Indice

Introducción .................... .. 1

Procesos ........................ .. 3

Administración de la memoria .... .. 11

Sistemas de E/S ................. .. 16

Sistema de archivos ............. .. 20

Bibliografía .................... .. 22

Introducción

En esta oportunidad vamos a enfocar nuestra atención en los sistemas operativos. Les ofrecemos aquí un white paper que estudia los conceptos fundamentales que los componen, dejando para otra oportunidad la historia de su desarrollo, los distintos sistemas de la actualidad como ser Windows, Linux, Solaris, Mac OS X, etc. También dejaremos afuera por esta vez los sistemas distribuidos y de redes.

Los temas expuestos serán los procesos de los sistemas operativos, la administración de memoria, sistema de E/S y sistema de archivos.

Un sistema operativo es un programa o conjunto de programas que permiten la utilización eficaz de los recursos hardware. Los sistemas operativos hacen la conexión entre las aplicaciones y el hardware, de modo que éstas en general se limitan a usar funciones provistas por el sistema.

Las operaciones básicas que se pueden hacer dentro de un sistema operativo son:

•          abrir y cerrar: archivos o directorios

•          crear y borrar: archivos o directorios

•          buscar

•          cambiar nombre

•          copiar, cortar y pegar

•          ejecutar: programa o script

•          formatear: unidades de almacenamiento

•          Entre otras opciones más recientes no tan básicas tenemos:

•          comprimir - descomprimir: archivos o directorios

•          desfragmentar: unidad de almacenamiento

•          comprobar disco: de errores

•          copia de seguridad

•          restaurar sistema

Los sistemas operativos se pueden clasificar de muchas maneras, de acuerdo a las características o maneras de operar que tengan:

•  según la administración de las tareas

○    S O monotarea s: sólo pueden ejecutar una tarea por vez, es decir que no son concurrentes. Son los más antiguos y es difícil ver sistemas modernos monotareas.

○    S O multitarea s: pueden ejecutar varias tareas simultáneamente (o cuasi-simultáneamente), aprovechando los tiempos ociosos de la CPU. Alternan entre varias tareas, las que se procesan en partes durante pequeños intervalos de tiempo (quantums).

•  Según la cantidad de usuarios

○    S O monousuarios : admiten un solo usuario por vez.

○    S O multiusuario : permiten varios usuarios

compartiendo recursos al mismo tiempo. Necesitan dar protección a cada uno (restringiendo accesos, con claves, con permisos, etc.)

•  según la administración de recursos

○    S O centralizados : se ocupan los recursos de una sóla máquina, como ser CPU, memoria, disco, etc.

○    S O de red : permiten compartir datos, dispositivos de E/S. Reduce costos para el trabajo en equipos.

Pág. 2

Es la opción elegida en los sistemas operativos modernos. ○    S O distribuidos : constituyen una generalización del anterior, ya que se comparten recursos y distribuyen los procesos del sistema entre varios nodos (computadoras). Este tipo de SO son más difíciles de implementar y necesitan un estudio especial, que trataremos en algún futuro white paper (manténgase actualizados en www.peiper.com.ar!). Deben contemplar fallos en la red, problemas de sincronización, diferente hardware en cada nodo, atomicidad, etc.

Procesos

Una de las tareas fundamentales de los sistemas operativos

es la administración y planificación de la ejecución de

los procesos. Estos son parte fundamental de todo sistema,

y básicamente son programas que procesan y devuelven

datos.

Los procesos para funcionar necesitan muchos recursos: una

CPU, memoria principal, almacenamiento secundario (disco),

recursos de E/S y a veces también servicios de red.

Hay 2 tipos principales de procesos: procesos de usuario y

procesos de sistema. El 1ro se ejecuta en modo usuario, y

el segundo en modo supervisor.

Los procesos son (o deberían serlo) internos del sistema y

transparentes al usuario, de modo que se le simplifique el

trabajo a éste.

Pero nos podemos preguntar cuál es la necesidad de usar

procesos. ¿Por qué el sistema operativo no es un solo

programa que invoque subprogramas? Las razones para

usarlos radican en

?        simplicidad: para permitir una estructura modular que facilita la comprensión.

?        velocidad: al tener un conjunto de procesos estos se pueden ejecutar de manera concurrente y planificar para mejorar el uso de los recursos.

■ seguridad: para permitir o no su ejecución y limitar el uso de los recursos que cada uno hace.

PCB y SCB

Cada proceso se representa en el sistema operativo a través de un PCB (bloque de control de proceso). Un PCB mantiene información del proceso, de su estado actual y datos y variables que sirven al sistema operativo para planificarlos (por ej. prioridad).

