Sistema operativos

Núcleos monol´ıticos
Organización modular
Organizaciones estratificadas o por capas
Núcleos extensibles o micronúcleos
Sistemas operativos para sistemas distribuidos
Bibliograf´ıa
Arquitecturas de Sistemas Operativos
Tema 2. Arquitecturas de Sistemas Operativos

Bibliograf´ıa
Índice
1 Núcleos monol´ıticos
2 Organización modular
3 Organizaciones estratificadas o por capas
4 Núcleos extensibles o micronúcleos
Caracter´ısticas de los micronúcleos
Máquinas virtuales
Exokernels
Modelos cliente-servidor
El sistema operativo Mach
5 Sistemas operativos para sistemas distribuidos

Bibliograf´ıa
Todo el software y las estructuras de datos están ubicados en un
único módulo lógico, sin interfaces expl´ıcitas entre las partes del SO
Prácticamente, no hay ocultación de la información: cualquier
procedimiento puede ver a cualquier otro y acceder a cualquier
estructura de datos
Se utilizan porque:
es dif´ıcil particionar un SO debido a las muchas interrelaciones
entre las partes
suelen ser muy eficientes cuando son correctamente
implementados
tal vez sea la estructura más sencilla para SSOO pequeños
Inconvenientes: son dif´ıciles de mantener y de comprender

Bibliograf´ıa
Ejemplos: MS-DOS y UNIX
Es importante observar que monol´ıtico = software no
estructurado
Posible organizaci´on:
Proc. principal: atiende
las llamadas al sistema en
1a
instancia
Proc. de servicio: ejecutan
la llamada al sistema
Proc. auxiliares: apoyan a
los proc. de servicio
Main
procedure
Service
procedures
Utility
procedures

Bibliograf´ıa
La funcionalidad se encuentra dividida entre componentes
lógicos independientes con interfaces bien definidas
Un SO modular se implementa mediante diversos módulos de
programa y/o procesos
Ventajas: fáciles de mantener y modificar debido a la
encapsulación funcional y a la abstracción de datos
Inconveniente: potencial degradación del rendimiento
Ejemplo: Choices, Linux (?),. . .

Bibliograf´ıa
Choices: un SO orientado a objetos (1987)
SO de investigación, experimental, construido con un lenguaje y un
diseño orientados a objetos
Objetivos: poder experimentar con diversas aproximaciones
mediante el prototipado rápido y poder transportar fácilmente el
sistema a nuevas máquinas
Organización:
Cualquier elemento del SO es un objeto
Las clases base representan a los módulos del SO
La estructura del SO se captura en una jerarqu´ıa de
frameworks (marcos) de objetos:
Un marco describe un conjunto de submarcos que se
emplean como clases base
Un marco define las interacciones y relaciones genéricas
entre las clases base

Bibliograf´ıa
Choices: un SO orientado a objetos
Con esta organización, cuando Choices se implementa en una
nueva plataforma hardware:
las funciones de los módulos, las interfaces y las interacciones
están ya definidas
la implementación de un módulo se hereda desde la clase base
y después se refina para realizar la implementación sobre un
hardware concreto
Programación orientada a objetos (C++) a nivel de S.O.

Bibliograf´ıa
Choices: submarco del gestor de memoria

Bibliograf´ıa
La funcionalidad se divide en una jerarqu´ıa de máquinas
abstractas donde las funciones de la capa i están
implementadas mediante las funciones proporcionadas por la
capa i − 1
Problema: cantidad, orden y contenido de las capas
Ventajas:
Modularidad
Ocultación de la información
Verificación capa a capa
Si todas las capas del SO en modo núcleo ⇒ ¿SO monol´ıtico?
Ejemplo: THE, Venus, Windows Server (?), . . .

