Sistemas operativos

Un sistema operativo es un programa (o un conjunto de programas) destinado a permitir la comunicación del usuario con un computador y gestionar sus recursos de una forma eficaz. También se le conoce como software de sistema, y es el sistema mas importante de las computadoras ya que permite la instalación y el uso de software de aplicación o de desarrollo. Comienza a trabajar cuando se enciende el computador, y gestiona el hardware de la máquina desde los niveles más básicos.

Un sistema operativo se puede encontrar normalmente en la mayoría de los aparatos electrónicos que utilicen microprocesadores para funcionar, ya que gracias a estos podemos entender la máquina y que ésta cumpla con sus funciones (teléfonos móviles, reproductores de DVD, autoradios... y computadoras). Los mas utilizados actualmente son MS-Windows, GNU/Linux y UNIX.

Historia de los sistemas operativos

Los primeros computadores no tenían sistema operativo. El programador cargaban en lenguaje máquina, y tenía que hacer todo el software.

De 1955 a 1965 se crean los sistemas de procesamiento por lotes (Batch Files).Se agrupaban varios trabajos en un lote, para agilizar el proceso. Su estructura era monolitica, es decir estaban constituídos fundamentalmente por un solo programa compuesto de un conjunto de rutinas entrelazadas de tal forma que cada una puede llamar a cualquier otra. Las características fundamentales de este tipo de estructura son:

• Construcción del programa final a base de módulos compilados separadamente que se unen a través del ligador.

• Buena definición de parámetros de enlace entre las distintas rutinas existentes, que puede provocar mucho acoplamiento.

• Carecen de protecciones y privilegios al entrar a rutinas que manejan diferentes aspectos de los recursos de la computadora, como memoria, disco, etc.

• Generalmente están hechos a medida, por lo que son eficientes y rápidos en su ejecución y gestión, pero por lo mismo carecen de flexibilidad para soportar diferentes ambientes de trabajo o tipos de aplicaciones.

A partir de 1965 se crean los sistemas operativos de estuctura jerarquica donde se hizo necesaria una mayor organización del software, del sistema operativo, así una parte del sistema contenía subpartes y esto organizado en forma de niveles, de tal forma que cada una de ellas estuviera perfectamente definida y con un claro interface con el resto de elementos. El primero de los cuales fue denominado THE (Technische Hogeschool, Eindhoven), de Dijkstra, que se utilizó con fines didácticos . Se puede pensar también en estos sistemas como si fueran multicapas(Multics y Unix caen en esa categoría).

Conceptos básicos de un sistema operativo

Un sistema operativo (SO) es un programa(o un conjunto de programas) que dan a las personas la oportunidad de usar el hardware de una computadora(CPU, memoria, periféricos y otros).

Sin un sistema operativo, las personas no podrían usar las computadoras o los programas que se ejecutan sobre estas.

Los usuarios no dan las instrucciones a las computadoras, sino al sistema operativo y este sistema operativo dará la instrucción al hardware para ejecutar las tareas requeridas. La tarea de un sistema operativo es llevar a cabo las solicitudes de los usuarios.Según [Alcal92], se deben observar dos tipos de requisitos cuando se construye un sistema operativo, los cuales son:

* Requisitos del usuario: Sistema fácil de usar y de aprender, seguro, rápido y adecuado al uso al que se le quiere destinar.

* Requisitos del software: Donde se engloban aspectos como el mantenimiento, forma de operación, restricciones de uso, eficiencia, tolerancia frente a los errores y flexibilidad.

Para que los usuarios tengan la habilidad de utilizar una computadora, el sistema operativo tiene un número de tareas que debe llevar a cabo. Algunas de estas son:

• Dar a las aplicaciones la posibilidad de almacenar y cargar datos.
• Controlar el flujo de datos de la computadora.
• Permitir a los programas ejecutarse sin interferir con los demás programas.
• Compartir datos y trabajar entre programas independientes.
• Manejar los errores.
• Administrar los recursos en una computadora.

Hay muchos y diferentes sistemas operativos en el mercado. Algunos ejemplos son:

• DOS
• GNU/Linux
• Windows XP
• Windows 2000
• Windows 2003
• Windows 7
• Windows 10
• Mac OS X
• BSD
• Solaris

Procesos

Definición de proceso

• Se podría definir proceso como: ‘Un programa en ejecución’
• Para el Sistema Operativo un proceso es: ‘Un conjunto de estructuras de datos, registros y campos con valores.’

Estructuras de Control

1. Tablas de memoria:

   Emplean para saber que uso reciben las memorias principal y secundarias. También para obtener cualquier otro tipo de información , relacionada con la memoria.

2. Tablas de ficheros:

   Almacenan toda la información que contiene un fichero o archivo.