Los objetivos del uso de PCBs son almacenar información de cada proceso que sirve para la planificación que hace el sistema operativo, para ejecutar cada proceso de una manera correcta, y en general para almacenar la información de cada proceso que usará el sistema operativo. La información de un PCB es:

·  puntero: locación del proceso en memoria.

·  estado del proceso: hay 5 estados básicos.

Pág. 3

·  número del proceso: process id. Sirve para
identificarlo dentro del sistema.

·  contador de programa: la posición actual por donde
va la ejecución.

·  datos de pila

·  registros: usados por el proceso

·  variables

·  prioridad

·  lista de archivos abiertos

·  código (instrucciones)

Por otra parte, los sistemas operativos disponen de

estructuras para vincular los PCBs, llamadas “bloques de

control del sistema (SCB)”.

Un SCB es similar al PCB pero lo utiliza el sistema

operativo para enlazar los PCB residentes en memoria

principal. Los SCBs contienen PCBs.

Su información es: excepciones, interrupciones, fallos de

CPU, PCB, reloj y consola.

Ejecución de los procesos

Un sistema operativo puede usar alguno de 3 tipos de ejecución, de acuerdo a los requerimientos del sistema y al ambiente en el que se lo usará. Cada una de estas clasificación supone una evolución de la anterior, siendo la más aceptada actualmente el “tiempo compartido”. En orden de aparición tenemos:

· Ejecución secuencial: es característica de los
sistemas por lotes, los más antiguos. Se ejecuta
sólo un proceso a la vez, y no se conmuta a otro
hasta que termina su procesamiento. Maneja la
técnica llamada spooling, que usa buffers para
realizar E/S. Esta técnica de ejecución supone un
derroche de recursos, sobre todo actualmente que el
hardware comienza a tener una orientación
“masivamente paralela”, con procesadores multi-
núcleo, discos en RAID, placas de video en SLI o
CrossFire, etc.

· Multiprogramación: Permite organizar la ejecución de
los trabajos a fin de mejorar el aprovechamiento de
la CPU. Por ejemplo, al solicitar un trabajo E/S,
mientras ésta se realiza se selecciona otro trabajo
para ejecutarlo.

· Tiempo compartido: Es una extensión de la
multiprogramación. En ésta la ejecución de los
procesos se realiza alternadamente, conmutando entre
varios procesos. Se ejecuta un proceso durante un
intervalo de tiempo (llamado quantum) y aunque no
haya terminado, al finalizar el quantum se pasa a
ejecutar otro.

Estados de los procesos

Hoy en día la mayoría de los sistemas operativos manejan los procesos de manera concurrente a través de la multiprogramación. Este significa que en un intervalo de tiempo dado el sistema es capaz de atender y dar espacio de ejecución a 2 o más procesos. Para esto se utilizan distintos algoritmos y estructuras de datos para organizarlos según su estado.

Pág. 4

Para la planificación y organización de los procesos las estructuras más comúnmente usadas son las colas, que organizan a los procesos según su estado. Tenemos:

· cola de procesos listos: contiene los procesos que
están listos para ejecutarse y que compiten por la
CPU.

· cola de suspendido listo: aquí están los procesos
que terminaron su ejecución y no están compitiendo
por la CPU.

· cola de en espera o bloqueado: contiene los procesos
que están en estado de espera por causa de E/S.

· cola de suspendido bloqueado: los procesos que se
interrumpe su ejecución.

Planificación

El sistema operativo es el encargado de conmutar el uso de la CPU con los diferentes procesos. El estado ideal sería tener un procesador por cada proceso, pero esto es muy poco flexible y conlleva un alto costo. Entonces, ya que la mayoría de las computadoras poseen un solo procesador es necesario compartirlo, cambiando de un proceso a otro conmutando el contexto. La conmutación de contexto es una tarea por lo general costosa en términos de utilización de recursos y tiempos necesarios, y de ser excesiva el sistema podría pasarse conmutando sin realizar procesamiento productivo. Por eso, la estructura y técnicas de un sistema operativo están muy relacionadas con el hardware sobre el que correrá. Los objetivos de la planificación son:

·  equidad y justicia

·  mejorar los tiempos de respuesta y retorno

·  minimizar los tiempos de espera

·  maximizar la productividad

Para regular el grado de multiprogramación (la cantidad de procesos que están en memoria principal) se usa el planificador a largo plazo, que es el encargado de escoger procesos en almacenamiento masivo y traerlos a memoria principal. Este planificador tiene una frecuencia de ejecución baja, alrededor de una vez cada 100 milisegundos (aunque depende mucho del sistema operativo). No es común su uso en sistemas de tiempo compartido.