Bibliograf´ıa
Estructura estratificada de THE
Nivel 5 Programas de usuario
Nivel 4 Gestión de E/S
Nivel 3 Consola del Operador
Nivel 2 Gestión de memoria
Nivel 1 Planificación de la CPU y sincronización
Nivel 0 Hardware

Bibliograf´ıa
Estructura de Windows NT
POSIX program
POSIX subsystem
Win32 program
Win32 subsystem
OS/2 program
OS/2 subsystem
Service
process
System interface (NT DLL.DLL)
System services
Hardware
Hardware Abstraction layer (HAL)
Kernel
File sys
I/O mgr
Object
mgr
Process
mgr
Memory
mgr
Security
mgr
Cache
mgr
PnP
mgr
Power
mgr
Config
mgr
LPC
mgr
Win32
GDI
Video
driverD
KernelmodeUsermode

Bibliograf´ıa
Estructura de Windows 2003

Bibliograf´ıa
Exokernels
Organización modular especializada pensada para sistemas de
tiempo real, de tiempo compartido, multimedia, etc.
Un micronúcleo es un pequeño núcleo del SO que proporciona
las bases para ampliaciones modulares
La idea: sólo las funciones absolutamente esenciales del núcleo
del SO deben permanecer en el micronúcleo
Las aplicaciones y los servicios menos esenciales se construyen
sobre el micronúcleo y se ejecutan en modo usuario. Por
ejemplo: manejadores de dispositivo, sistemas de ficheros,
gestores de memoria virtual, etc.
El micronúcleo es el nexo de unión de los elementos que se
ejecutan en el modo de usuario

Bibliograf´ıa
Exokernels
En una arquitectura micronúcleo podemos distinguir tipos de
módulos:
módulos troncales, independientes de cualquier pol´ıtica
módulos espec´ıficos, depedientes de cierta pol´ıtica
Los módulos troncales implementan el micronúcleo:
No proporcionan una funcionalidad completa de SO
Crean un entorno de trabajo fiable de propósito general sobre
el que se asientan los módulos dependientes de la pol´ıtica
Proporcionan una máquina virtual de bajo nivel con una
gestión básica de procesos, memoria y dispositivos
Los módulos espec´ıficos:
definen el comportamiento final del SO
complementan al micronúcleo creando un SO completo
se suelen implementar mediante procesos servidores

Bibliograf´ıa
Exokernels
Ventajas de una organización micronúcleo
1 Uniformidad de interfaces: los procesos solicitan cualquier
servicio enviando un mensaje
2 Extensibilidad: es fácil añadir nuevos servicios
3 Flexibilidad: el producto final es totalmente configurable
4 Transportabilidad: basta con cambiar algunas partes del
micronúcleo
5 Fiabilidad: un pequeño micronúcleo puede probarse de un
modo muy riguroso
6 Soporte para sistemas distribuidos: los mensajes se pueden
enviar entre procesos locales y remotos
7 Soporte para SSOO orientados a objetos: mediante algún
modelo de componentes

Bibliograf´ıa
Exokernels
Rendimiento de los micronúcleos
El rendimiento es el caballo de batalla
Caracter´ısticas de la 1a generación (Mach, Chorus,. . . )
IPC lento respecto a las llamadas al sistema
Gran número de cambios de modo usuario/núcleo y de
espacios de direcciones
Micronúcleos grandes (≈ 300 KB): muchos servicios dentro del
núcleo
Interfaces complejas (≈ 140 llamadas al sistema)
Caracter´ısticas de la 2a generación (L4, exokernels,. . . )
IPC muy rápido, tanto o más que una llamada al sistema
Micronúcleos pequeños (≈ 12 KB)
Interfaces pequeñas (≈ 7 llamadas al sistema)

Bibliograf´ıa
Exokernels
Diseño de micronúcleos
Un micronúcleo debe incluir aquellas funciones básicas que
dependen directamente del hardware y que dan soporte a las
aplicaciones y los servidores: gestión de procesos y de memoria
de bajo nivel, IPC y gestión de interrupciones y E/S
Gestión de procesos
Micronúcleo: cambio de contexto
Servidor: algoritmo de planificación
Gestión de la memoria de bajo nivel
Micronúcleo: trata los fallos de página (parcialmente) y
establece las asociaciones página–marco
Servidor: algoritmo de reemplazo de páginas y pol´ıtica de
protección/compartición de los espacios de direcciones

