IINTRODUCCIÓNNTRODUCCIÓN

Los sistemas operativos (SO) son un área del software

extremadamente maravillosa ya que el diseño de ellos ejerce una gran

influencia sobre la funcionalidad general del computador. Es importante

la comprensión de los principios básicos de un SO.

El sistema operativo es como un director de orquestas. Es el

responsable de coordinar todos los componentes individuales del

computador de forma que operen juntos siguiendo un mismo plan.

Para seguir la comparación con el director de orquestas éste, al

igual que el SO, se hace cargo de la agrupación para producir una

secuencia de sonidos agradables. El director establece tiempo de la

música, de la entrada a cada instrumento según deban sonar, controla el

volumen de cada sector individual de la orquesta. Del mismo modo, el SO

asigna los recursos del computador a los diversos programas, sincroniza

sus actividades individuales, y proporciona, generalmente, los

mecanismos necesarios para que los programas se ejecuten en perfecta

armonía.

El SO proporciona una gran cantidad de funciones que asisten a la

ejecución de un programa , como lo son los procesos.

A continuación vamos ampliar nuestros conocimientos sobre los SO

dando paso a los siguientes aspectos, que tienen que ver con los

procesos dentro de un sistema operativo: Métodos de un proceso,

estados, componentes, gestión, administración, comunicación y los

sistemas operativos de interrupción.

1.1. MMÉTODOSÉTODOS DEDE UNUN PROCESOPROCESO ENEN UNUN S SISTEMAISTEMA O OPERATIVOPERATIVO..

La comunicación entre procesos, en inglés IPC (Inter-process

Communication) es una función básica de los sistemas operativos. Los

procesos pueden comunicarse entre sí a través de compartir espacios de

memoria, ya sean variables compartidas o buffers, o a través de las

herramientas provistas por las rutinas de IPC. La IPC provee un mecanismo

que permite a los procesos comunicarse y sincronizarse entre sí,

normalmente a través de un sistema de bajo nivel de paso de mensajes que

ofrece la red subyacente. (Ver anexo 1)

La comunicación se establece siguiendo una serie de reglas

(protocolos de comunicación). Los protocolos desarrollados para internet son

los mayormente usados: IP (capa de red), protocolo de control de

transmisión (capa de transporte) y protocolo de transferencia de archivos,

protocolo de transferencia de hipertexto (capa de aplicación).

Los procesos pueden estar ejecutándose en una o más computadoras

conectadas a una red. Las técnicas de IPC están divididas dentro de

métodos para: paso de mensajes, sincronización, memoria compartida y

llamadas de procedimientos remotos (RPC). El método de IPC usado puede

variar dependiendo del ancho de banda y latencia (el tiempo desde el pedido

de información y el comienzo del envió de la misma) de la comunicación

entre procesos, y del tipo de datos que están siendo comunicados.

Método

Dos o más procesos pueden cooperar mediante señales de forma que

uno obliga a detenerse a los otros hasta que reciban una señal para

continuar.

Se usa una variable de tipo Semáforo para sincronizar los procesos.

Si un proceso está esperando una señal, se suspende (Hold) hasta

que la señal se envíe (SIGNAL).

Se mantiene una cola de procesos en espera en el semáforo.

La forma de elegir los procesos de la cola en ESPERA es mediante

una política FIFO (First In First Out) también llamada FCFS (First

Come First Served), Round Robin, etc.

La sincronización explícita entre procesos es un caso particular del

estado "bloqueado". En este caso, el suceso que permite desbloquear un

proceso no es una operación de entrada/salida, sino una señal generada a

propósito por el programador desde otro proceso.

2.2. EESTADOSSTADOS DEDE UNUN PROCESOPROCESO..

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”.

Modelo de 2 Estados

El modelo de estados más simple es el de dos estados. En este

modelo, un proceso puede estar ejecutándose o no. Cuando se crea un

nuevo proceso, se pone en estado de No ejecución. En algún momento el

proceso que se está ejecutando pasará al estado No ejecución y otro

proceso se elegirá de la lista de procesos listos para ejecutar para ponerlo en

estado Ejecución.

De esta explicación se desprende que es necesario que el sistema

operativo pueda seguirle la pista a los procesos, conociendo su estado y el

lugar que ocupa en memoria. Además los procesos que no se están

ejecutando deben guardarse en algún tipo de cola mientras esperan su turno

para ejecutar.

