Conceptos fundamentales y Servicios del Sistema Operativo (página 2)

Partes: 1, 2

Si el ambiente de trabajo es multiprogramado, un solo
registro no basta. En este caso, se requieren dos registros,
almacenándose en ellos el límite superior e
inferior de memoria que le es permitido acceder al programa que
está en ejecución en cada instante de tiempo (su
área de trabajo).

Monografias.com

Lo antes indicado presupone que cada vez que pasa el
control del CPU de un programa a otro, el sistema de
operación actualice los registros indicados con los nuevos
valores requeridos.

En la actualidad existen otros esquemas de
protección de memoria con mayores grados de
sofisticación, en la continuación de la asignatura
se hará referencia a algunos de ellos.

La protección del procesador tiene como
objetivo evitar que un programa usuario caiga en un lazo de
procesamiento infinito adueñándose de éste
por tiempo indefinido. Esto se logra por medio de un reloj
("timer") de hardware que permite detener el procesamiento y
regresar el control, vía una interrupción, al
sistema operativo.

Generalmente se instrumenta un reloj variable por medio
de uno fijo y un contador. Dicho contador recibe un valor por
parte del sistema operativo y se decrementa con cada golpe del
reloj de intervalo fijo, cuando alcanza el valor cero se emite la
interrupción y el sistema operativo decide la
acción a ejecutar. Por supuesto, las instrucciones que
permiten modificar el valor del reloj son
privilegiadas.

Procesos. Tablas de
procesos

Antes de continuar estudiando otros aspectos
relacionados con los sistemas operativos resulta conveniente
puntualizar el concepto de proceso que constituye uno de los
más esenciales en esta materia.

Un proceso es, básicamente, un programa en
ejecución y precisamente por esa razón existe la
tendencia a confundir ambos términos. La diferencia
consiste en que un proceso incluye además del programa
(secuencia de código ejecutable) los datos, la pila, el
contador de programa, los valores almacenados en los registros y
todo aquello que refleja el estado de la ejecución en un
instante.

La importancia de este concepto radica en que un
programa por si solo no refleja su estado de ejecución, lo
que resulta esencial a los efectos de continuar su procesamiento
futuro si en un determinado momento se le retira el control del
procesador (lo que constituye la base de la
multiprogramación).

Para guardar la información de los procesos que
en cada instante están siendo atendidos por el sistema de
operación se utiliza la tabla de procesos. Esta no es
más que un arreglo o lista de estructuras donde cada una
de ellas contiene los datos que definen el estado de un proceso
determinado. Las informaciones de un proceso se actualizan en
numerosos momentos, pero por lo menos cada vez que se le va a
quitar el uso del procesador.

Los campos que componen cada entrada en la tabla de
procesos varían de un sistema operativo a otro y
generalmente son numerosos. Resultan típicos algunos como:
estado del proceso, valores de los registros, contador de
programa, identificador, área de memoria utilizada, tabla
de ficheros abiertos, directorio actual, etc.

Todo proceso presente en un sistema operativo se
identifica por un número entero que se conoce por el
identificador del proceso (PID).

Para ver el PID de los procesos que corren en un sistema
Windows (nt) Crl+Shift+Esc y en el administrador de tares de
Windows en el menú: ver/seleccionar columnas y
marcar Identificador de proceso (PID). En Linux: Escribir en una
consola ps –A

Generalmente un proceso puede crear uno o más
procesos (procesos hijos) que a su vez pueden crear otros,
llegándose a una estructura arbórea.

knoppix@ttyp0[knoppix]$
pstree -ah

init

|-automount
–pid-file=/var/run/autofs/_:mnt_:auto.pid –timeout=2
/mnt/auto

|-bash -login

|-(bdflush)

|-kalarm -caption KAlarm
-icon kalarm

| `-xmms -p

| |-xmms -p

| `-xmms -p

|-kalarmd

|-kdeinit

| |-kdeinit

| `-kdeinit

| `-bash

| `-pstree -ah

|-kdeinit

|-kdesud

|-(keventd)

|-(khubd)

|-kmix

|-knotes

|-krandrtray

|-(ksoftirqd_CPU0)

|-(kswapd)

|-(kupdated)

|-pump -i eth0

`-xsession
/etc/init.d/xsession start

|-xinitrc
/etc/X11/xinit/xinitrc

| `-kwrapper
ksmserver

`-xsession
/etc/init.d/xsession start

`-XFree86 -noreset
-xf86config /etc/X11/XF86Config-4 -dpi 75: 0

Ejemplo de estructura de procesos en UNIX
(Linux).