3. Tablas de dispositivos de E/S:

   Almacenan toda la información sobre los periféricos o dispositivos de E/S.

4. Tablas de procesos:

   Se utilizan para gestionar toda la información que utiliza el Sistema Operativo al manejar los distintos procesos.

Imagen del proceso

La imagen de un proceso es eso que pasa cuando un proceso tiene una imagen de los procesos dentro del mismo proceso(hilos)

1. Espacio en memoria para almacenar los distintos procesos
2. Espacio en memoria para almacenar la ‘pila de ejecución’ (Estructura de tamaño intermedio, donde se almacenan datos temporales necesarios en un proceso.)
3. ‘Bloque de control de proceso (bloqueo de control de proceso)’, (Registro con el cual el Sistema Operativo, toma información sobre cada proceso.)

La Tabla de Procesos

Si enlazamos todos los ‘bloques de control de procesos’ (PCBs), mediante un array o bien una lista enlazada, obtenemos la ‘tabla de procesos’. Esta, toma información de cada uno de los procesos. Cada proceso consta de un identificador (PI, Identificador de Procesos) para un correcto uso y control.

Está formada por:

1. PCB
2. Pila
3. Código
4. Datos

Información de Estado

Se encarga de almacenar el contenido de los registros del procesador cuando el proceso, no esta ejecutándose. Este proceso normalmente esta supervisado y dirigido por el hardware de la máquina.

Información de control

Es la información que se utiliza para obtener datos relacionados con el control del proceso.

Los privilegios del proceso

Debido a que el microprocesador, no dispone de memoria ilimitada para la ejecución de los procesos, a estos se les aplica un ‘sistema de privilegios de proceso’. De esta forma un proceso con ‘mayor privilegio de proceso’ puede interrumpir uno de menor ‘privilegio’, pero nunca al revés.

Comunicación entre procesos

Son todos esos datos que guardan la información de las operaciones realizadas entre procesos.

Módulos de Ejecución

El Sistema Operativo utiliza estructuras para controlar los distintos procesos.

Existen dos formas de ejecución

El modo núcleo: Este modo es controlado y utilizado por el Sistema Operativo. El módulo usuario: En este modo se ejecutan los procesos del usuario, no se puede acceder a las estructuras del sistema. Para cambiar entre modos se utilizan ciertos métodos para pasar de modo núcleo a modo usuario, basta con realizar la instrucción:

Changemode (CM)

Para pasar de modo usuario a modo núcleo el sistema es mucho más complejo. Si el usuario necesita utilizar las estructuras del sistema, deberá realizar una ‘llamada al sistema.’

La llamada al sistema

Funciona como una interrupción pero proviene del software. De esta manera al producirse la interrupción se pasa automáticamente al modo núcleo. Cuando se produce una de estas ‘interrupciones’ el microprocesador hace ‘un cambio de contexto’, es decir guarda toda la información en registros PCB.

Estados de un Proceso

+ El estado describe la situación actual de un proceso.

+ Dependiendo de este, el Sistema Operativo considera la acción que llevará a cabo.

+ La clasificación más simple viene dada por el ‘Modelo de 2 Estados’

+ No todos los procesos que no ejecutan están en la misma situación

+ Un modelo que representa mejor este proceso es el ‘Modelo de 5 Estados’

El Modelo de 5 Estados

+ Si el Sistema Operativo se queda sin recursos el proceso se queda en ‘Nuevo’.

+ Cuando recibe suficientes recursos pasa al estado ‘Listo’.

- Este ya es un proceso completamente funcional, aunque el Sistema Operativo no permite que haya más de un proceso ejecutándose simultáneamente.

+ Cuando el Sistema Operativo permite continuar el proceso, este pasa al estado de ‘Ejecución’.

+ Una vez finalizada la ejecución, el proceso acaba en el estado ‘Terminado’.

- Durante ciertos instantes se mantiene la información del proceso en el PCB, con el objetivo de obtener datos sobre este.

+ Por último el Sistema Operativo repite todos los pasos anteriores con el resto de procesos, que se encontraban ‘en espera’.

+ Un estado especial sería ‘bloqueado’, por el cuál el proceso es interrumpido hasta que cumpla ciertos requisitos.

El Modelo de 7 Estados

+ La mayoría de los Sistemas Operativos pueden llevar los procesos desde la memoria principal, hasta la secundaria, mediante un mecanismo denominado ‘swapping’ (Intercambio).

+ Esto permite el intercambio de procesos.

+ Una gran ventaja de este método es cuando el proceso ‘liberado’ no puede ejecutarse, y el ‘introducido’ si puede hacerlo.

