Sistemas de Operación Hector Gonzalez hgr@cantv.net 0416-7252438.

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1 Sistemas de Operación Hector Gonzalez

2 Administración de memoria, Memoria Auxiliar. Manejador de Información
Unidad IV, V, VI Administración de memoria, Memoria Auxiliar. Manejador de Información

3 Gestión de memoria Aislamiento del proceso. Asignación y gestión automáticas. Soporte para la programación modular. Protección y control de acceso. Almacenamiento a largo plazo.

4 Sistema Monoprogramado
Gestión de Memoria Sistema Monoprogramado Memoria Principal Sistema Operativo (monitor residente, núcleo) Programa Principal (el que se ejecuta en ese inst) Sistema Multiprogramado En la parte de Usuario de la memoria (debe hacerse sitio para varios procesos) Esta tarea esta a cargo del S.O. Se hace de manera dinámica Se conoce como Gestión de Memoria

5 Memoria virtual Permite a los programas direccionar la memoria desde un punto de vista lógico. No existirá un espacio muerto entre la ejecución de los procesos sucesivos, mientras un proceso se envía al almacenamiento secundario y el proceso que le sucede es traído de éste.

6 Acceso directo de memoria (DMA)
Los intercambios E/S se producen directamente con la memoria. El procesador otorga autoridad a un módulo de E/S para leer o escribir en la memoria. Releva al procesador de la responsabilidad del intercambio. El procesador queda libre para realizar otras operaciones.

7 Jerarquía de la memoria
interna Registros cache Memoria principal Disco magnético CD-ROM CD-RW DVD + RW DVD-RAM Memoria externa Almacenamiento secundario Cinta magnética MO WORM Figura La jerarquía de la memoria.

8 Descenso por la jerarquía
Disminución del coste por bit. Aumento de la capacidad. Aumento del tiempo de acceso. Disminución de la frecuencia de acceso a la memoria por parte del procesador: Cercanía de referencias.

9 Cache de disco Es una parte de la memoria principal que se puede utilizar como buffer para guardar temporalmente los datos transferidos con el disco. Las escrituras al disco se agrupan. Se pueden volver a escribir algunos datos destinados a la salida. Los datos se recuperan rápidamente por software desde la cache del disco en lugar de hacerse lentamente desde el disco.

10 Memoria cache Es invisible para el sistema operativo. Aumenta la velocidad de la memoria. La velocidad del procesador es mayor que la de la memoria.

11 Memoria cache Transferencia de bloques Transferencia de palabras
Figura Cache y memoria principal.

12 Memoria cache Contiene una parte de la memoria principal. El procesador primero comprueba la memoria cache. Si una palabra no se encuentra en la memoria cache, se introduce en la cache un bloque de memoria principal que contiene la información necesaria.

13 Cache/Main Memory System
Número de entrada Dirección de memoria Etiqueta Bloque Bloque (K palabras) Longitud de bloque (K palabras) (a) Cache Cache/Main Memory System Bloque Longitud de palabra (b) Memoria principal Figura Estructura de cache/memoria principal.

14 Diseño de la cache Tamaño de la cache: Tamaño del bloque:
Las caches pequeñas pueden tener un impacto significativo sobre el rendimiento. Tamaño del bloque: Es la unidad de intercambio de datos entre la cache y la memoria principal. La tasa de aciertos significa que la información se encontró en la cache. La tasa de aciertos comenzará a disminuir, dado que el bloque se hace mayor y la probabilidad de uso del dato leído más recientemente se hace menor que la probabilidad de reutilizar el dato que hay que sacar de la cache.

15 Función de traducción:
Diseño de la cache Función de traducción: Determina la posición de la cache que ocupará el bloque. Algoritmo de reemplazo: Elige el bloque que hay que reemplazar. Algoritmo del menos recientemente usado (LRU).

16 Política de escritura:
Diseño de la cache Política de escritura: Dicta cuándo tiene lugar la operación de escribir en memoria. Puede producirse cada vez que el bloque se actualice. La escritura se produce sólo cuando se reemplaza el bloque: Reduce las operaciones de escritura en memoria. Deja la memoria principal en un estado obsoleto.

