Organizacin Estructurada de Computadoras 4

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Organización Estructurada de Computadoras (4)

• Arquitectura de Microcomputadoras
• 9º Sem IEK
• Cap. 2 Parte 5 SO
• Lecturas recomendadas
• Tanembaum, A. Organización de computadoras. Cap.
  6
• Stallings, W. Organización y arquitectura de
  computadores. Cap. 7
• Carter, N. Arquitectura de Computadores.
  Colección Schaum. Cap. 10

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Sistema Operativo

• Objetivos y funciones
• Controla la ejecución de los programas de
  aplicación.
• Actúa como interfaz entre el usuario y el
  hardware del computador.
• Otorga comodidad y facilita el uso del
  computador.
• Otorga eficiencia al uso de los recursos del
  computador.

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Visión de un computador
Usuario final
Programas de aplicación
Programador
Utilidades
Sistema operativo
Diseñador del SO
Hardware del computador
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Servicios que presta el SO

• Creación de programas
• Proporciona utilidades (variedad de servicios y
  medios para ayudar al programador en la
  elaboración de programas)
• Ejecución de programas
• Realiza tareas diversas en la ejecución de un
  programa
• Ejemplos carga de datos e instrucciones en la
  memoria principal, inicialización de dispositivos
  E/S y ficheros.

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Servicios que presta el SO (2)

• Acceso a dispositivos E/S
• Proporciona a cada dispositivo E/S el
  conjunto particular de instrucciones y señales de
  control que necesita para operar, liberando al
  programador de tales tareas
• Acceso controlado a ficheros
• Hace transparente para el programador la
  naturaleza del dispositivo (disco, cinta), el
  formato del fichero y del medio de almacenamiento
• Proporciona mecanismos de protección en el caso
  de sistema con múltiples usuarios (controles de
  acceso a recursos compartidos)
• Acceso al sistema
• En el caso de un sistema compartido, controla el
  acceso al sistema como un todo y a los recursos
  específicos del sistema

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Administración de recursos

• SO es responsable de administrar los recursos de
  que dispone un computador para transferir,
  almacenar y procesar datos, y controlar estas
  funciones
• Características del SO como mecanismo de control
• Funciona como un programa más ejecutado por la
  CPU
• Frecuentemente cede el control y depende de la
  CPU para recuperarlo
• Recursos que administra
• Memoria principal aquí reside el núcleo del SO,
  formado por las funciones más frecuentemente
  utilizadas
• E/S el SO decide cuándo un programa en ejecución
  puede usar un dispositivo E/S
• Ficheros controla el acceso y el uso de los
  ficheros

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Tipos de SO

• Sistema de colas (batch)
• El programa de usuario se ubica en una cola,
  junto con programas de otros usuarios
• Al término del programa, se devuelven al usuario
  los resultados
• Actualmente, no se utiliza en forma pura
• Interactivo
• El usuario/programador interactúa directamente
  con el computador, usualmente a través de un
  terminal de pantalla y teclado

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• Uniprogramación
• El procesador trabaja con un solo programa en
  cada momento
• Multiprogramación
• Se cargan varios programas en la memoria
• El procesador conmuta rápidamente entre ellos
• La filosofía es mantener ocupado al procesador
  tanto como sea posible

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Los primeros SO

• Planificación
• Se utilizaba una lista de tiempo de reserva de la
  máquina
• Periodos de tiempo fijos
• Frecuentemente, se utilizaba mal el tiempo
• Tiempo de preparación (setup)
• Un único programa (job) se encargaba las tareas a
  ejecutar cargar en memoria el compilador y el
  lenguaje de alto nivel (programa fuente), el
  programa compilado (programa objeto)
• Podía consumir mucho tiempo en preparar la
  ejecución del programa

