sistemas operativos. Síntesis, 1994.

• S. Sánchez Prieto: Sistemas Operativos. Universidad de Alcalá de Henares,  Servicio Editorial, 2005.

• A. Silberschatz, P. Galvin, G. Gagne: Conceptos de Sistemas Operativos (7a edición). Willey, 2006.

• A.S. Tanenbaum: Modern Operating Systems (3rd edition). Prentice-Hall, 2008.

El sistema operativo como interfaz para las aplicaciones

• Los dos papeles del sistema operativo:

• Proporciona a las aplicaciones una interfaz (llamadas al sistema) para el acceso a los recursos.

• Arbitra y gestiona eficientemente el uso de los recursos.

Qué es un recurso:

• Procesadores

• Memoria

• Dispositivos (de E/S, relojes, comunicaciones…)

• Ficheros

El sistema operativo como interfaz para las aplicaciones

El sistema operativo como interfaz para las aplicaciones

• Las llamadas al sistema (system calls) proporcionan una interfaz homogénea que abstrae las características físicas de los recursos.

• Por ejemplo, una aplicación de reproducción de sonido funciona de la misma forma para reproducir un archivo sobre un disco duro o sobre una memoria flash.

• Las llamadas al sistema se utilizan como llamadas a funciones de biblioteca.

• Su especificación debe estar bien definida (p. ej., el man de Linux/UNIX).

El sistema operativo como interfaz para las aplicaciones (cont)

• También se denominan APIs.

• Estándares para compatibilidad de aplicaciones (p. ej: POSIX)

• Proporcionan un mecanismo único de entrada al sistema mediante cambio a modo protegido:

• La llamada se implementa mediante un trap.

Modos de ejecución

• Las instrucciones máquina pueden ser normales o reservadas.

• Las instrucciones reservadas acceden a espacios (de memoria y de E/S) protegidos.

• Dos modos de ejecución: normal y protegido.

• Las instrucciones privilegiadas sólo pueden ejecutarse en modo protegido.

• Un programa se ejecuta, en principio, en modo normal.

• La instrucción de cambio de modo es privilegiada.

• ¿Cómo pasar a modo protegido para acceder a recursos necesarios (dispositivos de E/S, etc)?

Modos de ejecución
Cambio de modo

• Mecanismo unificado para paso de modo normal a modo privilegiado: vector de interrupciones (VI).

• Los servicios del sistema se implementan en espacio protegido mediante rutinas que se direccionan a través del VI.

• Rutinas de servicio de interrupción.

• Excepciones

• Llamadas al sistema operativo.

• Las rutinas se ejecutan bien asíncronamente (interrupciones), bien llamadas desde el programa (interrupciones programadas o traps).

• Mediante un instrucción especial de LM: INT 

• El retorno de la rutina restaura el modo de ejecución anterior.

Threads y Procesos

• Flujo de ejecución:

• Secuencia de valores que adopta el registro Contador de Programa (PC) durante la ejecución de un programa.

• Requiere una pila (normalmente en memoria) para representar las llamadas/retorno a subrutinas).

• Contexto de ejecución:

• Estado del sistema asociado a la ejecución del programa. Incluye o puede incluir:

• PC, SP (puntero a pila), pila

• Estado del procesador

• Estado de la memoria

• Estado de la E/S

Threads y Procesos
Ejemplo: un proceso con tres threads

Ejemplo:
creación de un proceso LINUX

#include

#include

#include

int main (int argc, const char * argv[]) {

  int pid;

  printf("%d: Soy el padre!\n", getpid());

  pid= fork();

  if (pid == 0)

    printf("%d: Soy el hijo!\n", getpid());

  else

    printf("%d: Soy el padre de %d\n", getpid(), pid);

  printf("%d: Agur!\n", getpid());

  exit(0);

}

Ejemplo

#include

#include

#include

int main (int argc, const char * argv[]) {

  int pid;

  printf("%d: Soy el padre!\n", getpid());

  pid= fork();

  if (pid == 0)

    printf("%d: Soy el hijo!\n", getpid());

  else

    printf("%d: Soy el padre de %d\n", getpid(), pid);

  printf("%d: Agur!\n", getpid());

  exit(0);