Servicios del
Sistema Operativo

Como ya se indicó, una de las dos funciones
principales de un sistema operativo es servir de máquina
ampliada o virtual, brindando facilidades a los programas de los
usuarios y a estos. Para lograr este objetivo, los sistemas
operativos se encargan de programar el trabajo con los diferentes
dispositivos existentes en el sistema de cómputo,
separando a los usuarios y programas de esta tarea compleja y
tediosa.

Los servicios a usuarios se brindan, básicamente,
por medio de los llamados Programas del Sistema, mientras que a
los programas se les brindan a través de las Llamadas al
Sistema.

Los programas del sistema constituyen una
colección más o menos grande de programas (no
funciones o subrutinas) suministradas por el fabricante (u otra
empresa) que permite realizar operaciones que son comunes a
diferentes usuarios, brindando un ambiente más adecuado
para el desarrollo y explotación de
aplicaciones.

Los programas del sistema pueden ser divididos en varias
categorías, aunque esto también depende de cada
sistema operativo. Algunos posibles grupos serian :
Manipulación de ficheros (crear, eliminar, renombrar,
imprimir, etc.), obtención de información de estado
(fecha, hora, memoria disponible, espacio en disco, etc.),
editores de texto, etc.

En resumen, los programas del sistema son aquellos que
ejecutan las acciones descritas en los comandos de éste o
que aparecen en los menús en el caso de las interfaces
gráficas.

Las llamadas al sistema constituyen la interface entre
el sistema de operación y los procesos. Estas generalmente
se hacen por medio de instrucciones en lenguaje ensamblador,
aunque en algunos casos existen facilidades que permiten se
realicen desde lenguajes de alto nivel.

En el segundo caso antes indicado, se dan las variantes
de que existan funciones o procedimientos predefinidos en
biblioteca que realicen las llamadas al sistema como tal (UNIX,
Windows) o el compilador genera directamente las instrucciones
necesarias para esto.

Los mecanismos que ponen en ejecución las
llamadas al sistema operativo difieren de uno a otro:

? En el OS/360 existe una instrucción
especial (SVC) que provoca una trampa hacia el sistema. El
número de la llamada se da en la
instrucción.
? En el CP/M no existe una instrucción
especial y por ello el número de la llamada se pone en
el registro C y se salta a la dirección 5 de la
memoria.
? En MS-DOS se utiliza la instrucción
INT seguida de un número de interrupción
(21H).

En todos los casos antes indicados, se requiere de la
transferencia de parámetros desde o hacía el
procedimiento que instrumenta la llamada. Este pase de
parámetros se ejecuta a través de los registros del
procesador o por medio de un bloque o tabla de memoria
(pasándose la dirección en un registro).

El número de llamadas, la forma y tipo de cada
una y los posibles agrupamientos de estas dependen de cada
sistema de operación en específico, aunque en forma
general se pudieran catalogar en 4 grupos:

? Control de procesos.

Incluyen operaciones con los procesos tales
como: Crear, eliminar, finalizar, abortar, ejecutar, enviar
señal, esperar por señal, etc.

? Manipulación de ficheros.

Incluyen operaciones con los ficheros tales como: Crear,
eliminar, abrir, cerrar, renombrar, leer, escribir,
etc.

? Manipulación de
dispositivos.

Incluyen operaciones con los dispositivos tales como:
Solicitar, liberar, leer, escribir, etc.

? Intercambio de información.