Bibliograf´ıa
Exokernels
Diseño de micronúcleos
Comunicación entre procesos
Micronúcleo: gestión de mensajes, puertos y capacidades
Servidor: mensajes entre sistemas remotos
Gestión de interrupciones y E/S
Micronúcleo: convierte int. en mensajes y proyecta puertos de
E/S en memoria
Servidor: atiende mensajes (int.) y gestiona dispositivos
Ejemplo de un hilo de manejador:
do
esperaPor(msg, emisor);
if (emisor == mi interrupcion hardware) {
leer/escribir puertos de E/S;
reiniciar interrupcion hardware;
}
else ...
while (true);

Bibliograf´ıa
Exokernels
Tipos de micronúcleos
Los núcleos extensibles o micronúcleos los podemos clasificar,
a grandes rasgos, en 3 tipos:
máquinas virtuales
exokernels
modelos cliente-servidor
Se diferencian, principalmente, en los servicios proporcionados
por el micronúcleo

Bibliograf´ıa
Exokernels
El monitor de máquina virtual (el micronúcleo) se ejecuta
sobre el HW directamente, realiza la multiprogramación y
proporciona varias máquinas virtuales a la capa superior
El SO no añade funcionalidad nueva
Las máquinas virtuales son copias exactas del HW
Es posible ejecutar varios SSOO a la vez
Ejemplo: VM/370 de IBM con CMS (ojo: años 70)
I/O instructions here
Trap here
Trap here
System calls here
Virtual 370s
CMS CMS CMS
VM/370
370 Bare hardware

Bibliograf´ıa
Exokernels
Ejemplo: el modo 8086 virtual de los procesadores 386
En este modo, el procesador actúa como un 8086
Instrucciones normales: se ejecutan en el HW directamente
Interrupciones y operaciones protegidas de E/S: salto (trap) al
monitor de la máquina virtual
Dos variantes (según quién trate la llamada al sistema):
1 MS-DOS (u otro SO) se ejecuta en el 8086 virtual y las
llamadas al sistema se rebotan al SO
2 El monitor atiende las llamadas al sistema (necesario un
monitor espec´ıfico)
En cualquier caso, la E/S siempre la atiende el monitor
haciendo uso del SO anfitrión
Otros ejemplos: VMWARE, VirtualBox, JVM, QEMU, . . .

Bibliograf´ıa
Exokernels
Exokernels
Presentan una copia exacta de la máquina real pero con un
subconjunto de los recursos de la misma
Caracter´ısticas de un exokernel:
Se ejecuta en la capa más baja, en modo núcleo
Asigna recursos a las máquinas virtuales, las cuales son
conscientes de qué recursos se les han asignado
Controla los intentos de uso de los recursos, evitando
interferencias entre las máquinas virtuales
Cada máquina virtual puede ejecutar su propio SO, que
estará limitado a los recursos asignados
Son más rápidos al eliminar un nivel de traducción o
correspondencia (no hay discos duros virtuales, etc.)
También separa la multiprogramación (en el exokernel) y el código
del SO del usuario (en el espacio de usuario)

Bibliograf´ıa
Exokernels
No simulan una máquina
Tratan de subir código del SO a capas superiores (en espacio
de usuario) dejando un micronúcleo m´ınimo
Dos tipos de procesos: proceso cliente (solicita un servicio) y
proceso servidor (proporciona un servicio)
El núcleo maneja la comunicación entre clientes y servidores,
la cual se realiza, habitualmente, intercambiando mensajes:
Client
process
Client
process
Process
server
Terminal
server
File
server
Memory
server
Microkernel
User mode
Kernel mode
Client obtains
service by
sending messages
to server processes

