3. Sistemas operativos - Informática Ingeniería en Electrónica y

Definición de sistema operativo
Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
3. Sistemas operativos
Informática
Ingenierı́a en Electrónica y Automática Industrial
Raúl Durán Dı́az
Juan Ignacio Pérez Sanz
Departamento de Automática
Escuela Politécnica Superior
Curso académico 2016–2017
Rev: 1.22
Raúl Durán Dı́az, Juan Ignacio Pérez Sanz
3. Sistemas operativos
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Definición de sistema operativo
Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Contenidos
1
Definición de sistema operativo
2
Procesos
3
Sistema de ficheros
4
Interfaces de usuario
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Definición de sistema operativo
Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Objetivos
Definiciones básicas
Objetivos
Comprender el concepto de sistema operativo y su utilidad.
Ser capaz de describir los diferentes elementos de que consta
y comprender su importancia.
Entender el concepto de proceso en el contexto de los
sistemas operativos.
Entender el concepto de sistema de ficheros.
Ser capaz de utilizar los comandos básicos de Linux,
manejando la entrada/salida estándar y los comandos
concatenados.
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Definición de sistema operativo
Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Objetivos
Definiciones básicas
¿Qué es un sistema operativo?
Definición
Un sistema operativo es un programa (o conjunto de programas)
de control que tiene por objeto facilitar el uso del computador y
conseguir que este uso sea eficiente.
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Definición de sistema operativo
Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Objetivos
Definiciones básicas
Misiones del sistema operativo
El sistema operativo proporciona dos servicios fundamentales:
extiende las instrucciones de la máquina base;
media en los conflictos entre procesos a causa de los recursos.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Objetivos
Definiciones básicas
Máquina extendida u operativa
El sistema operativo esconde detalles demasiado finos como
para que el programador deba ocuparse de ellos.
Por ejemplo: cómo se maneja la cabeza de lectura/escritura de
un disco magnético.
Presenta al usuario-programador una ((máquina virtual)) que se
maneja de modo mucho más sencillo.
Esa ((máquina virtual)) está normalmente estandarizada, de
manera que un mismo programa puede valer para sistemas
operativos distintos si estos ofrecen al usuario-programador la
misma interfaz estándar.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Objetivos
Definiciones básicas
Máquina extendida u operativa
La ((máquina virtual)) extiende el repertorio estándar de
instrucciones por medio de los llamados system calls o
servicios del sistema.
Esos servicios del sistema pueden verse como ((instrucciones
extendidas)) que permiten al programador ampliar sus
posibilidades a la hora de programar.
Los servicios del sistema constituyen la “interfaz” entre el
programador y el sistema operativo.
Los servicios del sistema se dividen en dos categorı́as
esenciales:
los que manejan procesos;
los que manejan el sistema de ficheros.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Objetivos
Definiciones básicas
Máquina extendida u operativa
nivel máquina simbólica
Compiladores
Editores
Intérprete de comandos
nivel máquina extendida
Sistema Operativo
nivel máquina real
Instrucciones en lenguaje máquina
Figura: Posición relativa de las máquinas
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Objetivos
Definiciones básicas
Administrador de recursos
La segunda misión importante del sistema operativo es actuar
como árbitro entre los distintos usuarios para manejar los
recursos limitados del sistema.
Ejemplo
Si varios programas quieren escribir en una impresora, hay que
arbitrar los medios para que lo hagan en serie, uno detrás de otro,
y que no se obstaculicen mutuamente.
Ejemplo
Mientras un proceso espera un dato del disco, otro puede usar la
capacidad de cómputo del procesador.
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Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Estructura
Planificación
Procesos
El elemento ejecutivo fundamental de un sistema computador
es el proceso.
Un sistema computador en funcionamiento no es más que un
conjunto de uno o más procesos en ejecución según diversas
posibles planificaciones temporales.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Estructura
Planificación
¿Qué es un proceso?
Definición
Un proceso es, en esencia, un programa en ejecución.
Observación
Podemos ver un proceso como la instanciación dinámica de un
programa. Puede, pues, ocurrir que varios procesos ejecuten (es
decir, instancien) el mismo programa.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Estructura
Planificación
Elementos de un proceso
Un proceso consta de
un espacio de memoria, estructurado en secciones;
los registros del procesador.
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Interfaces de usuario
Definiciones
Estructura
Planificación
Estructura de un proceso
Vista de un proceso en relación a la memoria virtual y registros:
Pila
Un proceso necesita manejar
registros de la CPU:
Direcciones de memoria crecientes
$SP
11111111111111111
00000000000000000
00000000000000000
11111111111111111
00000000000000000
11111111111111111
00000000000000000
11111111111111111
Hueco libre (variable)
$GP
Datos dinámicos
Datos estáticos
contador de programa $PC.
puntero de pila $SP.
puntero a datos dinámicos $GP.
registro de estado $PSW.