Incluyen operaciones tales como: Conocer la fecha,
conocer la hora, conocer atributos de ficheros, fijar atributos
de ficheros, fijar la fecha, etc.

Además de los grupos antes indicados
podría haber otros u otras operaciones dentro de estos.
Otros conjuntos podrían ser:

? Manipulación de directorios y sistemas
de ficheros.
? Protección.
? Señalización.

La mejor manera de entender la esencia de las llamadas
al sistema consiste en hacer una revisión detallada de las
que están presentes en uno o varios sistemas operativos y
por ello se recomienda revisar las páginas de la 23 a la
36 del segundo libro de Tanenbaum, donde se presenta la
explicación de las más importantes presentes en la
versión 7 del UNIX.

Intérprete de
comandos

Uno de los más importantes programas del sistema
es el intérprete de comandos. Es el programa que sirve de
interface entre el sistema operativo y los usuarios de
éste. Aún cuando algunos autores no lo consideran
parte del sistema de operación (dado que cada usuario
podría crear el suyo), no hay duda que guarda una estrecha
relación con éste.

El interprete de comandos toma el control una vez que el
sistema operativo ha sido cargado o el control de una terminal
una vez que un usuario se ha identificado en un sistema de tiempo
compartido.

Los intérpretes de comandos han recibido
distintos nombres en diferentes sistemas operativos: interprete
de tarjetas de control, intérprete de línea de
comando, procesador de comandos de consola (CPM), "Shell" (UNIX),
etc.

La función del intérprete de comandos es
en general bastante simple y consiste en tomar la tarjeta de
control o comando, validar si es correcto o no y en el
primer caso realizar la ejecución correspondiente. El
código que ejecuta el comando puede formar parte del
propio intérprete o constituye otro programa del
sistema.

Los intérpretes de comandos que presentan
interfaces con usuarios más amigables, incluyendo
las, hoy, reconocidas interfaces gráficas, tienen una
mayor complejidad dada el uso de menús, botones, "mouse" y
otros recursos.

Aún cuando en la mayoría de los sistemas
operativos el interprete de comandos pierde el control de
ejecución tan pronto se inicia un comando y no lo recupera
hasta que éste finalice, hay algunos donde el comando se
ejecuta en paralelo (como un proceso hijo del interprete). Un
ejemplo de esto está en el UNIX con el uso del
símbolo &.

Estructura de un
Sistema Operativo

La estructura de un sistema operativo se puede analizar
desde el punto de vista funcional y desde el punto de vista
organizativo de los programas que lo componen.

Desde el punto de vista funcional hay que tener en
cuenta que los sistemas operativos son programas manejados por
eventos. Si no hay programa que ejecutar, dispositivo al cual
brindar servicio o usuario que atender entonces no hará
nada. Los eventos (mensajes o señales) que lo ponen en
acción serán las interrupciones o las trampas. Por
lo tanto, los sistemas de operación son programas
manejados por interrupción.

La naturaleza de los sistemas operativos de ser
manejados por interrupción determina su estructura desde
el punto de vista funcional.

Cuando una interrupción o trampa ocurre, de
inmediato el hardware transfiere el control al sistema operativo.
Este preserva el estado del proceso que se ejecutaba y a
continuación realiza el tratamiento
correspondiente.

Pueden ocurrir tipos diferentes de interrupciones, pero
pueden agruparse en tres tipos:

? Llamadas al sistema.
? Interrupción de un
dispositivo.
? Un error de programa (detectado por
hardware).

Las llamadas al sistema, a estos efectos, pueden
dividirse en

? Solicitud de terminación normal
(realizada por un proceso cuando va a terminar su
ejecución).
? Solicitud de terminación anormal
(realizada al detectarse la existencia de un
error).
? Solicitud de recursos (si no están
disponibles, entonces el proceso deberá
esperar).
? Solicitud de información de estado
(la información es transferida).
? Solicitud de entrada/salida.

A los efectos de la acción del sistema operativo
los casos 3 y 4 se pueden considerar como iguales (en el libro de
Peterson se le llaman solicitudes que no son de
entrada/salida).