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Soluciones implementadas

• Sistemas de colas simples (monitor)
• El monitor controla la secuencia de eventos
  necesaria en la ejecución de los programas
• El usuario ya no tiene acceso directo al
  computador
• El monitor reside siempre en la memoria
  principal, listo para ejecutarse
• Ejemplo de secuencia
• El usuario envía el trabajo (en tarjetas o
  cinta), el cual es puesto en una cola
• Se lee el trabajo en cuestión y se le cede el
  control
• Cuando el trabajo termina, se produce una
  interrupción (interna a la CPU) y se devuelve el
  control al monitor
• El monitor pasa al siguiente trabajo

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• Sistemas de colas multiprogramados
• Resuelve el problema que se presenta en las colas
  simples procesador parado a menudo
• Se denomina también multiprogramación o
  multitarea (multitasking)
• Requiere memoria suficiente para albergar al
  monitor y a más de un programa de usuario
• Requerimientos de hardware gestión de
  interrupciones y DMA
• Sistemas de tiempo compartido
• Requerido por sistemas interactivos
• El tiempo del procesador se comparte entre varios
  usuarios
• Usuarios acceden al sistema a través de
  terminales, el SO alterna entre ráfagas de
  cómputo de cada usuario

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Diferencias entre multiprogramación y tiempo
compartido

• Objetivo principal
• Multiprogramación con colas
• Maximizar la utilización del procesador
• Tiempo compartido
• Minimizar el tiempo de respuesta
• Fuente de instrucciones para el SO
• Multiprogramación con colas
• Instrucciones de un lenguaje de control de
  trabajos que proporciona el propio trabajo
• Tiempo compartido
• Ordenes introducidas a través del terminal

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Distribución de la memoria para un monitor
residente
Procesamiento de interrupciones
Controladores de dispositivos
Monitor
Secuenciador de trabajo
Intérprete de lenguaje de control
Area de programas de usuario
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Características necesarias en el hardware

• Protección de memoria
• No se debe alterar el área de memoria que
  corresponde al monitor
• Si se intentara, el hardware de la CPU debe
  detectar un error y transferir el control al
  monitor
• El monitor aborta el trabajo, emite un mensaje de
  error y carga el siguiente trabajo
• Temporización
• Se debe evitar que un único programa monopolice
  el uso del sistema
• El temporizador se actualiza al inicio de cada
  trabajo
• Cuando el tiempo termina, se activa una
  interrupción y el control vuelve al monitor
• Instrucciones privilegiadas
• Sólo pueden ser ejecutadas por el monitor
• Ejemplos instrucciones E/S
• Si la CPU encuentra una instrucción privilegiada
  al ejecutar un programa de usuario, debe
  detectarlo como error y transferir el control al
  monitor

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Planificación

• Tarea principal de un SO moderno la
  multiprogramación
• Definición de proceso programa en ejecución
• Tipos de planificación
• Planificación a largo plazo
• Planificación a medio plazo
• Planificación a corto plazo

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Ejemplo de multiprogramación
Tiempo
Tiempo
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Ejemplo de multiprogramación
Programa A
Programa B
Programa C
Combinado
Tiempo
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Planificación a largo plazo

• Función
• Determinar qué programas se admiten para ser
  procesados en el sistema
• Controlar el grado de multiprogramación (nº de
  procesos en memoria)
• Cómo se realiza
• Una vez admitido, un trabajo o programa pasa a
  ser un proceso
• El Proceso se añade a la cola asociada al
  planificador a corto plazo
• El planificador a largo plazo puede limitar el
  grado de multiprogramación
• En el sistema de colas, los trabajos nuevos se
  envían al disco y se mantienen en línea de espera
• El planificador a largo plazo toma trabajos de la
  cola cuando puede
• Para ello debe decidir si acepta uno o más
  procesos adicionales, y qué trabajo o trabajos
  acepta y transforma en procesos

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Planificación a medio plazo

• Forma parte del intercambio (swapping)
• La decisión de intercambio de procesos está
  ligada con el grado de multiprogramación
• Debe tenerse en cuenta las necesidades de memoria
  de los procesos intercambiados