}

Ejemplo

Ejemplo:
contexto de un proceso LINUX

#include

#include

#include

char a;

int f_ejemplo() {    

  a= 'H';    

  printf("%d: Soy el hijo! (%c)\n", getpid(), a);

  return 0;

}

int main (int argc, const char * argv[]) {

  int pid;

  a= 'P';

  printf("%d: Soy el padre! (%c)\n", getpid(), a);

  pid= fork();

  if (pid == 0)

    f_ejemplo();

  else {

    printf("%d: Soy el padre de %d (%c)\n", getpid(), pid, a);

  }

  printf("%d: Agur!\n", getpid());

  exit(0);

}

Ejemplo:
threads en LINUX

#include

#include

#include

#include

#include

void* pila;

char memoria_pila[64*1024];

char a;

int f_ejemplo() {    

  a= 'H';    

  printf("%d: Soy el hijo! (%c)\n", getpid(), a);

  return 0;

}

int main (int argc, const char * argv[]) {

  int pid;

  a= 'P';

  printf("%d: Soy el padre! (%c)\n", getpid(), a);

  pila= &memoria_pila[0];

  pid= clone(&f_ejemplo, (char*) pila + 1024*64, SIGCHLD | CLONE_FS |                               CLONE_FILES | CLONE_SIGHAND | CLONE_VM, 0 );

  printf("%d: Soy el padre de %d (%c)\n", getpid(), pid, a);

  printf("%d: Agur!\n", getpid());

  exit(0);

}

Threads y Procesos (cont)

• Las entidades de ejecución son los procesos/threads.

• En terminología de TR, tareas (indistintamente).

• Un thread (hilo) es un flujo de ejecución con un contexto reducido

• PC, SP (puntero a pila), pila

• Estado del procesador

• Un proceso es un flujo de ejecución con un contexto ampliado

• Estado de la memoria

• Estado de la E/S

• Puede haber entidades de ejecución intermedias

• Sistemas combinados: un proceso incluye un conjunto de threads

• En este caso las entidades de ejecución/planificación son los threads

Threads y procesos

Threads y procesos

Threads y Procesos
Estados y grafo de transición

• Nota: se toma aquí el proceso como entidad de ejecución, sin pérdida de generalidad.

Control de procesos
Representación

• Bloque de Control de Procesos (PCB)

• Identificador.

• Estado del proceso.

• Información para la planificación (prioridad, quantum).

• Contadores de consumo de recursos (tiempo de CPU).

• Puntero a la pila del proceso

• En sistemas combinados: puntero a los threads del proceso (representados por TCBs).

• Puntero a los recursos de memoria (tablas de páginas).

• Puntero a los recursos de E/S (tabla de descriptores).

Control de procesos
Representación

• Los PCBs se enlazan en colas

• Una cola por estado

• Incluso para el estado ejecutándose.

• Proceso nulo: al menos un proceso preparado para ejecución.

• Estado bloqueado: una cola por cada condición de bloqueo.

Control de procesos
El sistema operativo como un sistema de colas

Control de procesos
Planificación

• La planificación de procesos (o threads) es la función del sistema operativo que decide qué proceso va entrar a ejecutándose y cuándo.

• La realiza el scheduler.

• Se elige un proceso de entre la cola de preparados de acuerdo a un criterio:

• FCFS

• Prioridades

• Estáticas. Se asigna una prioridad al proceso cuando se crea y no cambia durante su ejecución.

• Dinámicas. A partir de una prioridad inicial, se ajusta durante la ejecución de acuerdo a determinados criterios (p. ej. consumo de CPU del proceso).

Control de procesos
Planificación (cont)

• Cuándo planificar:

• Sólo cuando la CPU queda libre

• porque el proceso ejecutándose termina o se bloquea: sistemas no expulsores

• Además, los sistemas operativos expulsores, sacan al proceso que está ejecutándose

• cuando ha consumido un quantum de tiempo:

• Combinado con FCFS: planificación de turno circular o Round-Robin

• cuando otro proceso llega a preparados.