El Modelo de 5 Estados. (Ver anexo 2)

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 cual 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’, está 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.

3.3. SSISTEMASISTEMAS OPERATIVOSOPERATIVOS DEDE INTERRUPCIÓNINTERRUPCIÓN..

Una interrupción es un mecanismo que permite ejecutar un bloque de

instrucciones interrumpiendo la ejecución de un programa, y luego

restablecer la ejecución del mismo sin afectarlo directamente. De este modo

un programa puede ser interrumpido temporalmente para atender alguna

necesidad urgente del computador y luego continuar su ejecución como si

nada hubiera pasado. (Ver anexo 4)

Generalmente se aplica para realizar tareas elementales asincrónicas

en el computador tales como responder al teclado, escribir en la pantalla, leer

y escribir archivos. Podemos considerar una tarea asincrónica como aquella

que es solicitada sin previo aviso y aleatoriamente desde el punto de vista

del computador. Tomemos el caso de la operación Ctrl-Alt-Supr. En Windows

tiene el efecto de que aparece en pantalla una lista de los procesos y

ventanas en ejecución en el computador. En cambio en el Sistema Operativo

DOS cuando el usuario presiona simultáneamente dichas teclas el

computador procede a reinicializarse, aunque pueda estar ocupado

ejecutando un programa en ese instante. Vale decir fuerza obligadamente a

que el computador se reinicialice. Ya sea en el sistema Windows o en DOS,

el computador no está constantemente monitoreando el teclado para ver si el

usuario ha solicitado un Ctrl-Alt-Del, ya que en ese caso consumiría mucho

tiempo de proceso en ello y por ende la capacidad de proceso se vería

significativamente afectada. La solución empleada es una interrupción.

Luego cada vez que el usuario presiona una tecla, la CPU es

advertida a través de una señal especial de interrupción. Cuando la CPU

advierte/recibe una señal de interrupción suspende temporalmente el

proceso actual almacenando en memoria RAM un bloque con toda la

información necesaria para restablecer posteriormente la ejecución del

programa si es que procede. Enseguida la CPU determina qué elemento ha

solicitado la interrupción y para cada caso existe un bloque de instrucciones

que realiza la tarea correspondiente que es ejecutada a continuación.

Terminada la ejecución se restablece el programa original en el mismo punto

en que fue interrumpido usando para ello la información almacenada

previamente.

Cada interrupción tiene asignada un número único. El PC está

diseñado de manera que la interrupción tiene asignada 4 bytes de memoria

RAM. La dirección de los cuatro bytes en la memoria corresponde al número

de la interrupción multiplicado por 4. Por ejemplo la interrupción IRQ 5 tiene

asignada 4 bytes en la dirección 0x00014 (0000:0014). El contenido de los 4

bytes de memoria RAM asignados a una interrupción contiene a su vez una

dirección que es un puntero a un bloque de instrucciones de máquina que

realiza el procedimiento correspondiente. De este modo al iniciar la ejecución

de una interrupción de los cuatro bytes que tiene asignados se obtiene la

dirección del bloque de instrucciones que efectivamente se ejecutan. Por

ejemplo si en la dirección 0000:0014 estuviera almacenado el valor 0xFFF00,

ello significa que en dicha dirección (ó (F000:FF00) se encuentra el bloque

de instrucciones a ejecutar cuando la interrupción IRQ 5 sea requerida.

Existen tres tipos de interrupciones:

Interrupciones internas de hardware

Las interrupciones internas son generadas por ciertos eventos que

surgen durante la ejecución de un programa.

Este tipo de interrupciones son manejadas en su totalidad por el

hardware y no es posible modificarlas.

Un ejemplo claro de este tipo de interrupciones es la que actualiza el

contador del reloj interno de la computadora, el hardware hace el llamado a

esta interrupción varias veces durante un segundo para mantener la hora

actualizada.

Aunque no podemos manejar directamente esta interrupción (no

podemos controlar por software las actualizaciones del reloj), es posible

utilizar sus efectos en la computadora para nuestro beneficio, por ejemplo

para crear un "reloj virtual" actualizado continuamente gracias al contador del

reloj interno. Únicamente debemos escribir un programa que lea el valor

actual del contador y lo traduzca a un formato entendible para el usuario.