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Planificación a corto plazo

• Función
• Decide en forma específica qué trabajo se
  ejecutará, para ello mantiene la información del
  estado de los procesos
• Estado de los procesos
• Nuevo (new)
• Preparado (ready)
• En ejecución (running)
• En espera (waiting)
• Parado (halted)
• Representación de los estados de los procesos
  Mediante un bloque de control de proceso
• Identificador
• Estado
• Prioridad
• Contador de programa
• Punteros a memoria
• Datos de contexto
• Información de estado de E/S
• Información para contabilidad

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Técnicas de planificación
Sistema operativo Gestor del servicio Gestor de
interrupción Planificador
Sistema operativo Gestor del servicio Gestor de
interrupción Planificador
Sistema operativo Gestor del servicio Gestor de
interrupción Planificador
Control
A En ejecución
A En ejecución
A En espera
A En espera
Control
B Preparado
B Preparado
B En ejecución
Control
Control
Otras particiones
Otras particiones
Otras particiones
(a)
(b)
(c)
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Modelo de proceso de 5 estados
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Diagrama de colas para la planificación del
procesador
Cola a largo plazo
Cola a corto plazo
Final
CPU
Solicitud de proceso
E/S 1
E/S 2
Cola de E/S 2
E/S n
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Gestión de la memoria

• Se refiere a la subdivisión de la memoria para
  dar cabida al monitor residente y al/los
  proceso/s
• Aspecto vital en sistema multiprogramado
• Técnicas aplicadas
• Intercambio (swapping)
• Se aplica a solicitudes de proceso situadas en
  una cola a largo plazo
• Las solicitudes de proceso, almacenadas en disco,
  se traen una a una a la memoria, según espacio
  disponible, y son retirados de ella a medida que
  terminan
• Si en determinado momento, ningún proceso se
  encuentra en el estado preparado, el procesador
  intercambia uno de esos procesos, situándolo en
  el disco en una cola intermedia
• La cola intermedia alberga los procesos que se
  han sacado temporalmente de memoria
• El SO trae otro proceso de la cola intermedia o
  acepta una nueva petición de proceso
• El intercambio es una operación de E/S (involucra
  al disco)
• Riesgo empeorar

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Intercambio
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Definición de particiones

• Particiones de tamaño fijo
• No necesariamente del mismo tamaño
• Un proceso introducido a memoria se sitúa en la
  partición disponible más pequeña que puede
  albergarlo
• Particiones de tamaño variable
• Un proceso introducido a memoria recibe
  exactamente el tamaño que necesita
• La fragmentación de la memoria se soluciona con
  la compactación
• Cada tanto, el SO desplaza los procesos en
  memoria para reunir toda la memoria libre en un
  bloque (compactación)

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MEMORIA VIRTUAL

• PAGINACIÓN
• Técnica del S.O. que aparenta que la máquina
  tiene más memoria
• Se define el espacio de direcciones virtual y el
  espacio de direcciones físico
• Espacio de direcciones virtual direcciones a las
  que el programa puede hacer referencia
• Espacio de direcciones físico direcciones de
  memoria reales (en hardware)

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MEMORIA VIRTUAL - PAGINACIÓN
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Paginación

• Los procesos se dividen en partes más pequeñas de
  tamaño fijo, cada una de ellas conocida como
  página, que se lee del disco
• Equivale a dividir el espacio de direcciones que
  corresponde a un proceso en páginas cuyo tamaño
  podría estar entre 512 y 64k Bytes
• A cada página se asigna una porción de memoria
  disponible, conocida como marco (frame) o marcos
  de página
• Una página es un fragmento de programa
• Las direcciones virtuales se relacionan con las
  direcciones físicas a través de una Tabla de
  Páginas
• Es invisible para el programador y le proporciona
  un mayor espacio de direcciones

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Implementación de la Paginación

• El espacio de direcciones físico se divide de
  igual manera que el virtual, en fragmentos del
  tamaño de una página
• Un fragmento de la memoria principal que contiene
  una página se denomina Marco de Página
• La paginación es controlada por la unidad de
  gestión de memoria, que cuenta con un registro de
  entrada y un registro de salida puede ubicarse
  en la CPU

