Visión general e introducción al kernel

Visión general e introducción al kernel
Diseño de Sistemas Operativos Ingeniería en Informática

Visión general e introducción al ...
Objetivos: Revisar conceptos relacionados con sistemas operativos Dar una visión general de UNIX, destacando algunos aspectos del kernel Dar una visión general de Linux, destacando algunos aspectos del kernel

Revisión de conceptos. Visión general de UNIX. Visión general de Linux.

Revisión de conceptos Clasificación del software
Software de aplicación Programas que realizan las tareas en las que el usuario está realmente interesado Software de sistema Programas y librerías de soporte para el software de aplicación, por ejemplo el sistema operativo

Revisión de conceptos Objetivos de un sistema operativo
Abstracción de los recursos hardware Almacenamiento heterogeneo  Sistema de archivos Memoria física + memoria secundaria  Memoria virtual Variedad de dispositivos de E/S  E/S estándar Reparto de recursos  CPU, memoría física, espacio de disco, comunicaciones, etc. Servicios de sistema al software de aplicación Semáforos Memoria compartida Señales Temporización, etc.

Revisión de conceptos Características generales de un sistema operativo Monotarea o multitarea  Multitarea expulsiva (preemptive), protección entre tareas, protección del hardware Monousuario o multiusuario Monoplataforma o multiplataforma Monoprocesador o multiprocesador Interactivo o batch Tiempo compartido, pudiendo procesar trabajos batch Kernel monolítico o microkernel (o exokernel) Sistemas operativos de tiempo real

Revisión de conceptos Características generales de un sistema operativo Procesos Niveles de protección Las instrucciones no pueden ejecutar cualquier instrucción potencialmente peligrosa Modo usuario y modo kernel (o supervisor) Procesos  Programa en ejecución y con su contexto Descriptor de procesos (PCB  Process Control Block)  struct task_struct (elemento de struct thread_info) Contexto de nivel de usuario Contexto de nivel de sistema (kernel) Contexto de registros

Revisión de conceptos Características generales de un sistema operativo Planificación y conmutación de procesos Estados de un proceso  Listo, En ejecución, Parado, … Jerarquía de procesos  Relación padre-hijo Threads (hilos). Threads del kernel Tipos de planificación  quantum (timeslice), prioridad, … El algoritmo de planificación del kernel de Linux  O(1) Procesos interumpibles por el kernel (preemptive) Llamadas al sistema  Interfaz entre un proceso y el sistema operativo Invocada por el proceso Causada por una interrupción software (señal)

Revisión de conceptos Relación entre aplicaciones, el kernel y el hardware

Revisión de conceptos Sistemas monolíticos versus microkernel
Enfoque monolítico Kernels implementados como un gran proceso único ejecutándose en un único espacio de direcciones  kernels en disco como un archivo binario Todos los servicios del kernel existen y se ejecutan en el gran espacio de direcciones del kernel Comunicación con el kernel es trivial, ya que todo se ejecuta en modo kernel en el mismo espacio de direccines El kernel puede llamar directamente a funciones, como si fuesen aplicaciones en modo usuario Sencillo y buen rendimiento  Mayoria de los sistemas UNIX son monolíticos en diseño

Enfoque microkernel Núcleo con funcionalidad mínima Servicios provistos por servidores que son procesos El kernel sólo gestiona la comunicación con los servidores Las distintas partes del S.O. se comunican mediante paso de mensajes Chorus, QNX, Mach (GNU Hurd), WNT 3.51

Enfoque monolítico + Eficiente  Pocos cambios de contexto - Depuración - Ampliación (modularidad) - Dependencias Enfoque microkernel + Fácil implementación y depuración + Portabilidad + La separación de varios servidores  previene la caida de servidores - Eficiente  sobrecarga de comunicaciones