Interrupciones externas de hardware

Las interrupciones externas las generan los dispositivos periféricos,

como pueden ser: teclado, impresoras, tarjetas de comunicaciones, etc.

También son generadas por los coprocesadores.

No es posible desactivar a las interrupciones externas.

Estas interrupciones no son enviadas directamente a la UCP, sino que

se mandan a un circuito integrado cuya función es exclusivamente manejar

este tipo de interrupciones. El circuito, llamado PIC 8259A, si es controlado

por la UCP utilizando para tal control una serie de vías de comunicación

llamadas puertos.

Una lista de las interrupciones generadas por hardware es la siguiente

IRQ Prioridad Función

0 1 Timer

1 2 Teclado Hardware

2 Reservada

3 11 COM 2

4 12 COM 1

5 13 Tarjeta de Sonido

6 14 Controlador Floppy

7 15 Puerta Paralela

8 3 Reloj (tics)

9 4 Libre para tarjeta de red, sonido, puerta SCSI

10 5 idem

11 6 idem

12 7 PS-mouse

13 8 Co-procesador matemático

14 9 Canal IDE primario

15 10 Canal IDE secundario

Interrupciones de software

Las interrupciones de software pueden ser activadas directamente por

el ensamblador invocando al número de interrupción deseada con la

instrucción INT.

El uso de las interrupciones nos ayuda en la creación de programas,

utilizándolas nuestros programas son más cortos, es más fácil entenderlos y

usualmente tienen un mejor desempeño debido en gran parte a su menor

tamaño.

Este tipo de interrupciones podemos separarlas en dos categorias: las

interrupciones del sistema operativo DOS y las interrupciones del BIOS.

La diferencia entre ambas es que las interrupciones del sistema

operativo son más fáciles de usar pero también son más lentas ya que estas

interrupciones hacen uso del BIOS para lograr su cometido, en cambio las

interrupciones del BIOS son mucho más rápidas pero tienen la desventaja

que, como son parte del hardware son muy específicas y pueden variar

dependiendo incluso de la marca del fabricante del circuito.

La elección del tipo de interrupción a utilizar dependerá únicamente de

las características que le quiera dar a su programa: velocidad (utilizando las

del BIOS) o portabilidad (utilizando las del DOS).

4. CCOMPONENTESOMPONENTES DEDE UNUN S SISTEMAISTEMA O OPERATIVOPERATIVO. . (Ver anexo 5)

El sistema operativo está compuesto por un conjunto de paquetes de

software que pueden utilizarse para gestionar las interacciones con el

hardware. Estos elementos se incluyen por lo general en este conjunto de

software:

El núcleo, que representa las funciones básicas del sistema

operativo, como por ejemplo, la gestión de la memoria, de los

procesos, de los archivos, de las entradas/salidas principales y de las

funciones de comunicación.

El intérprete de comandos, que posibilita la comunicación con el

sistema operativo a través de un lenguaje de control, permitiendo al

usuario controlar los periféricos sin conocer las características del

hardware utilizado, la gestión de las direcciones físicas, etcétera.

El sistema de archivos, que permite que los archivos se registren en

una estructura arbórea.

5.5. GGESTIÓNESTIÓN DEDE PROCESOSPROCESOS ENEN UNUN S SISTEMAISTEMA O OPERATIVOPERATIVO..

Un proceso es simplemente, un programa en ejecución que necesita

recursos para realizar su tarea: tiempo de CPU, memoria, archivos y

dispositivos de E/S. El SO es el responsable de:

Crear y destruir los procesos.

Parar y reanudar los procesos.

Ofrecer mecanismos para que se comuniquen y sincronicen.

La gestión de procesos podría ser similar al trabajo de oficina. Se

puede tener una lista de tareas a realizar y a estas fijarles prioridades alta,

media, baja por ejemplo. Debemos comenzar haciendo las tareas de

prioridad alta primero y cuando se terminen seguir con las de prioridad media

y después las de baja. Una vez realizada la tarea se tacha. Esto puede traer

un problema que las tareas de baja prioridad pueden que nunca lleguen a

ejecutarse. y permanezcan en la lista para siempre. Para solucionar esto, se

puede asignar alta prioridad a las tareas más antiguas.

