PDF de programación - ¿Qué es un sistema operativo? - Tema 1. Conceptos Generales

Fundamentos de los
Sistemas Operativos

Tema 1. Conceptos generales
¿Qué es un sistema operativo?

© 2015 ULPGC - José Miguel Santos Espino

Bibliografía para el Tema 1

• Texto principal

– Fundamentos de los sistemas operativos

(Silberschatz, 2006, 7ª ed.)
Capítulos 1 y 2

• Textos alternativos

– Sistemas Operativos: aspectos internos y

principios de diseño (Stallings, 2005, 5ª ed.)
Capítulo 2

– Fundamentos de Sistemas Operativos. Teoría y

ejercicios resueltos
(Candela, García, Quesada, Santana, Santos, 2007)
Capítulo 1

(o las ediciones originales en inglés)

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¿QUÉ ES UN SO?

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Primero: ¿qué hay en

un sistema informático?

• Hardware

– Procesador y memoria
– Dispositivos de E/S: almacenamiento, red, HCI,

impresión, etc.

• Software

– Software de sistema: compilador, GUI, shell, etc.
– Aplicaciones

• Personas

– Usuarios en general
– Administradores del sistema
– Desarrolladores / programadores

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Y ahora: ¿qué es un SO?

• Un programa que actúa de intermediario

entre los usuarios y el hardware

• Pertenece al software del sistema
• Objetivos:

– Proveer un entorno para ejecutar las aplicaciones
– Administrar eficientemente los recursos
– Facilitar la interacción con el computador
– Facilitar la evolución del software y del hardware

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Definiciones breves

1. Un sistema de software cuyo fin es que un

sistema informático sea operativo.

2. Conjunto de programas que gestionan los

recursos del sistema, optimizan su uso y
resuelven conflictos.

3. Cualquier cosa que un fabricante de software

te venda como un «sistema operativo».

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Los dos roles del SO

• Interfaz con el hardware

– Añade características no existentes en el hw
– Oculta características inconvenientes del hw
– Ofrece una «máquina extendida»

• Administrador de recursos

– Como si fuera un «gobierno del hardware»
– Concede recursos de forma segura, justa y

eficiente

– No realiza trabajo productivo

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El SO como interfaz

• Visión: una «capa» que envuelve el hardware
• Ofrece una «máquina abstracta» con otras características

– Oculta detalles incómodos del hardware
– Amplía características no presentes en el hardware

Sistema operativo

proceso

proceso

hardware

proceso

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Interfaz del SO

• ¿Para quién es la interfaz?

– Usuarios en general  entorno de ejecución
– Administradores  entorno de administración
– Desarrolladores  interfaz de programación

• ¿Qué aspecto tiene la interfaz?

– Texto (CLI = Command Line Interface)
– Gráfica (GUI = Graphical User Interface)
– Servicios de programación (API)

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Entorno de trabajo del SO

• El SO suele proporcionar utilidades básicas

para que el usuario pueda realizar tareas
comunes:
– Trabajar con archivos y discos
– Ejecutar aplicaciones  cargador de programas
– Imprimir
– Administrar el sistema: backups, usuarios…

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CLI = Command Line Interface

• Incorpora un lenguaje sencillo para dar

instrucciones al SO:
– Cargar programas, trabajar con archivos, etc.

• Se le llama shell, intérprete de órdenes, consola…

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GUI = Graphical User Interface

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API del SO: llamadas al sistema

• API = Application Programming Interface
• El SO ofrece a los desarrolladores y a los

procesos un conjunto de servicios públicos,
accesibles mediante una API
 llamadas al sistema (system calls)

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Llamadas al sistema: ejemplo

Llamada write() de UNIX. Escribe un bloque de datos
en un fichero o en un dispositivo de E/S.

int write ( int fd, void* buffer, size_t size )

Resultado:
número de bytes
escritos

Descriptor de fichero
(identifica el fichero
donde vamos a escribir)

Apuntador a la zona
de memoria donde
están los datos

Longitud de los
datos en bytes

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Beneficios

¿Qué ganamos interponiendo esta interfaz entre los

programas y el hardware?