Revisión de conceptos Linux Estructura Portabilidad
Monolítico con módulos cargables Threaded Dinámico (añadir y quitar módulos) e interrumpible Mayor modularidad que un sistema monolítico puro  mayor rendimiento que un sistema microkernel Portabilidad Escrito casi íntegramente en C estándar, con partes en ensamblador dependientes de la arquitectura (/arch) Nuevamente el equilibrio entre la sencillez y eficiencia gana  Linux gana

Revisión de conceptos Linux Características principales
S.O. estilo UNIX, compatible POSIX Multitarea expulsiva, Multiusuario y Multiplataforma Protección de memoria y memoria virtual, kernel threading, interrumpible (preemptive) SMP, Clustering Variantes para Tiempo Real y CPUs sin MMU Múltiples sistemas de archivos y protocolos de red Con modelo de dispositivos orientado a objetos Razonable soporte hardware Casi todo escrito en C y depuración en tiempo de ejecución Módulos cargables en tiempo de ejecución (dinámico)

Revisión de conceptos UNIX/Linux Algo de historia
1969: UNIX, Thompson & Ritchie (AT&T Bell Labs)  proyecto MULTICS 1978: BSD, Berkeley Software Distribution  Distribuidores comerciales: Sun, HP, IBM, SGI, DEC, Digital, SCO 1984: GNU: Richard Stallman (FSF) 1986: POSIX (Portable Operating System Interface)  La norma POSIX.1 ha uniformado las operaciones de manipulación basándose fundamentalmente en las funcionalidades existentes en System V 1987: MINIX, Andrew Tanenbaum 1989: SVR4, AT&T 1991: 'Nacimiento' de Linux

Revisión de conceptos Linux Algo de historia
Evolución de MINIX para 8086 (A.S. Tannenbaum, líneas de código abierto) En 1991 Linus Torvalds pone un mensaje en USENET diciendo que está escribiendo un S.O. como hobby, y deja los fuentes disponibles. (0.01) Poco después publica la versión 0.02 y pide colaboraciones a los interesados  En menos de un año más de 100 colaboradores Aparecen múltiples distribuciones comerciales y no comerciales (Slackware, Red Hat, Suse, Mandrake, Caldera, Debian, etc.) Soporte por parte de grandes empresas (Intel, IBM, Sun, Oracle, HP, Informix, etc.) y para múltiples plataformas, no sólo i386

Revisión de conceptos Linux Algo de historia
Linux 1.0 aparece en 1994 en forma de distribución (i386) Linux 1.2 en 1994  Soporta diferentes arquitecturas (Sparc, Alpha, MIPS) Linux 2.0 en 1996  competitivo con sist. UNIXs comerciales Linux 2.2 (Enero 1999), con muchas mejoras y soporte hardware Linux 2.4 (Enero 2001), más hardware soportado (ISA PnP, USB) y modificaciones arquitecturales Linux 2.6 (Diciembre 2003), características avanzadas, enterprise, muchas mejoras en la arquitectura Ultima versión estable (X.Y.Z X = versión mayor, Y = versión (par = estable, impar = desarrollo), Z = revisión)

Revisión de conceptos Linux Modelo de desarrollo de Linux
Modelo Open Source Licencia GPL Motivaciones  resolver problemas (compartir soluciones), educación, reconocimiento, anti-monopolio, seguridad Autogestión del proyecto  objetivos y motivación voluntarios, filosofía y herramientas comunes, desarrollos en paralelo con poda de ramas fallidas, distribución frecuente y pruebas masivas, depuración masiva por ser Open Source Resultados de gran calidad

Visión general de UNIX Estructura del sistema UNIX

Visión general de UNIX Diagrama de bloques del kernel de UNIX

Visión general de UNIX Subsistema de archivos en UNIX
Estructura jerárquica y tratamiento consistente de los datos Crecimiento dinámico de los archivos (crear y borrar archivos) Proteger los datos de los archivos Tratar a los dispositivos y periféricos como si fuesen archivos