17 E/S programada El módulo E/S lleva a cabo la acción requerida en lugar del procesador. Activa los bits apropiados en el registro de estado de E/S. No se producen interrupciones. El procesador comprueba el estado hasta que se ha completado la operación. Emitir la orden LEER al módulo de E/S CPU  E/S Leer estado del módulo de E/S E/S  CPU No listo Compro- bar estado Condición de error Listo Leer palabra del módulo de E/S E/S  CPU Escribir palabra en memoria CPU  memoria No ¿Hecho? Sí Instrucción siguiente (a) E/S programada

18 E/S dirigida por interrupciones
El procesador queda interrumpido cuando el módulo E/S está listo para intercambiar más datos. El procesador puede realizar otras operaciones. Elimina las esperas innecesarias. Consume una gran cantidad de tiempo del procesador debido a que cada palabra de datos pasa a través del procesador. CPU  E/S Emitir la orden LEER al módulo de E/S Hacer otra cosa Leer estado del módulo de E/S Interrupción E/S  CPU Compro- bar estado Condición de error Listo Leer palabra del módulo de E/S E/S  CPU Escribir palabra en memoria CPU  memoria No ¿Hecho? Sí Instrucción siguiente (b) E/S dirigida por interrupciones

19 Acceso directo a la memoria
Transfiere el bloque entero directamente hacia o desde la memoria. Cuando se completa la transferencia se envía una señal de interrupción. El procesador se ve involucrado sólo al inicio y al final de la transferencia. CPU  DMA Emitir la orden LEER BLOQUE al módulo E/S Hacer otra cosa Leer estado del módulo de DMA Interrupción DMA  CPU Instrucción siguiente (c) Acceso directo a memoria

20 Gestión de Memoria Cap 7

21 Gestión de memoria Subdivisión de la memoria para hacer sitio a varios procesos. Hace falta repartir eficientemente la memoria para introducir tantos procesos como sea posible.

22 Requisitos de la gestión de memoria
Reubicación: El programador no conoce qué otros programas residirán en la memoria en el momento de la ejecución. Mientras que se está ejecutando el programa, puede que se descargue en el disco y que vuelva a la memoria principal, pero en una ubicación distinta a la anterior (reubicación). Se deben traducir las referencias a la memoria encontradas en el código del programa a las direcciones físicas reales.

23 Figura 7.1. Requisitos de dirección para un proceso.
Información de control del proceso Bloque de control de proceso Punto de entrada al programa Instrucción de bifurcación Programa Direcciones ascendentes Referencia de datos Datos Cima actual de pila Pila Figura Requisitos de dirección para un proceso.

24 Requisitos de la gestión de memoria
Protección: Cada proceso debe protegerse contra interferencias no deseadas de otros procesos (accidentales/intencionadas) El código de un proceso no puede hacer referencia a posiciones de memoria de otros procesos sin permiso. Es imposible comprobar las direcciones absolutas de los programas, puesto que se desconoce la ubicación de un programa en la memoria principal. Debe comprobarse durante la ejecución: El sistema operativo no puede anticiparse a todas las referencias a la memoria que hará un programa.

25 Requisitos de la gestión de memoria
Compartimiento: Permite el acceso de varios procesos a la misma zona de la memoria principal. Es mejor permitir a cada proceso (persona) que acceda a la misma copia del programa, en lugar de tener cada uno su propia copia aparte.

26 Requisitos de la gestión de memoria
Organización lógica: La mayoría de los programas se organizan en módulos. Los módulos pueden escribirse y compilarse independientemente. Pueden otorgarse distintos grados de protección (sólo lectura, sólo ejecución) a los módulos. Compartir módulos.

27 Requisitos de la gestión de memoria
Organización física: Memoria Principal (programas, datos de uso actual) Acceso rápido, costo alto, es volátil. Memoria Secundaria (almacenamiento a largo plazo) Lenta, mas barata, no es volátil La memoria disponible puede ser insuficiente para un programa y sus datos : La superposición permite que varios módulos sean asignados a la misma región de memoria. El programador no conoce, a priori, cuánto espacio habrá disponible. La tarea de mover información entre los niveles de memoria debe ser responsabilidad del sistema (Gestión de Memoria)

28 Partición de Memoria La gestión de memoria en sistemas modernos requiere de un sofisticado esquema llamado memoria virtual. La memoria virtual esta a su vez basada en el uso de una de dos técnicas básicas: Segmentación o paginación

29 Conceptos Paginación Segmentación
Transferencia de paginas entre la memoria principal y la memoria secundaria Segmentación División de un programa o aplicación en segmentos como parte del esquema de memoria virtual.

