Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos...

Facultad de IngenieríaUniversidad de Buenos Aires

75-08 Sistemas OperativosLic. Ing. Osvaldo Clúa

Lic. Adrián Muccio

2014

Procesos en un Sistema OperativoProcesos en un Sistema Operativo

75-08 Sistemas Operativos Prof. Lic. Ing. Osvaldo Clúa

Lic. Adrián MuccioFIUBA 2014 2

Lineamientos para un S.O.Lineamientos para un S.O.

Dado que las funciones principales del S.O. son por un lado mediar entre el usuario del sistema de computación y su hardware, y por otro, admistrar los recursos del sistema.

¿Cómo se implementaría la ejecución de un programa?



ComponentesComponentes

Programa

Memoria

CPU

¿se necesita alguna información adicional al código del programa?



Modelo de ProcesosModelo de Procesos

● El Sistema operativo debe organizar el software que corre en unidades secuenciales: los Procesos.

● Un proceso es entonces:– La imagen de un programa en ejecución.

● La imagen es una copia del programa.– Con las estructuras del Sistema Operativo

para administrarlo

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_process

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_process



¿Qué tiene un proceso?¿Qué tiene un proceso?

● La imagen del programa (una copia de su código ejecutable y de su área de datos).

● La información acerca de sus estado de ejecución:– Los valores del program counter, registros y

variables.– Información necesaria para su administración

por parte del Sistema Operativo (id, prioridad, ...).

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_process#Representation

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_process#Representation



MultiprogramaciónMultiprogramación

● La diferencia de velocidades CPU-I/O es del orden de 10³ o 10 ⁴.

● Esto significa mucho tiempo ocioso mientras se completa una operación de I/O.

● Para aprovecharlo aparece la Multiprogramación.

● Cuando hay mas de un procesador se conoce como Multiprocesamiento.

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_multitasking

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_multitasking



Multiprogramación (2)Multiprogramación (2)

● La CPU va conmutando (switching) de un proceso a otro.

● Es un multiplexado de la CPU.



¿Quién gana con la Multiprogramación?¿Quién gana con la Multiprogramación?

IIIIIIIλ µ

Velocidad de arribo Cola (Q)

Velocidad de atención

● Modelo de una estación de servicio a clientes.● µ y λ son magnitudes aleatorias

[Clientes/Segundo].● ρ= λ/µ es el factor de uso.



¿Quién gana con la Multiprogramación? (2)


● De la teoría de colas :– se trata de una configuración M/M/1.

● M -Arriban según un proceso de Markov (probabilidad exponencial que se corresponde con Poisson).

● M -Se atienden según un proceso de Markov.● 1 -Hay un solo centro de atención

● El número de elementos en el sistema es:– N= ρ/(1- ρ)

http://web2.uwindsor.ca/math/hlynka/qonline.html





● En el sistema hay (valor esperado, esperanza matemática)– N= ρ/(1- ρ) clientes

● ρ en servicio + ρ²/(1- ρ) en espera.– El tiempo de respuesta es N/λ = 1/(1- ρ) * (1/µ )– El tiempo de espera es (N/λ) – (1/µ )– Como un cliente tarda (1/µ ) se define:

● Q = 1/(1- ρ) como multiplicador de cola.(en cuanto me afecta la existencia de una cola)





0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

2

4

6

8

10

12

Q= 1/(1- ρ)

Q

ρ

Q

● Interprete este gráfico:– ¿Cuál es la carga del

procesador?– ¿Cómo se comporta la

espera?● Y... ¿Quién gana con la

Multiprogramación?



Implementación de la Multiprogramación

Implementación de la Multiprogramación



Implementación de la Multiprogramación (2)Implementación de la Multiprogramación (2)

● El Scheduler decide a que proceso dar el control

● El dispatcher realiza el cambio de estado



Estados de Un ProcesoEstados de Un Proceso

● Durante su ejecución, un proceso pasa por distintos estados.

● Faltan estados para la creación y la destrucción de los procesos.

http://en.wikipedia.org/wiki/Process_states

http://en.wikipedia.org/wiki/Process_states



PCB (Process Control Block)PCB (Process Control Block)

● Es la estructura de datos con la que el sistema operativo administra los procesos.

● Contiene la información acerca del proceso y su estado.

● Además la información que el S.O. precisa para manejarlo como:– Identificador, Estado, Recursos, Historia.



PCBPCB



Estados de un ProcesoEstados de un Proceso

● Los estados se manejan como colas.

● El dispatcher es el encargado de cambiar los PCBs entre las colas.



Dispatcher (Short Term Scheduler)

Dispatcher (Short Term Scheduler)

● Al pasar de Running a Blocked.– El manejador de interrupciones lo invoca para

cambiar de estado al proceso:● Salva los datos necesarios en el PCB.● Cambia el PCB de cola.

– Luego se decide a que proceso dar control (tarea del Scheduler).



Dispatcher (Short Term Scheduler) (2)

Dispatcher (Short Term Scheduler) (2)

● Al pasar de Ready a Running– El Scheduler lo invoca cuando ya decidió a que

proceso activar.– Carga el estado de la CPU con los datos del PCB.– Continua la ejecución del proceso.