Por otra parte tenemos el planificador a corto plazo, que se ejecuta mucho más frecuentemente. Su tarea es seleccionar procesos de la cola de procesos listos y asignarles la CPU. Su ejecución debe ser concisa y rápida debido a su frecuente uso.

Hay otro nivel de planificador que se puede encontrar más en los sistemas de tiempo compartido, y es el planificador a mediano plazo. Este selecciona procesos que no se están ejecutando, los coloca en memoria virtual (swaping o intercambio) y en el momento necesario los trae nuevamente a memoria principal. La diferencia con el planificador a largo plazo es que éste selecciona procesos que están en ejecución (pero esperando por el procesador en cola de listos, en espera o bloqueados).

Operaciones con procesos

Los procesos se pueden crear, destruir, suspender, reanudar, cambiar su prioridad y temporizar su ejecución (quantum). En general todas estas acciones las realiza el sistema operativo automáticamente, aunque en algunos casos

Pág. 5

particulares puede ser necesaria la intervención del usuario.

Jerarquía de procesos: padres e hijos

Tenemos 2 tipos de procesos: procesos padres y procesos

hijos.

Los procesos padres son aquellos que invocan la ejecución

de otros procesos, que reciben el nombre de hijos. Los

procesos hijos pueden ocupar recursos de 2 maneras

distintas: del sistema o de los recursos que tiene

asignados su padre.

Tipos de procesos

Los procesos se clasifican de varias maneras.

·  Según el código ejecutable:

o reutilizables: pueden ser usados por varios programas de manera simultánea. Manejan datos compartidos. En cada llamada empiezan a ejecutarse desde el principio.

o reentrantes: se mantiene una sola imagen cargada en el sistema.

·  De acuerdo al uso del procesador y los recursos:

o apropiativos: no sueltan la CPU hasta que terminan su procesamiento. No son para nada deseables estos tipos de procesos porque quitan capacidad de control al sistema operativo.

o no apropiativos: permiten al sistema operativo administrarles la CPU.

·  De acuerdo a la forma de ejecución:

o residentes: se ubican sólo en memoria principal. Puede ser conveniente que los procesos del sistema más utilizados sean residentes, a fin de mejorar la performance general.

o intercambiables: pueden encontrarse tanto en memoria principal como en virtual.

Procesos cooperativos e independientes

Los procesos independientes son aquellos que no comparten recursos y que no dependen de otros procesos externos para proveerse de información. Es decir, que funcionan de manera independiente.

Los procesos cooperativos son más difíciles de implementar

y su organización en el sistema es más compleja, pero

permiten proveerse de datos entre ellos, comparten

recursos tales como E/S, memoria principal, etc.

Las razones principales de su uso son para compartir

información, para acelerar los cálculos, para usar la

modularidad y por comodidad para el usuario.

Una desventaja posible es que en error en uno de ellos

puede repercutir en sus procesos dependientes, provocando

cuelgues o inestabilidades.

Otro de sus problemas es conocido como problema de los

productores - consumidores: un proceso consume información

provista por un proceso productor. ¿Pero qué pasa si el

proceso productor produce más despacio que lo que consume

el consumidor? ¿O si es al revés? Para solucionar este

problema se introduce el uso de buffers. Estos pueden ser

de 2 formas, limitados o ilimitados.

Puede ser necesario que en vez de 1 buffer debamos usar 2.

Así, el proceso productor rellena el buffer 1, cuando está

Pág. 6

lleno lo pasa a consumir el proceso consumidor. Pero mientras ocurre ésto no es conveniente que el productor sobrescriba el mismo buffer 1. En vez de ello, el productor comienza a escribir en el buffer 2. Y de esta forma se van alternando ambos buffers.

Comunicación entre procesos

Los procesos cooperativos o padres e hijos deben tener la

capacidad de comunicarse.

Se pueden usar buffers por un lado, y por el otro

mensajes.

En el caso de los mensajes disponemos de dos mecanismos:

· comunicación directa: se envía un mensaje de un
proceso a otro cuyos parámetros son nombre de
proceso y mensaje. Su sintaxis es:
enviar(procesoP,mensaje) y recibir(procesoQ,mensaje)

· Comunicación indirecta: el mensaje se envía a un
buzón de mensajes. La sintaxis es:

enviar(buzón,mensaje) y recibir(buzón,mensaje). Cada proceso tiene un buzón propio y este se puede implementar a través de un buffer, que puede ser de

capacidad cero, capacidad limitada, o capacidad ilimitada.