30 Particiones estáticas
Particiones de igual tamaño: Cualquier proceso cuyo tamaño sea menor o igual que el tamaño de la partición puede cargarse en cualquier partición libre. Si todas las particiones están ocupadas, el sistema operativo puede sacar un proceso de una partición. Un programa puede que no se ajuste a una partición. El programador debe diseñar el programa mediante superposiciones.

31 Particiones estáticas
El uso de la memoria principal es ineficiente. Cualquier programa, sin importar lo pequeño que sea, ocupará una partición completa. Este fenómeno se denomina fragmentación interna.

32 (a) Particiones de igual tamaño (a) Particiones de distinto tamaño
Sistema operativo 8M Sistema operativo 8M 2M 8M 4M 6M 8M 8M 8M 8M 8M 12M 8M 8M 16M 8M (a) Particiones de igual tamaño (a) Particiones de distinto tamaño Figura Ejemplo de partición estática en una memoria de 64Mb.

33 Algoritmo de ubicación con particiones
Particiones de igual tamaño: Puesto que todas las particiones son de igual tamaño, no importa la partición que se use. Particiones de distintos tamaños: Pueden asignar cada proceso a la partición más pequeña en la que quepa. Hace falta una cola para cada partición. Los procesos están asignados de forma que se minimiza la memoria desaprovechada dentro de cada partición.

34 Figura 7.3. Asignación de memoria en partición estática.
Sistema operativo Sistema operativo Procesos nuevos Procesos nuevos (a) Una cola de procesos por partición (b) Cola única de procesos Figura Asignación de memoria en partición estática.

35 Particiones dinámicas
Las particiones son variables en número y longitud. Al proceso se le asigna exactamente tanta memoria como necesite. Finalmente, hay varios huecos en la memoria. Este fenómeno se denomina fragmentación externa. Se debe usar la compactación para desplazar los procesos que estén contiguos, de forma que toda la memoria libre quede junta en un bloque.

36 Figura 7.4. Efectos de la partición dinámica.
Sistema operativo 8M Sistema operativo Sistema operativo Sistema operativo Proceso 1 20M Proceso 1 20M Proceso 1 20M 14M 14M 56M Proceso 2 Proceso 2 36M 22M Proceso 3 18M 4M (a) (b) (c) (d) Figura Efectos de la partición dinámica.

37 Figura 7.4. Efectos de la partición dinámica.
Sistema operativo Sistema operativo Sistema operativo Sistema operativo Proceso 2 14M Proceso 1 20M Proceso 1 20M 20M 6M Proceso 4 8M Proceso 4 8M Proceso 4 8M 14M 6M 6M 6M Proceso 3 18M Proceso 3 18M Proceso 3 18M Proceso 3 18M 4M 4M 4M 4M (e) (f) (g) (h) Figura Efectos de la partición dinámica.

38 Algoritmo de ubicación con particiones dinámicas
El sistema operativo debe decidir qué bloque libre se tiene que asignar al proceso. Algoritmo del mejor ajuste (best-fit): Elige el bloque de tamaño más próximo al solicitado. Proporciona en general los peores resultados. Puesto que este algoritmo busca el hueco más pequeño para el proceso, garantiza que el fragmento que se deja es lo más pequeño posible y, por lo tanto, se debe compactar más frecuentemente.

39 Algoritmo de ubicación con particiones dinámicas
Algoritmo del primer ajuste (first-fit): Es más rápido. Puede tener varios procesos cargados en el extremo inicial de la memoria que es necesario recorrer cuando se intente encontrar un bloque libre.

40 Algoritmo de ubicación con particiones dinámicas
Algoritmo del siguiente ajuste (next-fit): Lleva frecuentemente a la asignación de un bloque de memoria de la última ubicación, donde se encuentra el bloque más grande. El bloque de memoria más grande se divide en fragmentos pequeños. Hará falta la compactación para obtener un bloque de memoria grande al final del espacio de memoria.