● ¿Qué tareas tiene en el resto de las transiciones?



Scheduler (Long term)Scheduler (Long term)

● Decide a cuál de los procesos en ready hay que darle el control.

● Tiene en cuenta las características del proceso

http://en.wikipedia.org/wiki/Scheduling_(computing)

http://en.wikipedia.org/wiki/Scheduling_(computing)



Objetivos del Scheduler Objetivos del Scheduler

● Dar una participación adecuada del reparto de tiempo de CPU (Fairness).

● Equilibrar el uso de recursos (Load Balancing).

● Aplicar las políticas generales del Sistema (prioridades, afinidad, seguridad).

● El resto depende del tipo de Sistema.



Objetivos del Scheduler (2)Objetivos del Scheduler (2)

● Batch (por lotes):– maximizar el

throughput– Mantener la CPU

ocupada.– Minimizar el

turnaround time.

● Interactivo:– buen tiempo de respuesta.– Expectativas del usuario

● Real time:– Cumplir con los deadlines.– Desempeño predecible.



Llamados al SchedulerLlamados al Scheduler

● Las decisiones de scheduling se pueden tomar cuando un proceso: 1. Pasa de running a blocked/waiting.2.Pasa de running a ready.3.Pasa de blocked/waiting a ready.4.Termina.

● Las transiciones 1 y 4 son no-apropiativas (nonpreemptive).

● El resto son apropiativas (preemptive).



Ejemplos de algoritmos de scheduling

Ejemplos de algoritmos de scheduling

– First come-First served– Shortest Job Next– Round Robin (aparece el concepto de time-slice y quantum)– Múltiples colas con Prioridad

● Ver cap 5 del libro de Silberschatz (Operating Systems Concepts).

● Ver cap 2 del libro de Tanenbaum (Modern Operating Systems).

http://en.wikipedia.org/wiki/Scheduling_algorithm

http://en.wikipedia.org/wiki/Scheduling_algorithm

http://en.wikipedia.org/wiki/Round-robin_scheduling

http://en.wikipedia.org/wiki/Multilevel_feedback_queue



Creación/Terminación de Procesos

Creación/Terminación de Procesos

● Creación de Procesos:– Al iniciar el sistema.– Por pedido del

usuario (uso de una System Call).

● Terminación de Procesos– Salida normal (voluntaria).– Salida por error

(voluntaria).– Error “fatal” (involuntaria).– “Muerte” por otro proceso.



BootingBooting

● Bootstrap loader.– Cargar en memoria un software que pueda lanzar

un Sistema Operativo.● Switches en el panel.● Flash boot loader.● MBR Master Boot Record) program.● EFI (Extended Firmware Interface).

– Termina cargando el first stage boot loader.

http://en.wikipedia.org/wiki/Booting

http://en.wikipedia.org/wiki/Booting



EFI (Extensible Firmware Interface)

EFI (Extensible Firmware Interface)

● Desarrollada en el Unified EFI Forum

● Usada en Itanium, Itanium 2 (HP), MacTel, embedded núcleos (core) XScale

http://en.wikipedia.org/wiki/Extensible_Firmware_Interface

http://en.wikipedia.org/wiki/Extensible_Firmware_Interface

http://en.wikipedia.org/wiki/Unified_EFI_Forum

http://en.wikipedia.org/wiki/Itanium

http://en.wikipedia.org/wiki/Itanium_2

http://en.wikipedia.org/wiki/Apple-Intel_architecture

http://en.wikipedia.org/wiki/XScale



EFI (Intel)EFI (Intel)

● Boot Services:– Soporte de consola.– Soporte gráfico.

● Runtime Services:– Device Drivers– Fecha y Hora

● Carga de código desde Internet (Tianocore)

● Device Drivers:– una implementación en EFI

Byte Code (Driver Execution Environment).

– el Boot Loader forma parte de EFI.

– Soporta dispositivos con GUID Partition Table (GPT).

http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/zip/efi-110.zip

http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/zip/efi-110.zip

https://efi-toolkit.tianocore.org/

http://en.wikipedia.org/wiki/GUID_Partition_Table



UEFI UEFI

Define un “boot manager” (a firmware policy engine) que carga el loader del SO y los drivers que se necesiten.

La configuración del booteo se almacena en variables NVRAM (path de loaders)

Los loaders del SO son “clases” de aplicaciones UEFI, como clases que son, se almacenan en el file system (EFI System partition) que es independiente del medio (HD, Optical Disk, etc).

Especifica un Shell para ejecutar aplicaciones (eje boot loaders), modificar variables, etc

Mantiene compatibilidad reversa con BIOS (Compatibility Support Module (CSM)): Se ignora la info de GPT y se utiliza MBR. De hecho en varias implementaciones tiene precedencia MBR sobre GPT.

http://en.wikipedia.org/wiki/EFI_System_partition

http://en.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record



UEFI UEFI

Tiene una especificación de protocolo llamado Secure Boot que impide la carga de drivers y SOs que no tengan una firma digital aceptable.