+ Un proceso ‘Suspendido’, esta en memoria secundaria

+ Un proceso ‘Bloqueado’, va siempre a memoria secundaria antes que un proceso ‘listo’.

+ Un proceso solo regresa a memoria principal [De ‘Listo y Suspendido’ a ‘Listo’] cuando lo decide el Sistema Operativo.

+ Un proceso ‘Bloqueado y Suspendido’ nunca regresa a la memoria principal [De ‘Bloqueado y Suspendido’ a ‘Bloqueado’], hasta que se desbloquee.

+ Con el intercambio es posible sacar de la memoria principal a procesos bloqueados, para dejar espacio a otros procesos totalmente funcionales.

Políticas de Planificación

+ Se utilizan por el Sistema Operativo para tomar las decisiones, que cambian el estado de un proceso.

Planificaciones a Largo Plazo (‘PLP’)

+ Decide que procesos llegan al estado ‘Listo’

+ Este tipo de política mide el grado de multiprogramación

+ La PLP requiere un algoritmo muy complejo que se ejecuta cada cierto tiempo.

Planificaciones a Medio Plazo (‘PMP’)

+ Controla el intercambio de procesos entre la memoria principal y la secundaria

--- Menos el código que implementan en el sistema

+ En un sentido u otro

Su ejecución se realiza con más frecuencia que la ‘PLP’ por lo que su tiempo de ejecución será menor.

Planificaciones a Corto Plazo (‘PCP’)

+ Controla cuando un proceso comienza su ejecución, y cuando debe finalizar.

+ Este algoritmo debe ser muy simple, pues el proceso se ejecuta muy frecuentemente.

Planificaciones de un Procesador

+ Los algoritmos más frecuentes y a los que además vamos a prestar más atención son los ‘PCP’ + Para comparar los distintos algoritmos de planificación se deben establecer una serie de criterios que permitan esta comparación:

1) El Uso de la CPU:

- Mide el porcentaje de tiempo que el procesador pasa ejecutando los procesos

Valores Adecuados [40% - 90%]

Valores Imposibles [> 90%]

Valores Catastróficos [< 40%]

2) La Productividad:

- Es el número de trabajos realizados por unidad de tiempo

3) El Tiempo de Retorno:

- El tiempo que el proceso pasa en el sistema

- Cuanto menos mejor.

4) El Tiempo de Espera:

- El tiempo que el proceso gasta en estado de espera (Sin hacer nada).

5) El Tiempo de Retorno Normalizado:

TRNorm = Tretorno / Tservicio

- Permite realizar comparaciones absolutas

- Por lo que el ‘TRN’ es relativo.

6) El Tiempo de Respuesta Interactivo:

- Es el tiempo que pasa desde que el sistema interacciona con el usuario.

- Tiempo desde que el usuario ejecuta una aplicación, y el programa responde.

7) La Prioridad:

- El procesador muestra más prioridad en unos procesos que en otros.

Fórmulas

• Tret = Tfin – Tinicio
• Tret = Tcpu + Tespera + Te/s
• Tservicio = Tcpu + Te/s

Algoritmos de Planificación

Existen dos categorías

Apropiativos

El Sistema Operativo puede expulsar del procesador un proceso en ejecución (línea punteada.)

No Apropiativos

Estos procesos, no pueden ser expulsados por el Sistema Operativo.

Clases de algoritmos

Algoritmo de planificación FCFS

Este algoritmo emplea los procesos en la cola de ‘listos’ Algoritmo no apropiativo.

• Una petición no puede ser desplazada por la llegada de una petición con prioridad mas alta.
• No hay reordenamiento de la cola de peticiones pendientes.
• Se ignoran las relaciones posicionales entre las peticiones pendientes.
• Ofrece una varianza pequeña aunque perjudica a las peticiones situadas al finale de la cola.

Algoritmo de planificación SJF

El algoritmo de primero el trabajo más corto (SJF, shortest job frist), que asocia a cada proceso la longitud de la siguiente ráfaga de CPU de ese proceso. Cuando la CPU queda disponible, asigna al proceso cuya siguiente ráfaga de CPU sea más corta. Si hay dos procesos cuyas siguientes ráfagas de CPU tienen la misma duración, se emplea planificación FCFS (first come, first served) para romper el empate. Consideremos el conjunto de procesos siguiente(la duración de la ráfaga está en milisegundos):

Proceso	Tiempo respuesta
P1	6
P2	8
P3	7
P4	3

Utilizando una politica SJF, planificariamos estos procesos según el diagrama de Gantt siguiente:

P4	P1	P3	P2

0

3

9

16

24

El tiempo de espera es de 3 milisegundos para el proceso P₁, 16 milisegundos para el proceso P₃ y 0 milisegundos para el proceso P₄. Así, el tiempo de espera promedio es (3+16+9+0)/4=7 milisegundos. Se puede demostrar que el algoritmo SJF es óptimo, en cuanto a que da el tiempo de espera promedio mínimo para un conjunto dado de procesos. Si atendemos a un proceso corto antes que a uno largo, el tiempo de espera del proceso corto disminuirá más de lo que aumenta el tiempo de espera del proceso largo. En consecuencia, el tiempo de espera promedio disminuye. Lo realmente difícil del algoritmo SJF es conocer la duración de la siguiente solicitud de CPU. Para la planificación a largo plazo en un sistema por lotes, podemos usar como duración el límite de tiempo de proceso que el usuario especifica cuando presenta el trabajo. Esto motiva a los usuarios para estimar con precisión el límite de tiempo en sus procesos, ya que un valor más bajo podría significar una respuesta más rápida.

Algoritmo de planificación SRT - Shortest Remaining Time - (Es un SJF apropiativo)

Este algoritmo siempre ejecuta primero aquellos procesos a los que les queda menos tiempo para terminar Este algoritmo también es conocido como ‘optimo’, pues con el se obtienen los mejores resultados.

Algoritmo de prioridades

Selecciona aquellos procesos que se encuentran en la cola de ‘listos’.

En este algoritmo, los criterios de rendimiento, no son los más necesarios.

El criterio principal es hacer que los procesos ‘en espera’ sean los primeros en ejecutarse

El principal inconveniente, es que puede producir ‘inanición’, es decir si tenemos un proceso de prioridad baja, y muchos de alta, puede ocurrir que el primero no se ejecute nunca.

Se puede llevar a cabo un proceso de envejecimiento, el cual hace ganar prioridad al primer proceso, permitiendo que se ejecute.

Turno Rotatorio Virtual (Virtual Round Robin, VRR)

Soluciona el problema de que un proceso sin terminar el "quantum" que le brinda el procesador se bloquea para un servicio de E/S, y cuando este vuelve no se le reintegra el tiempo del "quantum" que no utilizó antes, sino que debería retornar a la cola de listos y esperar por otro nuevo "quantum" completo. (Esta falla pertenece al RR).

Estos procesos abandonan la CPU, para no consumir el quanto completo. Por lo que deben esperar de nuevo en la cola de ‘listos’. Los procesos con ráfagas grandes consumen un cuarto del quanto completo.

Existen dos tipos

Procesos con carga de E / S

Procesos sin carga de E / S

El RR perjudica a los procesos del 1º tipo

Para solucionar este problema, el VRR crea dos colas de ‘Listos’ (L1 y L2)

Se podría decir que una es la cola ‘original’ (L1) y la otra es una cola ‘virtual’ (L2)

La L2 tiene mayor prioridad, que la L1. Es por eso que los procesos que vuelven de E/S, siempre se ejecutan antes, puesto que están en L2.

Algoritmo HRRN

Es el que muestra mayor tasa de respuesta Al ser no apropiativo, selecciona el proceso con mayor tasa de respuesta;

Trespuesta = (Tespera + Tservicio) / Tservicio

El algoritmo pone a ejecutar el proceso con mayor tasa de respuesta. Donde el tiempo de espera (s) es el que el proceso pasa desde que el proceso llega a la cola de listos hasta la actualidad. s = Tiempo actual - Tiempo de Llegada.

Algoritmos Multiproceso

Se utilizan múltiples colas en cada algoritmo Es necesario definir el algoritmo que elige entre las colas, y asigna un proceso a estas. La primera cola es un FCFS Para la segunda empleamos un Round Robin (RR) Y a la hora de seleccionar entre colas utilizamos las prioridades Las colas multinivel utilizan la retroalimentación, según esto un proceso no tiene que estar siempre en la misma cola Además de los algoritmos necesarios para la cola multinivel, se necesita un algoritmo para cambiar entre colas Si el proceso consume el quanto pasa a la siguiente cola y si termina, regresa a la cola inicial.

Evaluación de Algoritmos

Permite obtener valores de rendimiento para los distintos algoritmos y así decidir cual de ellos utilizar

La Evaluación Analítica

Sirve para evaluar el funcionamiento de los distintos algoritmos Existen dos formas de desarrollo:

El Modelo Determinista

Evalúa el funcionamiento dependiendo de una ‘carga de trabajo’

El Modelo de Colas

Aplica técnicas estadísticas, para la función de pilas de colas Para cada técnica existe un tiempo de tratamiento según el cual se obtienen el resto de valores.....

El Método de Simulación

Se construye un modelo simplificado del planificador (un simulador) para evaluar su comportamiento. A mayor semejanza, mejores resultados. Normalmente se construye para el menor número de planificadores posible (debido a los costes)

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