• Le da la oportunidad de ejecutarse inmediatamente. Como veremos, combinada con prioridades estáticas esta planificación expulsora es adecuada para tiempo real.

• El cambio de contexto es el conjunto de operaciones necesarias para realizar una transición de un proceso (o thread) a otro:

• Guardar el contexto del proceso que abandona la CPU.

• Restaurar el contexto del proceso seleccionado por el scheduler.

• Transferirle el control.

• Además, actualizar la representación de los procesos en colas de PCBs.

• Implica manipular las pilas de procesos

• Se implementa en lenguaje máquina.

Gestión de la memoria

• Se refiere a la memoria principal (RAM), donde un programa almacena su código, sus datos y su pila.

• Gran diversidad de técnicas y políticas, dependiendo de si el programa se almacena:

• Estática o dinámicamente.

• Contiguo o en trozos.

• Algunas técnicas (paginación, memoria virtual) requieren importante soporte hardware:

• MMU, hoy en día on-chip.

• Almacenamiento secundario (memoria virtual).

• Las técnicas más elaboradas (memoria virtual) son incompatibles con el tiempo real.

Gestión de la memoria
Técnicas

• Monitor residente

• Particionado

• Swapping

• Paginación y segmentación

• Memoria virtual

• Otras: solapamientos y rutinas de enlace dinámico

Gestión de la memoria
Monitor residente

• Para un único programa en memoria

Gestión de la memoria
Particionado

• Particionado fijo (MFT)

Gestión de la memoria
Particionado

• Particionado variable (MVT)

Gestión de la memoria
Particionado

• En particionado fijo se pierde espacio dentro de las particiones (fragmentación interna).

• ¿Qué hacer si llega un programa nuevo y la partición adecuada a su tamaño está ocupada?

• Encolarlo hasta que se libere.

• Ejecutarlo en una partición mayor libre.

• En particionado variable el espacio se pierde en los huecos entre programas (fragmentación externa).

• Tiende a aumentar (cada vez más huecos más pequeños): degradación de la memoria.

• Compactar para recuperar espacio.

• Implica reubicación dinámica.

Gestión de la memoria
Particionado

• Políticas de asignación de huecos

• ¿En qué hueco almacenar un nuevo programa?

• ¿En el más ajustado al tamaño del programa?

• ¿En en más grande?

• ¿En el primero que se encuentre?

Gestión de la memoria
Swapping

• Un programa puede, durante su ejecución, abandonar la memoria.

• Implica reubicación dinámica de programas.

Gestión de la memoria
Paginación y segmentación

• Los programas se dividen en trozos

• De igual tamaño (paginación)

• De tamaño variable (segmentación)

• Como consecuencia, un programa no aparece contiguo en memoria.

• Dirección virtual vs dirección física.

• Las direcciones donde se almacenan los trozos se guardan en tablas de páginas/segmentos.

• Traducción dinámica de direcciones

• Requiere importante soporte Hw:

• Unidad de gestión de memoria (MMU)

• Buffers de traducciones (TLB)

• Permite compartir páginas/segmentos entre programas.

Gestión de la memoria
Paginación

• La tabla de páginas puede ocupar mucho espacio.

Gestión de la memoria
Segmentación

• Produce fragmentación externa.

Gestión de la memoria
Sistemas combinados

• Varios niveles de indirección.

• El último, siempre de paginación.

Gestión de la memoria
Memoria virtual

• Se implementa sobre un sistema paginado.

• Permite la ejecución de programas no enteros.

• La referencia a una página no cargada en memoria provoca un trap de fallo de página y la búsqueda de la página en disco.

• Aún más soporte Hw:

• Bit de validez

• Trap de fallo de página

• Espacio en disco (swap)

• Soporte para el reemplazo de páginas

• Amplio soporte del sistema operativo:

• Política de reemplazo de páginas

• Políticas de asignación de espacio entre programas

• Introduce impredecibilidad en los tiempos de respuesta.

Gestión de la memoria
Solapamientos y enlace dinámico

• ¿Qué hacer si un programa no cabe en la RAM y no tengo soporte de MV?