En todos los casos el sistema operativo o el subsistema de comunicación entre procesos (IPC) deben asegurar la consistencia y la correctitud de los mensajes. Para esto se pueden implementar sumas de verificación (checksum) o similares.

Excepciones

El sistema operativo debe contar con un gestor de excepciones a fin de tratar los eventos anómalos que se pueden producir durante la ejecución de los procesos. Al producirse una de éstas se puede abortar la ejecución del proceso o se la puede tratar y luego continuar con la ejecución.

Los tipos de excepciones son fallos de hardware, fallos de software, entrada de datos incorrectos o eventos anómalos (como resultados inesperados. ej: división por cero). Según la gravedad de cada excepción, éstas pueden ser catastróficas (ej: fallo en el suministro eléctrico), irrecuperables (desborde de pila) o recuperables (ej: desborde de arreglo).

Concurrencia

La concurrencia de procesos es una situación deseada en un sistema operativo, pero no es gratis porque además de agregar complejidad al sistema causa diversos problemas:

· i nanición :
cuando se
posterga la
ejecución de un
proceso indefinidamente.

· b loqueo mutuo (espera circular): cuando se forma una
cadena en la que un proceso A tiene los recursos que

Pág. 7

necesita B, y el proceso B tiene los recursos que necesita el A.

· c ondición de carrera : 2 o más procesos compiten por
el uso de la CPU y los recursos. El primero que
llegue será el beneficiado. Se debe manejar esta
situación para lograr “justicia” en la ejecución.

· c ondición de exclusión mutu a: Cuando un proceso usa
un recurso del sistema y no se debe ni puede
interrumpir para mantener la consistencia de los
datos. A la parte del código que usa los recursos se
le llama sección crítica.

· c ondición de apropiación de recursos: hay procesos
que se pueden apropiar de algunos recursos
indefinidamente o por un largo tiempo. Ocurre a
menudo con procesos apropiativos. Esto también se
debe gestionar y solucionar.

· c ondición de espera activa : cuando un proceso ocupa
ciclos de CPU sólo esperando la liberación de algún
recurso. Provoca un uso ineficiente de los recursos
y se debe evitar a toda costa. Relacionada con el
DMA (acceso directo a memoria) y con las
interrupciones.

H ilo s

Los hilos son procesos ligeros que se componen de

registros, un espacio de pila y un contador de programa.

Los hilos comparten su código ejecutable, su pila y los

recursos que utiliza. Con el uso de hilos deja de ser

necesaria la costosa conmutación de contexto de uno a otro

proceso.

Los hilos son especiales para realizar procesamiento

paralelo, pero esto incurre en algunos problemas como la

consistencia de datos, para lo que se usan distintos

mecanismos para solucionarlos como secciones críticas y

cerraduras.

Los hilos pueden estar a nivel del núcleo del sistema

operativo o a nivel de usuario.

· Hilos a nivel usuario: su ventaja es que tienen
mejor desempeño porque no se deben hacer llamadas al
núcleo. Su desventaja es que el bloqueo de un hilo
produce el bloqueo del resto de los hilos de la
tarea.

· Hilos a nivel del núcleo: Su ventaja es que el
bloqueo de uno de ellos no afecta al resto. Su
desventaja es que la conmutación de un hilo a otro
se hace mediante interrupciones, que producen
sobrecarga.

Dos ejemplos de uso intensivo de hilos son el sistema operativo de tiempo real Solaris 2; y el lenguaje Java, ambos de Sun Microsystems.

Sincronización

Al haber procesos concurrentes se deben emplear mecanismos para asegurar la consistencia de los datos. Como ejemplo, supongamos que tenemos 3 procesos concurrentes que quieren modificar un mismo archivo. Si los 3 acceden a este al mismo tiempo el archivo quedará con valores incorrectos. Para resolver problemas como este se ideó la sección crítica, que es el segmento de código que accede a los recursos. Sólo puede haber una sección crítica en ejecución por vez, así nos aseguramos que los datos quedan consistentes.

Pág. 8

Los mecanismos para manejar la sincronización se

clasifican en 2 grandes grupos, espera activa y

inactiva.

El enfoque de espera activa se basa en procesos

consumen tiempo mientras esperan, son los menos

han quedado en

“alternancia”,

y

 

Los mecanismos de espera inactiva no mientras esperan. Se clasifican en:

consumen recursos

Semáforo: Un semáforo es un mutex con espera inactiva que tiene 2 operaciones, señal(entero) y espera(entero). Se implementa como una estructura que contiene un número entero y una lista de procesos. La operación espera(entero) agrega un proceso en la lista del semáforo, mientras que señal(entero) selecciona un proceso de esta lista para ejecutar.