Bibliograf´ıa
Exokernels
Al dividir el SO en partes (servidores), éste es más fácil de
implementar, depurar y extender
Los servidores se ejecutan en espacio de usuario ⇒ el fallo de un
servidor no tiene por qué afectar a todo el sistema
Problema: algunos servidores necesitan acceder al hardware. Dos
soluciones:
Algunos servidores dentro del núcleo
Mensajes especiales que el kernel reconoce y trata
El modelo cliente-servidor es fácilmente adaptable a sistemas
distribuidos (Mach, Chorus, etc.):
Machine 1 Machine 2 Machine 3 Machine 4
Client
Kernel
File server
Kernel
Process server
Kernel
Terminal server
Kernel
Message from
client to server
Network

Bibliograf´ıa
Exokernels
El Sistema Operativo Mach (1986)
Objetivos:
Carnegie Mellon University
investigación en organizaciones de SSOO que soporten de
forma eficiente el paso de mensajes ⇒ Útil para entornos
distribuidos
investigación en nuevos diseños de memoria virtual para
espacios de direcciones grandes y dispersos
investigación sobre hilos
soporte de comunicaciones seguras y transparencia de red
exploración de las implicaciones prácticas de la implementación
de sistemas con un núcleo extensible
compatibilidad con la versión 4.3 de UNIX BSD
Ojo: 1986 (¿qué habrá hecho que no triunfen?)
Base de los núcleos más modernos L4

Bibliograf´ıa
Exokernels
El Sistema Operativo Mach
El micronúcleo de Mach proporciona mecanismos para la
gestión de procesos, memoria y dispositivos
Puede crearse un SO definiendo un servidor que use el
micronúcleo para implementar la interfaz deseada de SO
El servidor de SO implementa el gestor de ficheros y varios
módulos de pol´ıtica para los mecanismos implementados en el
micronúcleo

Bibliograf´ıa
Exokernels
El Sistema Operativo Mach (gestión de procesos)
Mach soporta tareas (procesos) e hilos. Los hilos son entidades del
núcleo que operan dentro de una tarea
El gestor de procesos de Mach proporciona dos niveles de primitivas:
uno para la gestión de tareas y otro para la gestión de hilos. La
planificación de la CPU se hace en base a hilos
Cuando hay varios procesadores, cada procesador y cada hilo se
asigna a un conjunto procesador
El planificador de cada conjunto procesador asigna hilos listos a los
procesadores libres del conjunto
El planificador es una cola multinivel con prioridades que favorece a
los hilos que menos consumen CPU
Hay hilos que sólo se pueden ejecutar en una CPU ⇒ Puede haber
procesadores que posean una cola local de planificación

Bibliograf´ıa
Exokernels
El Sistema Operativo Mach (paso de mensajes)
Mach permite comunicaciones entre procesos (IPC) mediante
mensajes y puertos
Un puerto es una cola de mensajes tipados asociada a un proceso.
Dicha cola posee un único punto de entrada (para escritura) y un
único punto de salida (para lectura)
Los puertos asociados a una tarea son compartidos por todos los
hilos de la tarea. Un hilo puede leer de cualquier puerto de la tarea
a la que pertenece
Un hilo puede escribir en uno de los puertos de cualquier otro hilo
(local o remoto) siempre que tenga permiso para ello
Para el env´ıo de mensajes a través de la red, cada máquina posee un
servidor de mensajes de red en el espacio de usuario.
Conjuntamente, estos servidores permiten el intercambio de
mensajes entre hilos remotos de forma transparente

Bibliograf´ıa
Exokernels
El Sistema Operativo Mach (gestión de memoria)
En Mach, la gestión de memoria se reparte entre:
el gestor de memoria, que es un servidor en el esp. de usuario
el manejador de fallos, que se ejecuta dentro del micronúcleo
El gestor de memoria implementa la pol´ıtica de reemplazo de
páginas y controla la posición de las páginas en disco
El manejador de fallos se ejecuta cuando se produce un fallo de
página y su función es la de resolver el fallo haciendo uso de los
servicios proporcionados por el gestor de memoria
La unidad de gestión de memoria en Mach es el objeto de memoria
y puede ser: una página, un conjunto de páginas, una pila o incluso
un fichero (memory-mapped)
Los objetos de memoria se pueden asociar al espacio de direcciones
virtuales de un proceso y se pueden transferir de un proceso a otro
mediante mensajes