Instrucciones
$PC
Reservado
0
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Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Estructura
Planificación
Caracterı́sticas un proceso
Un proceso solo puede ser creado por otro proceso.
Cualquier proceso puede crear a su vez procesos.
Se utilizan dos servicios del sistema para crear nuevos
procesos:
fork: crea una réplica del proceso llamante;
exec(p1): pone en ejecución el programa en el archivo
ejecutable p1.
El servicio del sistema exec se ocupa de trasladar el archivo
ejecutable a memoria, dándole la adecuada estructura a cada
sección, para que pueda comenzar la ejecución en el contexto del
nuevo proceso.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Estructura
Planificación
Estructura de un árbol de procesos
A
B
C
D
E
F
Figura: Vista de un árbol de procesos
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Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Estructura
Planificación
Arranque (boot) del sistema computador
En el momento de arranque de la máquina, hay un solo
proceso en ejecución, responsable de ir creando todos los
demás. Este proceso está grabado en la imagen de arranque
(boot image).
El arranque del sistema se ejecuta en varios pasos:
Se ejecuta un pequeño código almacenado en memoria no
volátil que carga un cargador más potente y lo pone en
ejecución.
Este segundo cargador carga la imagen del sistema operativo
(boot image) y pone en ejecución el primer proceso de esa
imagen.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Estructura
Planificación
Estructura de un fichero de imagen ejecutable
Secciones
Símbolos
Datos estáticos
Instrucciones
Cabeceras
Figura: Estructura de un fichero ejecutable
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Estructura
Planificación
Turno en la ejecución de los procesos
El recurso más valioso es el procesador.
El procesador solo puede ejecutar un proceso cada vez.
Cuando el proceso en ejecución se bloquea (porque espera un
dato del disco, por ejemplo) el proceso distribuidor suspende
el proceso en curso y selecciona otro que tenga posibilidad de
ejecutarse en ese momento de acuerdo con cierta planificación.
Cada proceso se describe por el espacio de memoria que usa y
por el valor de los registros del procesador en el momento de
la suspensión.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Estructura
Planificación
Planificación: modo monoprograma
Recursos
impresora
dispositivos E/S
disco
puerto USB
proceso 1
sistema operativo
11111
00000
00000
11111
0
1
00
11
0
1
00
11
0
1
00
11
0000
1111
0000
1111
11
00
0
1
00
11
0
1
00
11
0
1
CPU no usada
CPU
inicio proc. 1
CPU no usada
proceso 2
inicio proc. 2
11
00
00
11
fin proc. 1
00
11
00
11
00
11
0
1
00
011
1
00
11
011
1
00
Tiempo
Figura: Planificación en modo monoprogramación
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Estructura
Planificación
Planificación: modo multiprograma
Recursos
E/S proc. 1
E/S proc. 1
impresora
dispositivos E/S
disco
puerto USB
proceso 2
CPU
proceso 1
sistema operativo
inicio proc. 2
proc. 2 interrumpido
por el s.o.
continúa proc. 2
11111
00000
0000
1111
00
11
00000
11111
0000
1111
00
11
fin proc. 1
00000
11111
0000
1111
00
11
00000
11111
0000
1111
00
11
00000
11111
0000
1111
00
11
0
1
00
11
00
11
0
1
0
1
00
0
1
00
11
00
11
0
1
011
1
00
11
inicio proc. 1
Tiempo
Figura: Planificación en modo multiprogramación
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Estructura
Planificación
Planificación: modo turno rotatorio
El modo multiprograma tiene el inconveniente de que si un
proceso tiene poca E/S, monopoliza demasiado tiempo el
procesador.
Solución: multiprogramación apropiativa
El distribuidor del sistema operativo puede interrumpir un proceso
en ejecución, apropiándose del procesador y dando turno a otro
proceso que esté listo para ejecutarse.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Estructura
Planificación
Planificación: ciclo de vida de un proceso
fin, error
Nonato
Finalizado
cancelado, error
distribuidor
distribuidor
Listo
fin E/S
cancelado, error
distribuidor
Activo
E/S
Bloqueado
Figura: Diagrama de estados para un proceso
Rev: 1.22
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Estructura
Planificación
Memoria virtual
El sistema operativo ofrece al proceso la ilusión de que puede
utilizar toda la memoria disponible. Esto se denomina
memoria virtual.
En realidad, la memoria fı́sica que ocupa un proceso puede ser
mucho más pequeña.
El sistema operativo se encarga de mantener una tablas
especı́ficas para cada proceso mediante las cuales realiza la
traducción de la dirección de memoria virtual a la dirección
fı́sica.