31
(No Transcript)
32
(No Transcript)
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Estructura de la tabla de páginas

• La tabla de páginas contiene la traducción de la
  dirección virtual o lógica de una palabra de
  memoria (nº de página y desplazamiento) a una
  dirección física (nº de marco y un
  desplazamiento)
• La tabla de páginas tiene longitud variable y es
  alojada en la memoria real o en la memoria
  virtual
• Si la tabla de páginas se aloja en la memoria
  virtual, está sujeta a paginación igual que
  cualquier otra página
• En tal caso, se requiere que una parte de su
  tabla de páginas, la que incluye al elemento en
  ejecución, resida en la memoria principal

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Paginación por Demanda

• Cada proceso se introduce en memoria cuando se
  necesita (cuando se solicita)
• Se cargan en la memoria unas pocas páginas
• Si el programa hace referencia a un dato de una
  página que no está en memoria, se produce una
  falta de página o fallo de página
• En tal caso, el SO debe traer la página
  solicitada
• La mayor parte de los programas tiende a
  concentrar la referencia a un número reducido de
  páginas (conjunto de trabajo, conjunto de las
  páginas utilizadas por las referencias a memoria
  más recientes)
• Riesgo hiperpaginación (thrasing). El procesador
  pasa la mayor parte del tiempo intercambiando
  páginas
• Solución predicción de páginas que serán menos
  utilizadas en el futuro próximo

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Paginación por demanda

• Política de reemplazo de páginas
• La menos recientemente utilizada (LRU, least
  recently used)
• Es eficiente si la memoria principal es de tamaño
  mayor que el conjunto de trabajo
• FIFO (Primero en entrar, primero en salir)
• Expulsa la página que se cargó menos
  recientemente, sin importar cuándo se hizo
  referencia a ella.
• Se implementa añadiendo a cada página un
  contador que se incrementa con cada fallo de
  página

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(No Transcript)
37
Paginación

• Determinación del tamaño de una página
• Relación de compromiso
• Fragmentación interna espacio desperdiciado
  dentro de una página
• Para minimizar el desperdicio se requieren
  páginas de pequeño tamaño
• Ventaja de la página pequeña
• Podría reducir la hiperpaginación
• Desventajas de la página pequeña
• Alto requerimiento en hardware (grandes tablas de
  páginas requieren gran cantidad de registros)
• Uso ineficiente del tiempo
• Utilización ineficiente del ancho de banda del
  disco

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Estructura de tabla de páginas invertida

• La porción de la dirección virtual
  correspondiente al número de página se mapea en
  una tabla de dispersión, mediante una función de
  dispersión sencilla
• La tabla de dispersión incluye un puntero a una
  tabla de páginas invertida, que contiene los
  elementos de la tabla de páginas
• Para cada página de memoria real hay un elemento
  en la tabla de dispersión y en la tabla de
  páginas

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Buffer de traducción anticipada (Translation
lookaside buffer, TLB)

• Toda referencia a memoria virtual podría duplicar
  el tiempo de acceso a memoria
• Solución
• Utilizar una memoria caché (TLB) para los
  elementos de la tabla de páginas
• El TLB contiene los elementos de la tabla de
  páginas a los que se ha accedido más
  recientemente

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Segmentación

• La memoria se divide en segmentos de tamaño
  variable (dinámico)
• Los segmentos se asignan a varios tipos de
  programas y datos
• Los segmentos pueden ser utilizados por el
  programador, a quien se asignará derechos de
  acceso y uso
• Las referencias a memoria se realizan mediante
  direcciones constituidas por un nº de segmento y
  un desplazamiento

41
(No Transcript)
42
Segmentación

• La longitud de un segmento puede ir desde 0 hasta
  un máximo
• La longitud de un segmento puede cambiar durante
  la ejecución, sin afectar a otros
• Diferentes segmentos pueden tener diferentes
  longitudes