Basándose en esta funcionalidad, MS anunció que las máquinas certificadas para Windows 8 deben tener encendido el Secure Boot.

Por otro lado los fabricantes debieran tener y distribuir en sus equipos las claves de los distintos Unixs …

Existen algunas controversias a este respecto.

http://en.wikipedia.org/wiki/Unified_Extensible_Firmware_Interface#Secure_boot

http://en.wikipedia.org/wiki/Unified_Extensible_Firmware_Interface#Secure_boot_criticism



Proceso de boot - LinuxProceso de boot - Linux

● Se carga el First Stage Boot Loader.– Puede ser uno de varios.

● Típicamente LILO o GRUB.● Termina de cargarse el Boot Loader en memoria.

● Un prompt al usuario obtiene los datos de la partición y del kernel a bootear.

● El kernel se carga como una imagen ("initrd") y luego se le pasa el control con los parámetros apropiados.

http://en.wikipedia.org/wiki/Linux_Startup_Process

http://en.wikipedia.org/wiki/Linux_Startup_Process

http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_boot_loaders

http://en.wikipedia.org/wiki/LILO

http://en.wikipedia.org/wiki/GRUB



Inicialización de LinuxInicialización de Linux● Lilo.

– No lee file systems.– Según el sistema a

bootear:● Carga un MBR de 512

bytes● Carga un kernel de Linux.

– La ubicación de este Kernel se guarda en un mapa de carga.

● GRUB– puede leer ext2 y ext3.– Carga el kernel y le pasa

el control.– Provee de una interfaz de

comandos de pre-boot.– Tiene un menú y un editor

de configuración.



Kernel Phase (1)Kernel Phase (1)

● El Kernel se carga como una imagen (zImage o bzImage).

● Se descomprime.● Se hace una inicialización de sus estructuras:

– activando algunos dispositivos y– guardando sus datos en las estructuras del

Kernel.● Se transfiere control al proceso 0.● Ver man boot(1) .



Kernel Phase (2) Proceso 0Kernel Phase (2) Proceso 0

● El proceso 0 detecta el tipo de CPU, hace alguna inicialización dependiente de esta.

● Lanza la funcionalidad independiente de la arquitectura (noarch) llamando a start_kernel().– Inicializa la tabla de IRQ.– Monta el root file system.– Lanza a init (1).



Kernel Phase (3) initKernel Phase (3) init

● Init es el proceso 1 su parámetro es un número (runlevel). Ver man init(1).

● Crea los procesos según /etc/inittab. - Ubuntu usa Upstart (or. a eventos)– Tiene planeado migrar a Systemd (arch de

configuración en lugar de scripts)● Chequea y monta los file-systems según

/etc/fstab.

http://en.wikipedia.org/wiki/Upstart

http://en.wikipedia.org/wiki/Systemd



Kernel Phase (3) initKernel Phase (3) init

● Lanza los servicios necesarios para llegar al runlevel desde los scripts de /etc/rc.d...

● Espera un login para lanzar un shell de usuario.



Creación de Procesospor el usuario

Creación de Procesospor el usuario

● Linux.– fork (2) y exec(3).– Ver el Lab en la página de la materia.

PCBpid=1

TXTU_Area

DataDatos que el S.O. guarda acerca del proceso (ej. environment )



fork(2)fork(2)

if ( (pidhijo = fork () ) == 0) cout<<endl<< "---> Es el HIJO con pid = "<<getpid()<<endl;exit(0);}

elsecout <<endl<< "Es el PADRE con pid = "<<getpid()<<

" y su hijo es pid = "<<pidhijo<<endl;exit(0);}



fork (2)fork (2)

PCBpid=100

TXT

U_Area

Data

PCBpid=101

TXT

U_Area

Data

fork()

La copia de estos elementos se hace “on demand”



exec (3)exec (3)

PCBpid=100

Text

U_Area

Data exec(...) carga una imagen de programa desde un archivo



Comunicación entre procesosComunicación entre procesos

● Cómo cooperar entre procesos (por diseño)– Cómo pasar datos y sincronismo.– Cómo administrar recursos compartidos

● Tema de 75-59 Concurrencia.– Problemas de sincronización.– Problemas de exclusión mutua.– En ambientes mono y multi-procesador.



● 75-59 Técnicas de Programación Concurrentes I– Cooperación entre procesos en el mismo sistema.

● 75-62 Técnicas de Programación Concurrentes II– Patrones de concurrencia en el mismo sistema.

● 75-74 Sistemas Distribuidos I– Patrones y algoritmos distribuidos entre varios sistemas.

● 75-63 Sistemas Distribuidos II– Grandes Sistemas Distribuidos.

Orientación Sistemas DistribuidosOrientación Sistemas Distribuidos

http://materias.fi.uba.ar/7562/





Terminación de procesosTerminación de procesos

● La terminación normal da paso a las rutinas registradas con atexit(3).– Si termina por _exit(2) la terminación es

inmediata.● Se deben limpiar las estructuras de datos

usadas por el proceso.– Mientras tanto, el proceso está en estado

Zombie.

http://en.wikipedia.org/wiki/Zombie_process

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