Visión general de UNIX Organización del sistema de archivos en UNIX
Boot block  cotiene el código de arranque Superblock  Describe el estado del sistema de archivos (tamaño, número total de archivos que puede contener, espacio libre dispon. Lista de inodos  Cada archivo en UNIX tiene asociado un inodo, que lo describe (propietario, permisos, fecha de actualización, …) Bloques de datos  datos de los archivos, donde cada uno de los bloques puede ser asignado a un archivo

Visión general de UNIX Representación interna y gestión de archivos en UNIX Tabla de inodos  Lista de inodos + información adicional Tabla de archivos  Estructura global al kernel y tiene una entrada por cada archivos que los procesos (kern. & usr.) tienen abiertos Tabla de descriptores de archivos de usuario  Estructura local a cada proceso e idenfica a los archivos abiertos por un proceso

Visión general de UNIX Subsistema de procesos en UNIX
Tabla de procesos  Entrada = PID, estado, temporizadores, etc. U-área  Datos manipulables por el kernel y que son necesarios sólo cuando el proceso se está ejecutando Tabla de regiones por proceso  espacio de direcciones virtuales del proceso Tabla de regiones

Visión general de UNIX Contexto de un proceso en UNIX
Contexto de un proceso = Estado del proceso  su código, los valores de sus variables de usuario globales y de sus estructuras de datos, el valor de los registros de la CPU, los valores almacenados en su entrada de la tabla de procesos y en su área de usuario; y el contenido de sus pilas (stacks) de usuario y kernel Contexto de nivel de usuario  los segmentos de texto, datos y pila del proceso, las zonas de memoria compartida, direcciones virtuales en el área de swap Contexto de registros  el contador de programa, el registro de estado del procesador (PS), el puntero de la pila, y registros de propósito general Contexto de nivel de sistema  entrada en la tabla de procesos, U-área, entrada en la tabla de regiones por proceso, tabla de regiones y tabla de páginas, y pila del kernel

Visión general de UNIX Estados de un proceso en UNIX. Perspectiva general (1) El proceso se está ejecutando en modo usuario (2) El proceso se está ejecutando en modo kernel (3) El proceso está listo para ejecutarse (puede haber varios) (4) El proceso está durmiendo/bloqueado por una operación E/S

Visión general de Linux
De forma general … qué es un kernel de un S.O. Es la parte del S.O. (software de sistema) encargado de monitorizar y controlar todos los recursos hardware del ordenador  interface entre usuario y el hardware Controla y media en el acceso al hardware Abstrae todos los recursos hardware  procesos, regiones, archivos, dispositivos, etc. Planifica y ubica los recursos del sistema  CPU, memoria, disco, etc. Impone fuertes medidas de seguridad y protección en el sistema Responde a las demandas de los servicios por parte de los usuarios

Objetivos de diseño del kernel Rendimiento  eficiencia y velocidad  Obtener el mejor uso de los recursos del sistema con la menor sobrecarga posible (rápido) Estabilidad  Robistez y capacidad de recuperación Flexibilidad y compatibilidad  diferentes plataformas y compatible con muchos sistemas operativos comunes Seguridad y protección  Proteger a los usuarios entre ellos y proteger el sistema de ataque malignos por parte de otros usuarios Portabilidad Extensibilidad y dinamismo  Módulos cargables

Diagrama de bloques del kernel de Linux (1)

Diagrama de bloques del kernel de Linux (2)

Características destacables de Linux Sistema operativo tipo UNIX Multi* Multitarea expulsiva/interrumpible (preemtive multi-tasking) Memoria virtual  memoria protegida, paginación, etc. Librerías compartidas Carga de funcionalidad a demanda  Dinamismo del kernel a través de los módulos cargables Ejecutables ‘Copy-On-Write’ (COW) compartidos  siempre que sea posible, compartir marcos de páginas entre el proceso padre y los procesos hijo, en lugar de duplicarlos Redes TCP/IP Soporte de SMP (Symmetric MultiProcessor) Open source  código abierto