Ejemplos:

proceso1 ( ) { espera(2)

. .....

señal(2) } proceso2 ( ) {

espera(1)

. .....

señal(1) }

· Monitores: Están caracterizados por un conjunto de
procedimientos (que se declaran dentro de un
monitor). Sólo se puede ejecutar un procedimiento a
la vez de los están declarados en éste. Así se
asegura que no habrá 2 procedimientos utilizando los
mismos recursos.

· Rendez-vous: Es similar a los monitores pero en vez
de ser la llamada a un procedimiento, es a un
conjunto de sentencias dentro de éste.

· Contador de eventos: Se usan variables enteras para
contar las cantidades de determinados eventos que se
producen. Ej: cuantos leen y cuantos escriben. Esta
información la puede usar luego el sistema
operativo.

· Cerraduras: Otra posibilidad es asignar una
cerradura a cada dato o recurso. Para acceder a
estos, se debe usar un protocolo que permita o
restrinja el acceso según el estado de la cerradura.

· Protocolos con marcas de tiempo: Otra posibilidad es
ejecutar las transacciones (atómicas) a partir de
una marca de tiempo que se le asocia a cada una.

·  Otras: Mensajes y llamadas remotas.

Hay varios problemas clásicos que normalmente se usan para comprobar el buen funcionamiento de un algoritmo o esquema de sincronización. Ellos son:

· El problema de los lectores y escritores: Un proceso
puede acceder a un recurso con dos fines, uno es
sólo lectura y otro es lectura - escritura. Cuando
tenemos un conjunto de procesos que sólo leen un
recurso no hay problema, pero estos surgen cuando
hay al menos un proceso que escribe. De esta manera
no podemos asegurar que lo que otros procesos están

Pág. 9

leyendo eran los datos anteriores o los nuevos luego de haberse hecho la escritura. Como una posible implementación podríamos tener 2 colas: una para procesos lectores y otra para escritores. De haber 1 o más procesos escritores compitiendo por CPU, se deberá restringir o bien la lectura o escritura por parte de los demás procesos, o bien la escritura de éste y privilegiar a los lectores.

• El problema de los filósofos comensales: Ilustra de una manera clara cómo hay conflictos al haber 5 filósofos, 5 palillos chinos y 1 plato de arroz en el medio. Para que un filósofo pueda comer necesita tener 2 palillos en la mano, pero esta situación dejará a un filósofo sin palillos. Es un buen esquema que plantea cómo evitar la inanición (que un filósofo muera de hambre).

Interbloqueo (bloqueo mutuo)

Hay una situación que es totalmente indeseada en la ejecución de varios procesos: y es el interbloqueo o también llamado bloqueo mutuo. En general, esta situación ocurre cuando hay varios procesos que tienen recursos A y piden nuevos recursos B. Y otros que tienen B y piden A. En esta situación se genera una traba de la que no pueden salir por cuenta propia.

Es tarea del sistema operativo evitarlos o corregirlos, aunque también los puede ignorar (como pasa en muchas versiones de UNIX).

Para que ocurra un bloqueo mutuo los procesos involucrados deben ejecutar su sección crítica de manera exclusiva (mutua exclusión), cada uno está ocupando algunos recursos y solicita más y no son capaces de expropiarse la ejecución entre sí (procesos no apropiativos). Por último, el sistema debe estar en un estado de espera circular (el proceso1 tiene recurso1 y pide r2. El p2 tiene r2 y pide r3. El pN tiene rN y pide el r1. Es decir que todos tienen los recursos que necesitan los otros y piden los que tienen estos. Para evitar los bloqueos mutuos se puede:

V        hacer listar a cada proceso los recursos que usará y en base a esto permitirle o no ejecutarse.

V        Obligar a los procesos que cuando solicitan otro recurso liberen el actual que poseen.

V        la sutil diferencia de que cuando se les asigna otro recurso se libere el que tienen. También se les puede asignar a los recursos un orden, y cuando el recurso que se pide es posterior, se libera el anterior que tienen.

Hay algunos algoritmos para detectar o evitar bloqueos mutuos, como el algoritmo de grafo de asignación de recursos, que se usa para detectar interbloqueos y consiste en detectar ciclos dentro de este grafo (hay bloqueo mutuo si hay algún ciclo).

También tenemos el algoritmo del banquero, el cual se usa para evitarlos. Consiste en preguntar a cada proceso los recursos que necesitará y sólo ejecutarlo si luego de asignados el sistema aún queda en estado seguro. Para esto se puede simular con el algoritmo del grafo esta situación. Se le dio este nombre porque el sistema actúa como un banquero, que no puede prestar más dinero del que tiene.