Teniendo en cuenta lo antes indicado, en la figura 2.4
(página 54) del Peterson se presenta la estructura del
sistema operativo desde el punto de vista funcional.

De aquí que un sistema operativo estará
compuesto por al menos de: manejadores de dispositivos,
atención a interrupciones ("handlers"), un conjunto de
subrutinas de llamadas al sistema y el intérprete de
comandos o de tarjetas de control. Como es lógico, el
sistema de ficheros también estará presente. La
mayoría de los sistemas operativos brindan funciones
adicionales y por ello habrá complejidades aún
mayores.

Desde el punto de vista de la organización de los
programas, la estructura de un sistema operativo puede tomar
distintas formas. Estas podrían ser:

– Sistemas Monolíticos.

Se caracterizan por la no existencia de estructura. Se
escriben como una colección de procedimientos donde cada
uno de ellos puede llamar a cualquier otro que le brinde un
servicio que necesite. En este caso los procedimientos necesitan
tener una interface bien definida en términos de
parámetros y resultados.

Aún en esta variante puede existir una
pequeña estructura en lo que se refiere a los servicios
brindados por las llamadas al sistema.

Monografias.com

– Sistemas de Capas.

Se caracterizan por estar organizados como una
jerarquía de capas, cada una construida sobre la
anterior.

El primer sistema construido en esta forma fue el "THE"
a cargo de E. W. Dijkstra y sus alumnos (en 1968). En dicho
sistema se consideró la existencia de 6 capas:

0.- Asignación del procesador y
multiprogramación.

1.- Administración de memoria y tambor
magnético.

2.- Comunicación operador – procesos.

3.- Administración de entrada/salida.

4.- Programas usuarios.

5.- El operador.

Una generalización de este concepto fue aplicada
en el sistema operativo MULTICS. Se organizó como una
serie de anillos concéntricos, siendo los más
internos los de mayor prioridad. Para que un procedimiento de un
nivel pueda llamar a otro más interno lo tiene que hacer a
través de una llamada al sistema.

– Máquinas Virtuales.

En este esquema, el centro del sistema operativo se
ejecuta directamente en el hardware existente y permite el logro
de la multiprogramación. Esta, en lugar de ejecutar varios
procesos, crea varias máquinas virtuales en una segunda
capa. Estas máquinas virtuales son copias exactas del
hardware original y por ello cada una de ellas puede ejecutar
cualquier sistema operativo que pueda operar en la máquina
original.

Este formato es conocido hace tiempo (desde la IBM/360),
pero hoy se utiliza para crear máquinas virtuales que
permitan ejecutar en un sistema operativo programas preparados en
otro (Windows lo utiliza para ejecutar programas de MS-DOS o de
versiones anteriores).

– Modelo cliente – servidor.

Es una tendencia de los actuales sistemas de
operación que consiste en instrumentar la mayoría
de las funciones en procesos usuarios, construyendo un "kernel"
mínimo.

Para solicitar un servicio, un proceso usuario (llamado
cliente) envía la solicitud al proceso servidor, el cual
realiza el trabajo y le regresa la respuesta. En este modelo la
función principal del "kernel" consiste en manejar la
comunicación entre clientes y servidores (y,
lógicamente, la atención a las interrupciones de
los dispositivos).

La división del sistema operativo en partes, cada
una de las cuales atiende una faceta de éste,
ejecutándose la mayoría de ellos (de los
servidores) en modo usuario, permite dos ventajas
importantes.

La primera consiste en que la aparición de un
error en una parte no implica necesariamente que todo el sistema
se caiga (que ocurra un "crash"). La segunda consiste en la
fácil adaptación de un sistema de este tipo para su
utilización en un medio distribuido.

Monografias.com

Conclusiones

A modo de conclusión hemos podido ver la
importancia que tiene la protección de la
información que manejan cada uno de los dispositivos que
interactúan con el sistema operativo. Vimos el concepto de
proceso y su significado, como hacen las aplicaciones para
comunicarse con el SO a través de las llamadas al sistema
y que estructura de diseño siguen estos.