Bibliograf´ıa
2 enfoques:
Sistemas operativos de red, que han evolucionado desde los
SSOO convencionales
Sistemas operativos distribuidos, que presentan una nueva
organización
Principal caracter´ıstica diferenciadora: la transparencia de red,
aunque a veces la frontera es difusa
Los sistemas operativos de red:
no hay transparencia de red (o es parcial)
proporcionan distintos servicios y mecanismos de comunicación
entre procesos: transferencia de ficheros, interconexión de
terminales, sistemas de ficheros remotos, IPC, RPC, . . .
Ejemplos de SSOO de red: cualquier versión actual de UNIX,
Linux y Windows Server

Bibliograf´ıa
Los elementos que diferencian a los sistemas operativos
distribuidos de los de red son:
Primitivas de comunicación entre procesos
Nominación y protección de procesos de forma global
Gestión global de los recursos en la red (planificación, balanceo
de carga, . . . )
Tolerancia a fallos
Servicios proporcionados (ejecución remota, servidores de
ficheros y de impresión, . . . )
En un SOD un proceso percibe el entorno de cómputo como
un único sistema en lugar de como un conjunto de
computadores individuales
Ejemplos: Mach y CHORUS

Bibliograf´ıa
El sistema operativo CHORUS (1988)
El micronúcleo proporciona actores (procesos), hilos, IPC
basado en mensajes y puertos, identificadores globales únicos
y regiones (bloques pequeños de dirs. contiguas de memoria).
El micronúcleo también proporciona subsistemas para alojar
servidores que implementan pol´ıticas de SO concretas (UNIX,
COOL, RT-OS, etc.)
El micronúcleo en s´ı está modularizado sobre:
un supervisor, dependiente de la máquina, que gestiona
interrupciones y traps
un gestor de procesos, independiente de la máquina
un gestor de memoria, que controla la MMU y puede apoyarse
en un servidor externo (como en Mach)
un gestor de IPC, que proporciona servicios globales a través
del mecanismo de mensajes

Bibliograf´ıa
El sistema operativo CHORUS
Un sistema CHORUS consta de un conjunto de sitios
(ordenador, tarjeta de CPU en un multiprocesador, etc.)
interconectados por una red (red Ethernet, bus interno, etc.)
Los identificadores globales únicos (UI) implementan la
transparencia de ubicación para los puertos. Cada puerto es
referenciado mediante una habilitación y cada habilitación
contiene un UI que identifica al puerto
El gestor de IPC es responsable de traducir los UIs
adecuadamente
CHORUS permite la multidifusión de mensajes: es posible
enviar un mismo mensaje a varios puertos a la vez
Los mensajes son simples flujos de bytes

Bibliograf´ıa
El sistema operativo CHORUS
La gestión de la memoria de CHORUS se basa en segmentos
Un segmento es un bloque lógico de información (fichero, área
de intercambio, . . . ) que se correlaciona con una región en el
espacio de direcciones de un actor
La correlación ((segmento–region)) la establece el servidor de
segmentos o mapeador del subsistema en ejecución
La correlación ((región–marcos de página)) la establece el
gestor de memoria del micronúcleo
En un fallo de página: supervisor ⇒ gestor de memoria ⇒
mapeador (que obtiene la página desde una posición arbitraria
según su pol´ıtica)

Bibliograf´ıa
Bibliograf´ıa
Gary Nutt.
((Sistemas Operativos)), 3a edici´on, cap´ıtulo 19.
Addison Wesley, 2004
Andrew Tanenbaum.
((Sistemas Operativos Modernos)), 2a edici´on, cap´ıtulo 1.
Prentice Hall, 2003
William Stallings.
Prentice Hall, 2001

Bibliograf´ıa
Bibliograf´ıa
Jochen Liedtke.
((Toward Real Microkernels)).
Communications of the ACM 39(9), pp. 70–77, 1996
Abraham Silberschatz y Peter B. Galvin.
Addison Wesley Longman, 1999

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