Si el sistema no evita los bloqueos mutuos se debe hacer algo si ocurren. Una alternativa es destruir los procesos uno por uno y comprobar en cada paso si el sistema aún está bloqueado. Otra opción menos drástica es expropiar

Pág. 10

los recursos de algunos procesos hasta que se rompa el bloqueo.

Algoritmos de planificación

Ya sabemos que el sistema operativo tiene una cola de procesos listos, es decir que están esperando por la CPU. Pero se debe emplear un mecanismo para seleccionar el proceso correcto de esta cola a fin de asegurar: maximizar la productividad, el uso de la CPU y el rendimiento, minimizar el tiempo de espera, de retorno y de respuesta. Se debe elegir uno o una combinación de éstos de acuerdo a estos criterios, con el fin de encontrar un rendimiento óptimo del sistema. Los principales algoritmos de planificación son:

·  FCFS (1ro en llegar, 1ro en ser atendido): es el más
justo de todos, pero no es el más eficiente ni el
que mejor rendimiento produce.

·  SJF (el trabajo más corto primero): es uno de los
mejores, pero es muy difícil de implementar porque
implica la necesidad de conocer el tiempo que
demandará un proceso.

·  el trabajo de tiempo restante más corto 1r o: es una
variante del anterior, también produce buenos
resultados, aunque puede producir inanición.

·  por prioridad : no tiene el mejor rendimiento pero
está cercano. Se debe implementar envejecimiento de
prioridades para evitar la inanición.

·  round robin : apoya al tiempo compartido. La
ejecución de los procesos se divide en intervalos de
tiempo regulares llamados quantum. Este debe ser
pequeño para simular concurrencia pero no demasiando
para no provocar sobrecarga y para permitirle a la
CPU hacer procesamiento productivo. El actual
estándar ronda los 10 ms. Ej: las primeras versiones
de Solaris tenían implementado un quantum largo.

·  colas múltiples : es una generalización de todas ya
que es posible ubicar a los procesos en diferentes
colas, y cada una con un algoritmo diferente.

·  colas múltiples con realimentació n: la idea de este
es parecida al anterior pero es posible que los
procesos cambien de cola, según su estado o el uso
que hagan de los recursos. Es muy bueno para evitar
la inanición y permite implementar a gusto los
algoritmos anteriores.

Administración de la memoria

Al decir memoria no sólo estamos hablando de memoria principal (RAM), sino también de secundaria (disco), caché, terciaria, etc.

El sistema operativo debe ser el encargado de administrarla eficientemente para que varios procesos la puedan compartir. Hace esto a través de su “Administrador

Pág. 11

de memoria” (MMU). Los requerimientos para un correcto manejo de memoria son:

1.        transparencia: la asignación que hace el SO de la memoria a cada proceso debe ser transparente para el usuario.

2.                 protección: se debe asegurar que no haya una sobre -escritura de memoria.

3.  segmentos múltiples: los segmentos de un proceso deben aparecer lógicamente contiguos.

4.                 código compartido: se debe mantener una sola imagen de cada proceso.

Los programas hacen uso de ésta a través de variables u objetos, que tienen un nombre que está vinculado internamente con una dirección en memoria principal. Ejemplo: la variable entera “edad” puede estar vinculada a la dirección de memoria 01E3-559F (en hexadecimal, 32 bits).

Debemos considerar varios puntos para saber cuál es la cantidad óptima de memoria que requiere un sistema. Entre estos tenemos el tamaño de los programas, la cantidad de programas, el espacio ocupado por el sistema operativo y el tamaño del disco rígido.

Recordando la primera clasificación de los sistemas operativos encontramos la monoprogramación. En este antiguo mecanismo la memoria estaba dedicada exclusivamente a un solo proceso y hasta que no se terminaba no ejecutaba otro. En este esquema se dividió la memoria en 2 partes: una para el usuario y otra para el sistema operativo. Esto trajo consigo problemas como la protección. No se realiza intercambio (entre memoria y disco).

La multiprogramación es lo contrario a la monoprogramación. En este esquema la memoria se comparte con varios procesos y hay intercambios (swapping). Esto quiere decir que es posible la memoria virtual, que es una extensión de la principal pero en disco rígido. Surgen entonces 2 tipos de direcciones:

-    físicas: sólo en memoria principal. Es más pequeña que la lógica.

-    lógicas: abarca tanto la memoria principal como la secundaria (disco). Funciona como un solo espacio de direcciones.

Uno de los mayores problemas que debe considerar un sistema operativo es la “fragmentación de la memoria”, que se refiere a su división en pequeñas partes de forma que quedan espacios vacíos demasiado pequeños para ser utilizados con eficiencia. Destacamos la fragmentación interna y externa.