6.6. AADMINISTRACIÓNDMINISTRACIÓN DEDE PROCESOSPROCESOS ENEN UNUN S SISTEMAISTEMA O OPERATIVOPERATIVO..

Concurrencia: Normalmente en una computadora co-existen n-

procesos simultáneamente

Administrador de Procesos: se encarga de seleccionar el proceso

en turno a ser ejecutado en el CPU

Objetivo: maximizar uso del CPU bajo un tiempo de respuesta

razonable manteniendo un uso justo, seguro y equilibrado del CPU

entre los procesos

El sistema operativo es responsable de las siguientes actividades en

la administración de procesos:

Creación de procesos y borrado.

Suspensión de procesos y resumen.

Mecanismos de:

sincronización de procesos

comunicación entre procesos

7.7. CCOMUNICACIÓNOMUNICACIÓN ENTREENTRE PROCESOSPROCESOS..

Hay dos formas en que se puede comunicar los procesos, los cuales

son:

Por medio de un esquema de comunicación por memoria

compartida (Buffer)

Por medio de un mecanismo de comunicación entre procesos

(IPC, Interprocess comunication).

La IPC ofrece un mecanismo que permite a los procesos comunicarse

y sincronizar sus acciones. La mejor forma de proveer la comunicación entre

procesos es mediante un sistema de mensajes.

La función de un sistema de mensaje es permitir a los procesos

comunicarse entre sí sin tener que recurrir a variables compartidas.

Un recurso IPC ofrece por los menos 2 operaciones:

Enviar (mensaje) (send) y recibir (mensaje) (receive).

Sean P y Q dos procesos que requieren comunicarse deberán enviarse

mensajes; para ello debe existir un enlace de comunicación entre ellos. Este

enlace puede implementarse de diversas maneras.

Los métodos para implementar lógicamente un enlace y las

operaciones de enviar / recibir son:

Comunicación directa o indirecta

Uso de buffer automático o explícito

Envío por copia o envío por referencia

Mensajes de tamaño fijo o variables

Comunicación directa:

Aquí cada proceso que desee comunicarse debe nombrar

explícitamente el destinatario o el remitente de la comunicación. A

continuación, se definen las primitivas de la siguiente manera:

Enviar(P,mensaje): Enviar un mensaje al proceso P.

Recibir(Q. Mensaje): Recibir un mensaje del proceso Q.

Con las siguientes propiedades:

Se establece automáticamente el enlace entre cada par de procesos.

Los procesos sólo necesitan conocer la identidad de otro para la

comunicación.

Solo hay un enlace entre cada par de procesos.

El enlace puede ser unidireccional o bidireccional.

Este esquema exhibe una simetría de direccionamiento; es decir, los

procesos tanto emisor como receptor necesitan nombrar al otro para

comunicarse.

Otra variante de este esquema es utilizar asimetría de

direccionamiento, con las siguientes primitivas:

Enviar(P,mensaje): enviar un mensaje al proceso P.

Recibir(Id,mensaje) : recibir un mensaje de cualquier proceso con el que

hubo comunicación.

Aquí sólo el emisor nombra al destinatario; el destinatario no ésta

obligado a nombrar al emisor.

Comunicación indirecta:

Aquí los mensajes se envían a, y se reciben de, buzones (también

llamados puertos). Un buzón puede considerarse en lo abstracto como un

objeto en el que los procesos pueden colocar mensajes y del cual se pueden

sacar mensajes. Cada buzón tiene una identificación única. Aquí dos

procesos se pueden comunicar sólo si comparten un buzón. Las primitivas se

definen como:

Enviar (A,mensaje): enviar un mensaje al buzón A.

Recibir (A,mensaje): recibir un mensaje del buzón A.

Un enlace de comunicación tiene las sig. propiedades:

Se establece un enlace entre un par de procesos sólo si tienen un

buzón compartido.

Un enlace puede estar asociado a más de dos procesos.

Entre cada par de procesos en comunicación puede haber varios

enlaces distintos, cada uno de los cuales corresponderá a un buzón.

Los enlaces pueden ser unidireccionales o bidireccionales.

Hay varias formas de designar el dueño de y los usuarios de un buzón

dado. Una posibilidad es permitir que un proceso declare variables de tipo

buzón. El proceso que declara un buzón es el dueño de ese buzón.

Cualquier otro proceso que conozca el nombre de dicho buzón podrá usarlo.