Arquitectura conceptual de Linux El S.O. Linux está compuesto por 4 grandes subsistemas (1) Aplicaciones de usuario (2) Servicios del S.O. (3) El kernel de Linux (4) Controladores hardware Esta descomposición se puede representar por niveles

Estructura del kernel de Linux a nivel de subsistemas Planificador de Procesos (Process Scheduler, SCHED)  Controla el acceso de los procesos a la CPU, dando un acceso justo a todos los procesos Gestor de Memoria (Memory Manager, MM)  Permite que muchos procesos compartan memoria, implementando mecanismos de memoria virtual Sistema de Archivos Virtual (Virtual File System, VFS)  Abstrae los detalles de los dispositivos hardware presentándolos como una interface de archivos común Interface de Red (Networking Interface, NET)  Proporciona acceso a los sistemas de red Comunicación entre procesos (Inter-Process Communication, IPC)  Proporciona mecanismos para la comunicación de procesos (colas de mensaje, semáforos y memorias compartidas)

Diagrama de bloques de la estructura del kernel

Dependencias entre subsistemas (1) Todos los subsistemas dependen de SCHED  Todos ellos necesitan supender o reanudar procesos. Por ejemplo, un proceso que intenta enviar un mensaje a través de la red (subsistema NET)  el SCHED lo suspende hasta que el mensaje se envía El subsistema SCHED utiliza el subsistema MM para ajustar el mapa de memoria hardware de un proceso específico cuando dicho proceso reanuda su ejecución El subsistema IPC depende del subsistema MM para soportar mecanismos de comunicación de memoria compartida en la comunicación entre procesos, y también del SCHED puesto que deben de estar sincronizados los procesos que intervienen en la comunicación

Dependencias entre subsistemas (2) El subsistema VFS depende de los subsistemas MM y NET para soportar sistemas de archivos en red y ram-disks El subsistema MM utiliza el subsistema VFS para gestionar los datos del swap (implementa mecanismo de memoria virtual)  Por ejemplo, cuando un proceso accede a memoria que está actualmente en el área de swap (swap-out), el subsistema MM realiza una petición al subsistema VFS para traer los datos del dispositivo de almacenamiento secundario, y suspender el proceso Todos los subsistemas se basan en recursos comunes (información de estado, etc.) que son propios de cada subsistema  Cada subsistema es responsable de manterner sus propios recursos

Estructuras de datos de los subsistemas (1) SCHED: Task list El scheduler mantiene un bloque de datos por cada proceso que está activo (thread_info, task_struct) Estos bloques están almacenados en una lista encadenada (list_head) El scheduler siempre mantiene un puntero current que indica el proceso activo MM: Memory Map El MM almacena un mapping de dirección virtual a física sobre un proceso base (page) La estructura de datos (memory map, mm) se encuentra como un campo del descriptor de procesos

Estructuras de datos de los subsistemas (2) VFS: I-nodes El VFS utiliza index-nodes para representar archivos sobre un sistema de archivos lógico (super_block, inode, file, dentry_cache, fs_struct) La estructura de datos inode almacena el mapping de los números de bloques de archivos a las direcciones de dispositivo físicas. También inode puede ser compartida entre procesos NET: Data Connection Punteros a información del mapping de memoria Punteros a inodos que representan todos los archivos abiertos Estructuras de datos que representan todas las conexiones de red abiertas NET hace transparente muchos dispositivos hardware y protoc.

Diagrama de la estructura del fuente del kernel

Características más relevantes que aporta Linux 2.6 HyperThreading Kernel expulsivo/interrumpible (Preemtive kernel) Scheduler O(1) Mejora del soporte NUMA (non-uniform memory architecture) Soporte RMAP (Reverse Mapping for Anonymous Pages) para memoria virtual Nueva estructura de dispositivo del kernel (kdev_t) Threading POSIX mejorado (NGPT (Next Generation POSIX Threading Package) y NPTL (Native POSIX Thread Library)) Nuevo modelo de driver y estructura de dispositivo unificada AMD 64-bit, PPC64 ACPI, ALSA, USB 2.0

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