41 8M 8M 12M 12M Primer ajuste 22M 6M Mejor ajuste Último bloque asignado (14K) 18M 2M 8M 8M 6M 6M Bloque asignado 14M Bloque libre 14M Siguiente ajuste 36M 20M (a) Antes (b) Después Figura Ejemplo de una configuración de memoria antes y después de asignar un bloque de 16 Mbytes.

42 Sistema de colegas El espacio entero disponible para la asignación se trata como un solo bloque de tamaño 2U. Si se hace una solicitud de tamaño s tal que 2U-1 < s <= 2U, entonces el bloque entero se asigna: En otro caso, el bloque se divide en dos colegas de igual tamaño. Este proceso continúa hasta que el bloque más pequeño sea mayor o igual que s generándose.

43 Figura 7.6. Ejemplo del sistema de colegas.
1 bloque de 1 megabyte Solicitud de 100K Solicitud de 240K Solicitud de 64K Solicitud de 256K Liberación de B Liberación de A Solicitud de 75K Liberación de C Liberación de E Liberación de D Figura Ejemplo del sistema de colegas.

44 Figura 7.7. Representación en árbol del sistema de colegas.

45 Reubicación Cuando el proceso se carga en la memoria, se determina la ubicación real (absoluta) de la memoria. Un proceso puede ocupar diferentes particiones, lo que significa diferentes posiciones absolutas de la memoria durante su ejecución (a partir de la carga). La compactación también hará que un programa ocupe una partición distinta, lo que significa que las ubicaciones absolutas de la memoria cambien.

46 Direcciones Dirección lógica: Dirección relativa: Dirección física:
Es una referencia a una posición de memoria independiente de la asignación actual de datos a la memoria. Se debe hacer una traducción a una dirección física. Dirección relativa: La dirección se expresa como una posición relativa a algún punto conocido. Dirección física: La dirección absoluta o la posición real en la memoria principal.

47 Figura 7.8. Soporte de hardware para la reubicación.
Dirección relativa Bloque de control de proceso Registro base Programa Sumador Dirección absoluta Registro límite Comparador Datos Interrupción al sistema operativo Pila Imagen de un proceso en la memoria principal Figura Soporte de hardware para la reubicación.

48 Registros utilizados durante la ejecución
Registro base: Se carga con la dirección en la memoria principal del proceso. Registro límite: Indica la posición final del programa. Estos valores deben asignarse cuando se carga el programa y cuando se carga el proceso.

49 Registros utilizados durante la ejecución
Se añade el valor del registro base a la dirección relativa para obtener una dirección absoluta. La dirección obtenida se compara con el valor del registro límite. Si la dirección no está dentro de los límites, se generará una interrupción en el sistema operativo.

50 Paginación La memoria principal se encuentra dividida en trozos iguales de tamaño fijo y cada proceso en pequeños trozos de tamaño fijo. Los trozos del proceso se denominan páginas y los trozos libres de memoria se denominan marcos. El sistema operativo mantiene una tabla de páginas para cada proceso: Muestra la posición del marco de cada página del proceso. La dirección de la memoria consta de un número de página y de un desplazamiento dentro de la página.

51 (a) Quince marcos libres
Número de marco Memoria principal Memoria principal Memoria principal (a) Quince marcos libres (b) Carga del proceso A (c) Carga del proceso B Figura Asignación de páginas de procesos a marcos libres.

52 (e) Descarga del proceso B
Memoria principal Memoria principal Memoria principal (d) Carga del proceso C (e) Descarga del proceso B (f) Carga del proceso D Figura Asignación de páginas de procesos a marcos libres.

53 Page Tables for Example
Tablas de páginas Lista de marcos libres Tabla de páginas del proceso B Tabla de páginas del proceso A Tabla de páginas del proceso C Tabla de páginas del proceso D Figura Estructuras de datos para el ejemplo de la Figura 7.9 en el instante de tiempo (f).

54 Segmentación No es necesario que todos los segmentos de todos los programas tengan la misma longitud. Existe una longitud máxima de segmento. Un dirección lógica segmentada consta de dos partes, un número de segmento y un desplazamiento. Como consecuencia del empleo de segmentos de distinto tamaño, la segmentación resulta similar a la partición dinámica.