• Se estructura el programa y se divide en trozos o solapamientos (overlays)

• Cada solapamiento, una función

• Se añade una rutina de enlace dinámico que gestiona la carga de las funciones en tiempo de ejecución.

• Las llamadas a funciones son ahora llamadas a la rutina de enlace con la función y sus parámetros como argumentos.

• Inicialmente se carga en memoria el programa principal y la rutina de enlace.

• Modernamente los sistemas operativos añaden este mecanismo (con otros propósitos): Dynamic Link Libraries o Run-Time Libraries.

Gestión de la entrada/salida

• Los dispositivos de entrada/salida son muy heterogéneos:

• Velocidad

• Representación de los datos

• Protocolos

• Operaciones

• Unidad de transferencia (bloques, caracteres…)

• Tipos de errores

• Modo de tratar la E/S: Encuesta, Interrupciones, DMA.

• Interfaz de los dispositivos unificada mediante Controladores

Entrada/salida
Interfaz

• Los Controladores de los dispositivos (Kdisp) ofrecen una interfaz entre los dispositivos y el nivel de lenguaje máquina.

• Elementos de la interfaz:

• Espacio de direcciones de E/S, que puede ser

• Memory-mapped

• Independiente del de memoria

• Operaciones de E/S mediante instrucciones máquina

• Memory-mapped: LOAD/STORE

• Espacios independientes: IN/OUT

• Las direcciones de E/S se asocian a los dispositivos (Registros de E/S) y tienen papeles específicos:

• Registros de estado

• Registros de datos

• Registros de control

Entrada/salida
Modos

• Encuesta

• Espera activa sobre Registro de Estado

• Acceso a Registro de Datos

• Interrupciones

• El dispositivo cuenta con una línea de interrupción

• Cuando se activa la interrupción, se ejecuta la Rutina de Servicio que gestiona la E/S:

• Comprobación sobre Registro de Estado

• Acceso a Registro de Datos

• Acceso Directo a Memoria (DMA)

• Los dispositivos de bloques no involucran a la CPU en el acceso a cada byte

• Se programa la operación de DMA

• Se ordena su inicio sobre un Registro de Control del KDMA

• El fin de la operación se anuncia mediante una interrupción

• La Rutina de Servicio a la Interrupción de DMA comprueba sobre un Registro de Estado.

Gestión de la entrada/salida
Manejadores de dispositivos (drivers)

• Driver: código que monopoliza el acceso al dispositivo.

• El resto del sistema operativo es independiente del dispositivo.

• Un modelo de entrada/salida: cliente-servidor

• Las rutinas de E/S son clientes del driver.

Gestión de la entrada/salida
Manejadores de dispositivos (drivers)

• Interfaz entre las Rutinas de E/S y el driver:

• Descriptor del Dispositivo, configurado por el driver:

• Estado del dispositivo

• Modo de operación

• Tablas de conversión

• Apuntador a la cola de peticiones

• Evento asociado al driver

• IORB (Input/Output Request Block) para especificar una petición al driver:

• Identificador del proceso cliente

• Parámetros de la petición

• Evento para sincronización con el final de la operación

• Diagnóstico de la operación (a rellenar por el driver)

Gestión de la entrada/salida

Ejemplo de estado de la E/S

Gestión de la entrada/salida
Buffering

• Para desacoplar las velocidades de funcionamiento de los dispositivos y la CPU, el SO proporciona buffers del sistema para almacenamiento temporal de la E/S.

• Varios esquemas.

Gestión de la entrada/salida
El sistema de ficheros

• El desarrollo de las memorias tipo flash posibilita que incluso los dispositivos más pequeños proporcionen un sistema de ficheros.

• Las abstracciones del modelo de E/S proporcionan independencia entre el sistema de ficheros y el dispositivo soporte.

• Ejemplo: FAT16 sobre floppy/HD/flash

Gestión de la entrada/salida
El sistema de ficheros

• Características del sistema de ficheros:

• Permanencia

• Organización estructurada

• En árbol

• Nombre de un fichero: relativo-absoluto

• Algunos ficheros son directorios

• Atributos de un fichero

• Tiempos de creación, Acceso…

• Derechos de acceso

• Tamaño

• etc

• El contenido se organiza en registros lógicos

• Acceso concurrente a ficheros

• Punteros independientes

Gestión de tiempos y temporización

• El tiempo es un recurso peculiar.