• Usabilidad (la interfaz es más cómoda que el hw)
• Seguridad (se ocultan vulnerabilidades del interior del

hardware)

• Portabilidad (independencia del hardware)
• Interoperabilidad (podemos compartir información

con otros sistemas que usen la misma interfaz)

• Mantenibilidad (podemos hacer mejoras o

adaptaciones dentro del SO sin obligar a hacer cambios
en los programas de usuario)

• Productividad (por todo lo anterior)

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El SO como administrador de recursos

• Procesos y recursos

– Proceso: programa en ejecución
– Recurso: algo físico o virtual que necesita un

proceso para ejecutarse

• Los recursos son escasos  los procesos

compiten por ellos

• El SO actúa como árbitro/mediador, que
asigna recursos de forma justa y eficiente

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El SO como administrador de recursos

• El SO debe determinar a quién se le entregan
los recursos, qué cantidad, en qué momento y
por cuánto tiempo.
 políticas de gestión de recursos

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El SO como administrador de recursos

• Criterios que deben cumplir las políticas del SO:

– optimizar el rendimiento del sistema
– justicia en el reparto  evitar acaparamientos e

inanición de los procesos perjudicados

– garantizar la seguridad del sistema (confidencialidad,

integridad, disponibilidad)

• Estos criterios entran en conflicto

– Ej. no se puede dar el máximo rendimiento y al mismo

tiempo dar un reparto justo

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Seguridad: los tres elementos

• CIA = Confidentiality + Integrity + Availability
• Confidencialidad  intimidad, privacidad, etc.
• Integridad  que la información no se

corrompa

• Disponibilidad  que el sistema continúe

prestando servicio

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GRANDES LOGROS DEL S.O.

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Algunos logros históricos de los SO

• Interfaz uniforme con la E/S
• Multiprogramación
• Memoria paginada
• Memoria virtual
• Sistemas de archivos
• Control del acceso concurrente
• Protección y seguridad

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Interfaz uniforme con la E/S

• La E/S es tremendamente diversa
• Ej. almacenamiento: óptico, disco magnético,

SSD, cinta magnética…

• Cada clase de dispositivo se programa de forma

distinta:
– Tamaño de la unidad de transferencia de datos
– Protocolo de comunicación (síncrono, asíncrono…)
– Codificación de la información
– Control de errores
– …

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Interfaz uniforme con la E/S

• Solución del SO: ofrecer a los desarrolladores una API
uniforme para acceder a cualquier dispositivo de E/S,
ej.:

readIO ( int device_id, void* data, int length )

writeIO ( int device_id, void* data, int length )

• Para cada clase de dispositivo existe una

implementación de esta API
 manejador de dispositivo (device driver)
– Interno del SO, es transparente para el usuario

final

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Interfaz uniforme con la E/S

• ¿Qué conseguimos? independencia del dispositivo
– Abstraemos los detalles de implementación de

cada clase de periférico

– Ganamos en portabilidad (el mismo código sirve

para dispositivos diferentes)

– Adaptación a futuras clases de periféricos
– Podemos prohibir el acceso directo a la E/S (sólo

trabajar con la API del SO)  más seguridad

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Multiprogramación

• También llamada multitarea (multitasking)
• Cuando un proceso se bloquea al esperar por la E/S, ejecutamos en

•
•

la CPU instrucciones de otro proceso.
Los procesos entrelazan su ejecución: concurrencia.
La CPU y la E/S trabajan a la misma vez  se terminan más trabajos
en menos tiempo

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La memoria en un sistema

multiprogramado

S.O.

programa 1

programa 2

(libre)

programa 3

(libre)

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Multiprogramación

• Cuestiones que surgen en un sistema

multiprogramado (y que no existen en un
sistema sin multiprogramación):
– Cuando el procesador queda libre, ¿a qué proceso

elegimos?  planificación de CPU

– Competencia por el consumo de la memoria
– Protección de las zonas privadas de memoria
– Conflictos ante el acceso simultáneo a los recursos
– Riesgo de interbloqueo (deadlock)

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Paginación y memoria virtual

• Paginación. Podemos trocear un programa en
pequeñas «páginas» que se pueden colocar en
zonas diferentes de la memoria.

• Memoria virtual. El programa no necesita estar

cargado totalmente en memoria. El almacén
secundario se usa como extensión de la memoria
principal.

• Todo se resuelve automáticamente, sin que el

usuario ni el programador tengan que intervenir.

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Paginación y memoria virtual

(Silberchatz, Galvin, Gagne, 2013)

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Sistemas de archivos

• Usuarios  trabajan con documentos,

programas, imágenes, música…

• Almacenamiento físico  trabaja con bloques de

datos de tamaño fijo.
– Extraño para los usuarios

• Creamos un recurso virtual, llamado «archivo»,

que tiene nombre y contiene información.

• También el concepto «carpeta» o «directorio»

para organizar los archivos.

• Abstracción muy útil del almacenamiento físico.

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Control del acceso concurrente

• ¿qué pasa si varios procesos intentan trabajar

al mismo tiempo con un recurso que no se
puede compartir?
– Ej. una impresora

• El SO debe conocer quién está usando el
recurso y forzar la espera si está ocupado

• No es trivial resolver este problema de forma

segura y eficiente…
(la solución, en el Tema 3)

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Pro