55 Memoria Virtual Cap 8

56 “…La gestion de memoria es una interrelación estrecha y compleja entre el hardware del procesador y el software del sistema operativo…” William Stallings

57 Estructuras de HW y de Control Características
Un proceso puede cargarse y descargarse de la memoria principal (MP) de tal forma que ocupe regiones diferentes de la MP en momentos distintos a lo largo de su ejecución. ( las referencias de memoria en un proceso son direcciones lógicas que se traducirán a direcciones físicas durante su ejecución ) Un proceso puede dividirse en partes (paginas o segmentos) y no es necesario que estas partes se encuentren contiguas en MP

58 Si ambas características están presentes, no será necesario que todas las paginas o todos los segmentos de un proceso estén en memoria durante la ejecución.

59 Ejecución de un programa
El sistema operativo comienza trayendo sólo unos pocos fragmentos del programa. El conjunto residente es la parte de un proceso que está realmente en la memoria principal. Si el procesador encuentra una dirección lógica que no está en la memoria principal, genera una interrupción que indica un fallo de acceso a la memoria. El sistema operativo pone al proceso interrumpido en estado Bloqueado.

60 Ventajas de dividir un proceso
Se pueden mantener más procesos en la memoria principal: Se cargan sólo algunos fragmentos de un proceso particular. Con tantos procesos en la memoria principal es muy probable que uno de los procesos esté en estado Listo en un instante determinado. Es posible que un proceso sea más grande que toda la memoria principal.

61 Tipos de memoria Memoria real: Memoria virtual: Memoria principal.
Memoria situada en el disco. Permite una multiprogramación muy efectiva y releva al usuario de las rígidas e innecesarias restricciones de la memoria principal.

62 Hiperpaginación (thrashing)
El sistema operativo expulsa un fragmento de un proceso justo antes de ser usado. El procesador consume más tiempo intercambiando fragmentos que ejecutando instrucciones de usuario.

63 Ejecución de un programa
El sistema operativo necesita traer a la memoria principal el fragmento del proceso que contiene la dirección lógica que provocó el fallo de acceso: El sistema operativo emite una solicitud de Lectura de E/S al disco. El sistema operativo puede expedir otro proceso para que se ejecute mientras realiza la operación de E/S. Una vez que el fragmento deseado se ha traído a la memoria principal y se ha emitido la interrupción de E/S, se devuelve el control al sistema operativo, que coloca el proceso afectado en el estado de Listo.

64 Principio de cercanía Las referencias a los datos y al programa dentro de un proceso tienden a agruparse. Durante cortos periodos de tiempo se necesitarán sólo unos pocos fragmentos de un proceso. Sería posible hacer predicciones inteligentes sobre qué fragmentos de un proceso se necesitarán en un futuro cercano. El principio de cercanía sugiere que los esquemas de memoria virtual pueden funcionar eficazmente.

65 Soportes de la memoria virtual
Tiene que existir un soporte de hardware para la paginación y la segmentación. El sistema operativo debe incluir un software para gestionar el movimiento de páginas o segmentos entre memoria secundaria y memoria principal.

66 Paginación Cada proceso tiene su propia tabla de página. Cada entrada de la tabla de páginas contiene el número de marco de la página correspondiente en la memoria principal. Se necesita un bit para indicar si la página correspondiente está presente en la memoria principal o no lo está.

67 El bit de modificación en la tabla de páginas
Otro bit de control necesario en la entrada de la tabla de páginas es el bit de modificación para indicar si el contenido de la página se ha alterado desde que la página se cargó en la memoria principal. Si no ha habido cambios, no es necesario escribir la página cuando sea sustituida en el marco que ocupa actualmente.

68 Entradas de la tabla de páginas
Dirección virtual Desplazamiento Número de página Entrada de la tabla de páginas P M Otros bits de control Número de marco (a) Sólo paginación Figura Formatos típicos de gestión de memoria. P= Bit de presencia M= Bit de Modificación

69 Mecanismo de paginación
Dirección virtual N.º marco Despla- zamiento N.º pág. Despla- zamiento Registro Puntero a tabla de páginas Tabla de páginas Marco de página N.º página Despla- zamiento N.º marco Programa Mecanismo de paginación Memoria principal Figura Traducción de direcciones en un sistema de paginación.