La fragmentación interna corresponde al espacio vacío que queda en el último bloque de cada proceso. No se puede usar por estar ya ocupado. Se produce al dividir la memoria en bloques de igual tamaño.

La fragmentación externa corresponde al espacio vacío que queda entre los diferentes procesos y que no puede ser asignado a ninguno por ser demasiado pequeño. Se produce mayormente con los bloques de tamaño variable en los que se divide la memoria.

Estos problemas se pueden solucionar o evitar de varias maneras. Aquí enunciaremos sólo algunas, pero en sí cada empresa desarrolladora de sistemas operativos dispone de sus propios métodos, que están adaptados a la estructura de su SO. Corresponde a desarrollos privados que rara vez se divulgan de manera total.

Pág. 12

Podemos almacenar los datos y procesos de manera contigua o en fragmentos.

El almacenamiento contiguo de los procesos genera fragmentación externa pero evita la interna. Es decir que pueden quedar varios huecos inutilizados entre cada proceso por ser demasiado pequeños. Para hacer más espacio entonces es necesario realocar los procedimientos teniendo en cuenta que no deben quedar espacios entre estos. Pero este proceso, llamado compactación, es muy costoso en términos de tiempo.

Una alternativa mejor es dividir un proceso en múltiples partes de menor tamaño, así podremos ubicarlas en los espacios libres que queden entre procesos. Esta opción tal vez es mejor pero tenemos que saber que aparece algo de fragmentación interna (en el último bloque de un proceso, por no completarse totalmente ya que es de tamaño fijo) y también tenemos fragmentación externa (aunque disminuye mucho en comparación con la asignación contigua). La selección del espacio libre donde se ubicarán nuestros bloques puede ser:

· primer ajuste: es el más eficiente y da los mejores
resultados de performance, pero puede desperdiciar
algo de memoria principal.

· mejor ajuste: implica recorrer toda la lista en
busca del hueco más pequeño donde quepa nuestro
bloque. Poca performance si no se usan tablas de
espacio libres. Es el que menos de memoria produce.

· peor ajuste: no tiene buenos resultados. Es
contrario al mejor ajuste.

Una vez ubicados los bloques en la memoria principal necesitamos poder leer cada uno de estos bloques de un mismo proceso y poder reconstruirlo exactamente igual a como estaba antes de la división en partes. Esto se puede solucionar usando punteros o tablas de punteros. Cada uno de éstos estará al final de cada bloque, y nos indicará cuál es el próximo bloque componente. Las tablas de punteros son quizás más eficientes y permiten un acceso aleatorio al archivo o proceso en memoria principal. ¿Por qué? Porque de lo contrario tendríamos que recorrer uno por uno los bloques siguiendo sus punteros, hasta llegar al bloque deseado. Este mecanismo es muy ineficiente y para archivos o procesos grandes agrega un tiempo de espera totalmente inaceptable. Es por esto que al tener todos los punteros a bloques en una sola tabla, se puede obtener el bloque exacto en unos pocos accesos.

Paginación

La paginación es una técnica que permite pasar procesos de

memoria principal a virtual.

Se corresponde directamente con la memoria virtual.

Cada proceso posee una tabla de páginas propia, aunque se

puede implementar una tabla de páginas global a nivel

sistema con el proceso dueño de cada una acoplado. Este

esquema recibe el nombre de paginación invertida, porque

no es el proceso el que contiene las páginas, sino que es

el sistema.

La memoria principal está dividida lógicamente en marcos.

Cada marco puede contener 1 página. Tanto los marcos como

las páginas son de longitud fija, lo que simplifica

enormemente su búsqueda y manipulación por parte del

sistema operativo.

¿Cómo hacemos para acceder a una dirección específica de

la memoria?

Para ésto la dirección se desdobla en dos partes: una

representa el número de página y la otra el desplazamiento

desde su principio.

Pág. 13

Si queremos acceder a la dirección “d” calculamos:

num. marco = parte_entera(d / tamaño de marco) desplazamiento = d - num. marco*tamaño de marco

Con estas dos fórmulas nos es suficiente para saber la ubicación exacta dentro de la memoria, aunque debemos tener una tabla con la página que le corresponde a cada marco, otra tabla con la ubicación de las distintas páginas en el disco, otra con los marcos libres, y otra con las páginas libres.

La paginación tiene un mecanismo llamado “demonio de paginación” que es un proceso demonio (hilo de muy baja prioridad) que se encarga de recorrer las tablas de páginas y recolectar información como ser las páginas libres o las menos usadas.