Por otro lado, un buzón propiedad del S.O tiene existencia propia; es

independiente y no está unido a ningún proceso específico. El S.O establece

un mecanismo que permite a un proceso:

Crear un buzón nuevo

Enviar y recibir mensajes a través del buzón

Destruir un buzón.

CCONCLUSIÓNONCLUSIÓN

Los sistemas operativos controlan diferentes procesos de la

computadora. Un proceso importante es la interpretación de los comandos

que permiten al usuario comunicarse con el ordenador. Algunos intérpretes

de instrucciones están basados en texto y exigen que las instrucciones sean

tecleadas. Otros están basados en gráficos, y permiten al usuario

comunicarse señalando y haciendo clic en un icono. Por lo general, los

intérpretes basados en gráficos son más sencillos de utilizar.

Los sistemas operativos pueden ser de tarea única o multitarea. Los

sistemas operativos de tarea única, más primitivos, sólo pueden manejar un

proceso en cada momento. Por ejemplo, cuando la computadora está

imprimiendo un documento, no puede iniciar otro proceso ni responder a

nuevas instrucciones hasta que se termine la impresión.

Todos los sistemas operativos modernos son multitarea y pueden

ejecutar varios procesos simultáneamente. En la mayoría de los ordenadores

sólo hay una UCP; un sistema operativo multitarea crea la ilusión de que

varios procesos se ejecutan simultáneamente en la UCP. El mecanismo que

se emplea más a menudo para lograr esta ilusión es la multitarea por

segmentación de tiempos, en la que cada proceso se ejecuta individualmente

durante un periodo de tiempo determinado. Si el proceso no finaliza en el

tiempo asignado, se suspende y se ejecuta otro proceso. Este intercambio de

procesos se denomina conmutación de contexto. El sistema operativo se

encarga de controlar el estado de los procesos suspendidos. También cuenta

con un mecanismo llamado planificador que determina el siguiente proceso

que debe ejecutarse. El planificador ejecuta los procesos basándose en su

prioridad para minimizar el retraso percibido por el usuario. Los procesos

parecen efectuarse simultáneamente por la alta velocidad del cambio de

contexto.

Los sistemas operativos pueden emplear memoria virtual para ejecutar

procesos que exigen más memoria principal de la realmente disponible. Con

esta técnica se emplea espacio en el disco duro para simular la memoria

adicional necesaria. Sin embargo, el acceso al disco duro requiere más

tiempo que el acceso a la memoria principal, por lo que el funcionamiento del

ordenador resulta más lento.

Sistemas Operativos actuales

Los sistemas operativos empleados normalmente son UNIX, Mac OS,

MS-DOS, OS/2 y Windows-NT. El UNIX y sus clones permiten múltiples

tareas y múltiples usuarios. Su sistema de archivos proporciona un método

sencillo de organizar archivos y permite la protección de archivos. Sin

embargo, las instrucciones del UNIX no son intuitivas. Otros sistemas

operativos multiusuario y multitarea son OS/2, desarrollado inicialmente por

Microsoft Corporation e International Business Machines Corporation (IBM), y

Windows-NT, desarrollado por Microsoft. El sistema operativo multitarea de

las computadoras Apple se denomina Mac OS. El DOS y su sucesor, el MS-

DOS, son sistemas operativos populares entre los usuarios de computadoras

personales. Sólo permiten un usuario y una tarea.

Tecnologías futuras

Los sistemas operativos siguen evolucionando. Los sistemas

operativos distribuidos están diseñados para su uso en un grupo de

ordenadores conectados pero independientes que comparten recursos. En

un sistema operativo distribuido, un proceso puede ejecutarse en cualquier

ordenador de la red (normalmente, un ordenador inactivo en ese momento)

para aumentar el rendimiento de ese proceso. En los sistemas distribuidos,

todas las funciones básicas de un sistema operativo, como mantener los

sistemas de archivos, garantizar un comportamiento razonable y recuperar

datos en caso de fallos parciales, resultan más complejas.

Anexo 1. Procesos de un Sistema Operativo

Anexo 2. Estados de un Proceso

Anexo 4. Sistema Operativo de Interrupción

Anexo 5. Componentes de un Sistema Operativo

BBIBLIOGRAFÍAIBLIOGRAFÍA

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Reservados todos los derechos.

http://exa.unne.edu.ar/depar/areas/informatica/SistemasOperativos/

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Gary Nutt, Sistemas Operativos. 3a Edición. Pearson Addison Wesley.