70 Esquema de dos niveles para direcciones de 32 bits
4 Kbytes para la raíz de la tabla de páginas 4 Mbytes para la tabla de páginas de usuario 4 Gbytes para el espacio de direc- ciones de usuario Figura Tabla de páginas jerárquica de dos niveles [JACO98a].

71 Tablas de páginas La tabla de páginas completa puede ocupar una cantidad enorme de memoria principal. Para solucionar este problema, las tablas de páginas se almacenan en la memoria virtual. Cuando un proceso se está ejecutando, al menos una parte de su tabla de páginas se encuentra en la memoria principal.

72 Buffer de traducción adelantada
Cada referencia a la memoria virtual puede generar dos accesos a la memoria: Uno para obtener la entrada de la tabla de páginas correspondiente. Otro para obtener el dato deseado. Para solucionar este problema, los esquemas de memoria virtual hacen uso de un cache especial para las entradas de la tabla de páginas: Se trata de la buffer de traducción adelantada (TLB, Translation Lookaside Buffer).

73 Buffer de traducción adelantada
Contiene aquellas entradas de la tabla de páginas usadas hace menos tiempo. Funciona del mismo modo que una memoria cache.

74 Buffer de traducción adelantada
Dada una dirección virtual, el procesador examinará primero la TLB. Si la entrada de la tabla de páginas buscada está presente (un “acierto en la TLB”), se obtiene el número de marco y se forma la dirección real. Si la entrada de la tabla de páginas no se encuentra (un “fallo en la TLB”), el procesador emplea el número de página como índice para buscar en la tabla de páginas del proceso y examinar la entrada correspondiente de la tabla de páginas.

75 Buffer de traducción adelantada
Primero comprueba que la página esté en la memoria principal: Si no está, se produce un fallo en el acceso a la memoria, llamado fallo de página. El procesador actualiza la TLB para incluir esta nueva entrada de la tabla de páginas.

76 Comienzo Volver a la instrucción que falló La CPU comprueba la TLB ¿Está la entrada de la tabla de página en la TLB? Sí No Acceder a la tabla de páginas Rutina de gestión de fallo de página ¿Está la página en memoria principal? El SO ordena a la CPU leer la página del disco No Sí La CPU activa el hardware de E/S Actualizar TLB La página se transfiere del disco a memoria principal La CPU genera la dirección física ¿Memoria llena? Sí No Actualizar las tablas de páginas Actualizar las tablas de páginas Figura Funcionamiento de la paginación con buffer de traducción adelantada (TLB) [FUTH87].

77 traducción adelantada
Memoria secundaria Memoria principal Dirección virtual N.º pág. Despla- zamiento Nº. Pág. Despla- zamiento Buffer de traducción adelantada Acierto de TLB Despla- zamiento Cargar página Tabla de páginas Fallo de TLB N.º marco Despla- zamiento Dirección real Fallo de página Figura Uso de un Buffer de Traducción Adelantada.

78 Tamaño de página Cuanto menor sea el tamaño de página, menor será la cantidad de fragmentación interna. Cuanto menor sea la página, mayor será el número de páginas que se necesitan por proceso. Un número mayor de páginas por proceso significa que las tablas de páginas serán mayores. Esto puede significar que una gran parte de las tablas de páginas de los procesos activos deben estar en la memoria virtual. La memoria secundaria está diseñada para transferir eficazmente los bloques de datos de mayor tamaño, de manera que es propicia para tamaños de página mayores.

79 Tamaño de página Si el tamaño de página es muy pequeño, estarán disponibles en la memoria principal un gran número de páginas para cada proceso. Después de un tiempo, todas las páginas de la memoria contendrán parte de las referencias más recientes del proceso. La tasa de fallos de página será menor. Cuando se incrementa el tamaño de la página, cada página individual contendrán posiciones cada vez más distantes de cualquier referencia reciente. La tasa de fallos será mayor.

80 Figura 8.11. Comportamiento típico de la paginación en un programa.
Tasa de fallos de página Tasa de fallos de página (a) Tamaño de página (b) Número de marcos de página asignados P = Tamaño del proceso completo W = Tamaño del conjunto de trabajo N = Número total de páginas del proceso Figura Comportamiento típico de la paginación en un programa.