Fallo de página: Ocurre cuando se solicita una página que no está en memoria principal. Entonces la MMU (unidad de manejo de memoria del sistema operativo) debe hacer un intercambio disco >>> memoria principal, para traer la página que falta.

Paginación multinivel

Cuando el espacio de direcciones es muy grande se

dificulta la ubicación de las páginas en las tablas de

manera eficiente. Para esto podemos usar dos esquemas que

mejorarán la velocidad de acceso a las páginas. Una es

usar técnicas de dispersión (hashing).

Otra es usar una doble paginación. En ésta tenemos las

páginas y la tabla de páginas, pero agregamos una nueva

tabla que indexa la tabla de páginas.

Podemos tener 3, 4 o más niveles de paginación.

Segmentación

Utilizando el mismo enfoque de la paginación, dividimos los procesos en partes. Sólo que esta vez su tamaño es variable. Esto tiene varias ventajas. Disminuye la fragmentación externa, desaparece la interna, y agrega protección y seguridad a los datos. También permiten traer de disco sólo los segmentos que se necesitan (así no es necesario traer todo el proceso) y compartir bloques de código y datos, lo que los hace un mecanismo ideal para implementar un sistema operativo flexible y poderoso. Cada segmento tiene la posición en memoria donde comienza, su tamaño y bits de protección, entre otros. Esta técnica produce fragmentación externa, a diferencia de la paginación que produce interna.

Debemos tener tablas al igual que con la paginación para manipularlos de una manera eficiente y rápida. Segmentación paginada: Es una combinación de los 2. Se aprovechan las mejores características de cada mecanismo y esto permite reducir aún más la fragmentación y mejorar el rendimiento. Su esquema e un conjunto de segmentos indexados a su vez por una tabla de páginas. Podemos tener el otro enfoque que es paginación segmentada, que también puede producir buenos resultados.

Administración de la asignación de memoria

Para señalizar que páginas se encuentran libres y cuales ocupadas tenemos 3 técnicas:

· Administración con mapa de bits: es muy eficiente pero puede consumir mucha memoria. Por ejemplo para una memoria de 512 MB y un marco de 4 KB tendríamos una mapa de bits de 16 MB. Cuanto más grande la memoria y más pequeños los marcos, la tabla será más grande. Ej: 01010101010111111010010101111110000. Los

Pág. 14

1 indican que esa posición de memoria está ocupada. Cada digito hace referencia a bloques de memoria de 4 KB, por ej.

· Administración con listas enlazadas: Tenemos una
lista en la que cada nodo tiene información de si
está vacía u ocupada y los límites o la cantidad de
bloques ocupados.

· Sistema de los asociados: Se parte de considerar a
la memoria como un gran bloque. A medida que se van
haciendo asignaciones, se va dividiendo siempre por
potencias de 2.

Protección: La protección de las páginas y de los marcos se puede hacer con bits que indican si son sólo de lectura, de lectura-escritura o de ejecución.

Para almacenar todos estos estados y atributos de las páginas necesitamos algunas tablas con varios bits para cada una. Cada bit corresponde a una bandera. Nombremos algunas banderas usadas: bit de

presente/ausente, bit de protección (para indicar lectura o lectura - escritura, o 3 bits para lectura / escritura / ejecución), bit de lectura (se marca con 0 la página que ha sido referenciada o leída, y cada cierto tiempo se la marca con 1 para indicar que no fue referenciada. Una alternativa más potente al uso de este bit es almacenar el tiempo en el que se hizo la última referencia. Esto permite una precisión máxima, bit de escritura.

Técnicas de gestión de memoria

Tenemos 6 técnicas para gestionar la memoria, 3 son de paginación y las otras 3 de segmentación.

· en particiones fijas: Esta técnica es sencilla de
implementar. Cada proceso se carga en una partición
de tamaño fijo (casi siempre de mayor tamaño que el
proceso). Puede tener fragmentación interna. El
proceso trae toda la partición para ejecutarse.

· en particiones dinámicas: Similar a la anterior pero
la partición se crea según el tamaño del proceso.
Tiene fragmentación externa. Produce sobrecarga de
la CPU.

· en páginas simples: Los procesos se dividen en
muchos marcos de igual tamaño. Para ejecutar un
proceso se necesitan traer todas sus páginas.

· en segmentos simples: Los procesos se dividen en
muchos marcos de distinto tamaño.

· en memoria virtual paginada: Para ejecutar un
proceso no se necesitan traer todas sus páginas. La
carga se hace de manera automática.

· en memoria virtual segmentada: Igual que la anterior
pero con segmentos.

Pág. 15