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(No Transcript)
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Implementación de la segmentación

• Intercambio
• Idéntico a la paginación
• Se produce fragmentación externa desperdicio de
  espacio entre segmentos
• Se reduce la fragmentación externa con la
  compactación, utilizando los algoritmos de
• Mejor ajuste escoge el hueco más pequeño en el
  que cabe el segmento requerido
• Primer ajuste escoge el primer agujero lo
  bastante grande como para albergar el segmento

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(No Transcript)
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Implementación de la segmentación(2)

• Paginación
• Se divide un segmento en páginas de tamaño fijo
• Algunas de las páginas de un segmento podrían
  estar en la memoria y otras en el disco
• Se requiere una tabla de páginas individual para
  cada segmento
• La paginación se produce por demanda

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Ventajas de la segmentación

• Simplificación de la gestión de estructuras
  crecientes de datos (el segmento se reduce o
  expande, según necesidad)
• Posibilidad de modificar y recompilar los
  programas en forma independiente, sin necesidad
  de enlazar y cargar el conjunto entero de
  programas
• Varios procesos pueden compartir segmentos
• Otorga facilidades para implementar
  protecciones puesto que está definido el
  conjunto de un segmento, el administrador del
  sistema puede asignar privilegios de acceso

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Instrucciones de E/S virtuales

• Organización en archivos
• Secuencia de bytes escritos en un dispositivo de
  almacenamiento de E/S (disco)
• Operaciones de E/S con archivos se efectúan con
  llamadas al sistema
• Llamada de lectura de un archivo
• Indicación del archivo a leer
• Apuntador a un buffer de la memoria conde se
  almacenarán los datos
• Nº de bytes a leerse
• Se asocia un apuntador que indica la secuencia de
  bytes que se leerá a continuación e información
  para indicar que se ha terminado de leer un
  archivo y puede ser cerrado

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Implementación de las E/S virtuales

• Factor clave asignación de almacenamiento, que
  puede darse en un sector de disco, sectores
  consecutivos o no.
• Asignación consecutiva
• Es sencilla, sin embargo no es posible cuando no
  se conoce el tamaño máximo del archivo por
  adelantado
• Asignación no consecutiva
• Aplicada en casos en que nos e conoce el tamaño
  final de los archivos (éstos podrían estar
  creciendo continuamente)
• Necesidad de mantener información acerca de los
  espacios disponibles en disco (huecos)
• Lista libre facilita la localización de un
  hueco se trata de una lista de tamaño variable
• Mapa de bits se cuenta con un bit por unidad de
  asignación
• Necesidad de actualizar las listas o tablas de
  asignación luego de asignar o borrar archivos del
  disco

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• Tamaño de la unidad de asignación
• Factores que inciden tiempo de búsqueda y
  retraso rotacional de los discos
• Unidades de asignación pequeñas poco desperdicio
  de espacio, índices de archivos grandes o tablas
  grandes
• Unidades de asignación grandes eficiencia de
  transferencia

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Método de localización de datos en la asignación
no consecutiva

• Proporciona las unidades de asignación y sus
  direcciones de disco reales
• Lista de direcciones de bloques de disco
• Lista de registros lógicos, especificando la
  dirección en disco y la distancia para cada uno
• Lista enlazada cada unidad de asignación
  contiene la dirección de su sucesora

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Gestión de directorios

• Directorios organización de los archivos en
  línea (información manejada automática por la
  computadora)
• Ejemplos de llamadas al sistema
• Crear un archivo e introducirlo en un directorio
• Borrar un archivo de un directorio
• Cambiar el nombre de un archivo
• Modificar la situación de protección de un
  archivo
• Los directorios facilitan el compartir archivos
  entre usuarios

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Esquemas de protección

• El dueño de cada archivo especifica una
  contraseña secreta
• El dueño de cada archivo especifica la lista
  explícita de usuarios que pueden acceder al
  archivo