81 Tamaño de página Múltiples tamaños de página proporcionan la flexibilidad necesaria para usar una TLB eficazmente. Las páginas grandes se pueden utilizar para traducir instrucciones de programa. Las páginas de pequeño tamaño se pueden emplear para las pilas de los hilos. La mayoría de los sistemas operativos favorecen el uso de un solo tipo de página.

82 Ejemplos de tamaños de páginas
Tabla Ejemplos de tamaños de páginas. Computadora Tamaño de página Atlas palabras de 48 bits Honeywell-Multics palabras de 36 bits IBM 370/XA y 370/ESA 4 Kbytes Familia VAX bytes IBM AS/ bytes DEC Alpha 8 Kbytes MIPS de 4 Kbytes a 16 Mbytes UltraSPARC de 8 Kbytes a 4 Mbytes Pentium de 4 Kbytes a 4 Mbytes Power Pc 4 Kbytes

83 Segmentación Los segmentos pueden ser de distintos tamaños, incluso de forma dinámica. Simplifica la gestión de estructuras de datos crecientes. Permite modificar y recopilar los programas independientemente. Se presta a la compartición entre procesos. Se presta a la protección.

84 Tablas de segmentos Segmento correspondiente de la memoria principal.
Cada entrada de la tabla de segmentos contiene la longitud del segmento. Se necesita un bit para indicar si el segmento correspondiente está presente en la memoria principal. Otro bit de control necesario es un bit de modificación que indique si el contenido del segmento correspondiente ha sido modificado desde que se cargó por última vez en la memoria principal.

85 Entradas de las tablas de segmentos
Dirección virtual Número de segmento Desplazamiento Entrada del segmento de tabla P M Otros bits de control Longitud Base de segmento (b) Sólo segmentación Figura Formatos típicos de gestión de memoria.

86 Paginación y segmentación combinadas
La paginación es transparente al programador. La paginación elimina la fragmentación externa. La segmentación es visible para el programador. La segmentación permite gestionar estructuras de datos que pueden crecer, la modularidad y el soporte de la compartición y la protección. Cada segmento se divide en varias páginas de tamaño fijo.

87 Paginación y segmentación combinadas
Dirección virtual Número de segmento Número de página Despla- zamiento Nº. segmento Entrada de la tabla de segmentos Otros bits de control Longitud Base de segmento Entrada de la tabla de páginas P M Otros bits de control Número de marco P = Bit de presencia M = Bit de modificación (c) Segmentación y paginación combinadas Figura Formatos típicos de gestión de memoria.

88 Figura 8.14. Relaciones de protección entre segmentos.
Dirección Memoria principal Distribuidor Ningún acceso permitido Proceso A Instrucción de salto (no permitida) Proceso B Referencia a datos (permitida) Proceso C Referencia a datos (no permitida) Figura Relaciones de protección entre segmentos.

89 Políticas de lectura Política de lectura:
Está relacionada con la decisión de cuándo se debe cargar una página en la memoria principal. Con la paginación por demanda, se trae una página a la memoria principal sólo cuando se hace referencia a una posición en dicha página: Cuando un proceso se ejecute por primera vez, se producirán muchos fallos de página. Con la paginación previa, se cargan más páginas de las necesarias: Es más eficiente traer a la memoria un número de páginas contiguas.

90 Políticas de reemplazo
Política de ubicación: Qué página se va a reemplazar. La página que se va a reemplazar tiene que ser la que tenga una menor posibilidad de ser referenciada en un futuro cercano. La mayoría de las políticas intentan predecir el comportamiento futuro en función del comportamiento pasado.

91 Políticas de reemplazo
Bloqueo de marcos: Cuando un marco está bloqueado, la página cargada en ese marco no puede ser reemplazada. La mayoría del núcleo del sistema operativo está en marcos bloqueados. Estructuras de control. Buffers de E/S. El bloqueo se consigue asociando un bit de bloqueo a cada marco.