• La gestión del tiempo es un componente básico en cualquier sistema empotrado o de tiempo real.

• Vamos a estudiar:

• Tipos de relojes

• Rutinas de servicio de la interrupción del reloj

• Gestión de temporizadores

Gestión de tiempos y temporización
Relojes

• Reloj de tiempo real (RTC)

• Siempre en funcionamiento. Requiere alimentación propia.

• Reloj Hardware

• Se inicializa con el RTC en la inicialización.

• Produce las interrupciones de reloj.

• Suele ser programable (PIT, p. ej., Intel 8253).

• Puede tener otras funciones (p. ej., refresco de la DRAM).

• Reloj del sistema

• Es un reloj software implementado por la ISR del PIT.

• Cuenta interrupciones y las expresa en unidades de tiempo.

El tiempo en Linux

• Comando para consultar el reloj del sistema:

• date

• Ajuste del reloj:

• adjtimex (sólo puede ejecutarla root)

• Cronómetro de alta resolución:

• gettimeofday()

Gestión de tiempos y temporización Rutina de servicio de la interrupción del reloj

• Funciones:

• Soporte del reloj software (contador de unidades de tiempo, p. ej., segundos)

• Para el tiempo del sistema

• Para implementar temporizadores

• Gestión del tiempo compartido (expulsión por fin de quantum).

• Contabilidad del uso de recursos temporales (p. ej., tiempo de CPU).

• Genera eventos periódicos

Gestión de tiempos y temporización Rutina de servicio de la interrupción del reloj
Ejemplo

ISR_del_reloj ()

{

        ...

        ticks_por_segundo−−;

        intervalo_CPU++;

        if (ticks_por_segundo== 0) {

                actualiza_tiempo_del_sistema();

                señalar_evento(EVENTO_SEGUNDO);

                ticks_por_segundo= UN_SEGUNDO;

        }

        if (intervalo_CPU == quantum) {

                incrementa_gasto_CPU_del_proceso(intervalo_CPU);

                intervalo_CPU= 0;        

                goto cambio_de_contexto;

        }

        ...

        eoi();

        reti();

cambio_de_contexto:

        expulsar_proceso();

        dispatcher (scheduler());

}

Gestión de tiempos y temporización Gestión de temporizadores

• El sistema proporciona un servicio de temporización:

• Un proceso se duerme durante n unidades de tiempo.

• El sistema gestiona cuándo despertar a cada proceso dormido.

• Hay que definir la resolución del temporizador:

• A mayor resolución más carga para el sistema.

• Modelo:

• Los procesos ponen su petición de temporización (usando un IORB).

• Un gestor de tiempos (manejador), activado cada unidad de tiempo por la ISR del reloj, despacha las peticiones a medida que se cumplen, despertando al proceso correspondiente.

Gestión de tiempos y temporización 
Implementación

Gestión de tiempos y temporización 
Implementación

Gestión de tiempos y temporización 
Implementación

Gestor_tiempos ()

{

        ...

        while (TRUE) {

                esperar_evento(EVENTO_SEGUNDO);

                 while (primero(peticiones_tiempo).plazo == 0)

                        señalar_evento(primero(peticiones_tiempo).evento;

                        eliminar(primero(peticiones_tiempo));

                }

                primero(peticiones_tiempo).plazo−−;

        }

}

Ejemplo:
uso de temporizadores en Unix

#include

#include

#include

void fnula() {return;}

unsigned esperar_tiempo (unsigned seg) {

  unsigned s;

  s= alarm(seg);

  pause();

  return(s);

}

int main (int argc, const char * argv[]) {

  int i;

  unsigned t;

  signal(SIGALRM, fnula);

  for (i=1; i<5; i++) {

    printf("espera (%d segundos)\n", i);

    t= esperar_tiempo(i);

    printf("despertado (%d)\n", t);

  }

}

...