Ası́ pueden convivir simultáneamente en un sistema más
procesos de los que realmente caben en la memoria fı́sica de
que ese sistema dispone.
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Aplicación a Unix/Linux
Sistema de ficheros
Concepto de fichero y directorio.
Directorio de trabajo.
Rutas absolutas y relativas.
Rev: 1.22
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Aplicación a Unix/Linux
Sistema de ficheros
Definición
Abstracción limpia para manejar ficheros con independencia del
hardware real que exista.
Ejemplo
Existen muchos tipos de sistemas de ficheros. Cada sistema
operativo soporta unos u otros. Como ejemplo tenemos: ext4,
NTFS, FAT32, ReiserFS, ISO9660, etc. Pueden convivir varios
simultáneamente en un mismo sistema.
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Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Aplicación a Unix/Linux
Servicios del sistema para manejar ficheros
El sistema nos da servicios para manejar ficheros:
create/open: para crear un fichero nuevo o abrir uno
existente;
read/write: para leer o escribir en un fichero;
close: cerrar el canal de comunicación con un fichero;
unlink: borra un fichero de un directorio.
Nota
Los servicios de manejo de ficheros son independientes del sistema
de ficheros usado.
Rev: 1.22
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Aplicación a Unix/Linux
Estructura de un árbol de directorios
raíz
clases
informática
trabajos
física
ficheros
pelis
ice-age
shrek
Figura: Vista de la estructura de ficheros en Unix/Linux
Rev: 1.22
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
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Definiciones
Aplicación a Unix/Linux
Aplicación a Unix/Linux
jerarquı́a de ficheros;
dispositivos como ficheros (virtuales);
puntos de montaje.
Rev: 1.22
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Definiciones
Aplicación a Unix/Linux
Dispositivos y ficheros
Para proporcionar una interfaz coherente, en Unix/Linux se
accede a los dispositivos también a través de ficheros.
Se trata de fichero especiales, normalmente situados bajo el
directorio /dev.
Los servicios del sistema que se usan son los mismos que para
los ficheros normales.
Rev: 1.22
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
29 / 33
Definiciones
Aplicación a Unix/Linux
Puntos de montaje en el sistema de ficheros
Para aumentar el espacio disponible se pueden agregar más
discos al sistema de ficheros existente. El nuevo disco ha de
contener a su vez un árbol de directorios.
Para hacer conocido al sistema el nuevo disco, se utiliza el
concepto de punto de montaje.
El punto de montaje no es más que un directorio del sistema
original bajo el cual se monta el nuevo disco.
El usuario ve que aparecen nuevos directorios y archivos bajo
un directorio originalmente vacı́o. No tiene conciencia de en
qué disco está escribiendo.
Rev: 1.22
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Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Concepto
Interfaz shell
Interfaz de usuario
En todo sistema computador siempre existe al menos un
proceso para cada usuario que permite a este la interacción
con el sistema.
En su forma más sencilla, la interfaz consiste en una consola
textual donde el usuario puede teclear órdenes. Esas órdenes
mandan en su mayor parte poner en ejecución distintos
programas que el usuario quiere utilizar.
El proceso interfaz recoge esas órdenes, busca los programas
correspondientes, los pone en ejecución y dirige hacia la
consola la salida que estos programas producen.
Rev: 1.22
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Definición de sistema operativo
Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
31 / 33
Concepto
Interfaz shell
Tipos de interfaz de usuario
Existen varios tipos de interfaces de usuario, cada uno con sus
ventajas y sus inconvenientes.
Interfaz de lı́nea de órdenes: las órdenes se teclean sobre una
terminal obedeciendo a cierta sintaxis. En la misma terminal
se muestra también la salida producida.
Interfaz de menús: el usuario selecciona las órdenes a partir de
un elenco pre-establecido.
Interfaz con iconos: las posibles órdenes están simbolizadas
con iconos o figuras que se ejecutan al pulsar con el ratón
sobre ellas.
Rev: 1.22
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Definición de sistema operativo
Procesos
Sistema de ficheros
Interfaces de usuario
Concepto
Interfaz shell
Programa shell
Se trata de un programa muy completo que funciona en modo
interfaz de lı́nea de órdenes. El usuario teclea sus órdenes y el
shell las manda ejecutar. Presenta varias caracterı́sticas tı́picas:
entrada y salida estándar;
concatenación de entrada/salida, ((tuberı́as));
variables de entorno;
estructura tı́pica de un comando de lı́nea: llamada al
comando, argumentos, variable de entorno PATH.
algunos comandos muy básicos:
ls -l, cd, pwd, mkdir, rmdir, ps -ef, pstree.
Rev: 1.22
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