92 Algoritmos básicos de reemplazo
Política óptima: Selecciona para reemplazar la página que tiene que esperar una mayor cantidad de tiempo hasta que se produzca la referencia siguiente. Es imposible de implementar porque requiere que el sistema operativo tenga un conocimiento exacto de los sucesos futuros.

93 Algoritmos básicos de reemplazo
Política de la usada menos recientemente (LRU): Reemplaza la página de memoria que no ha sido referenciada desde hace más tiempo. Debido al principio de cercanía, ésta sería la página con menor probabilidad de ser referenciada en un futuro cercano. Una solución sería etiquetar cada página con el momento de su última referencia.

94 Algoritmos básicos de reemplazo
Política de primera en entrar primera en salir (FIFO): Trata los marcos asignados a un proceso como un buffer circular. Las páginas se suprimen de la memoria según la técnica de turno rotatorio (round-robin). Es una de las políticas de reemplazo más sencillas de implementar. Se reemplaza la página que ha estado más tiempo en la memoria. Estas páginas pueden necesitarse de nuevo y en un plazo de tiempo corto.

95 Algoritmos básicos de reemplazo
Política del reloj: Requiere asociar un bit adicional a cada marco, denominado bit de uso. Cuando se carga una página por primera vez en un marco de memoria, el bit de uso de dicho marco se pone a cero. Cuando se hace referencia a la página posteriormente, el bit de uso se pone a 1. Cuando llega el momento de reemplazar una página, el primer marco encontrado con el bit de uso a 0 es reemplazado. Durante la búsqueda para realizar reemplazos cada bit de uso a 1 se cambia a 0.

96 (a) Estado del buffer justo antes del reemplazo de página
Primer marco en el buffer circular de marcos que son candidatos para el reemplazo Página 9 uso = 1 Página 19 uso = 1 Página 1 uso = 1 Puntero al siguiente marco Página 45 uso = 1 Página 222 uso = 0 Página 191 uso = 1 Página 33 uso = 1 Página 556 uso = 0 Página 67 uso = 1 Página 13 uso = 0 (a) Estado del buffer justo antes del reemplazo de página Figura Ejemplo de funcionamiento de la política del reloj.

97 (b) Estado del buffer justo después del siguiente reemplazo de página
uso = 1 Página 19 uso = 1 Página 1 uso = 0 Página 45 uso = 0 Página 222 uso = 0 Página 191 uso = 0 Página 727 uso = 1 Página 33 uso = 1 Página 67 uso = 1 Página 13 uso = 0 (b) Estado del buffer justo después del siguiente reemplazo de página Figura Ejemplo de funcionamiento de la política del reloj.

98 Algoritmos básicos de reemplazo
Almacenamiento intermedio de páginas: La pista de la página reemplazada se asigna a una de las dos listas siguientes: La lista de páginas libres, si la página no ha sido modificada. La lista de páginas modificadas, si lo ha sido.

99 Tamaño del conjunto residente
Asignación fija: Otorga a cada proceso un número fijo de páginas en las que ejecutar. Cada vez que se produce un fallo de página en la ejecución de un proceso, se debe reemplazar una de las páginas de dicho proceso. Asignación variable: Permite que el número de marcos asignados a un proceso cambie a lo largo de su vida.

100 Asignación variable y alcance global
Es la combinación más sencilla de implementar. Ha sido adoptada por un buen número de sistemas operativos. Normalmente el sistema operativo mantiene un lista de marcos libres. Cuando se produce un fallo de página, se añade un marco libre al conjunto residente del proceso. Cuando no hay marcos libres, el sistema operativo debe elegir una página que esté en la memoria para reemplazar.

101 Asignación variable y alcance local
Cuando se carga un nuevo proceso en la memoria, se le asigna cierto número de marcos en función del tipo de aplicación, las necesidades del programa u otros criterios. Cuando se produce un fallo de página, se selecciona la página a reemplazar de entre las del conjunto residente del proceso que sufre el fallo. Se vuelve a evaluar la asignación de vez en cuando.

102 Políticas de vaciado Vaciado por demanda: Vaciado previo:
Una página se escribirá en la memoria secundaria sólo cuando haya sido elegida para reemplazarse. Vaciado previo: Escribe las páginas modificadas por lotes.

103 La mejor solución es incorporar almacenamiento intermedio de páginas:
Políticas de vaciado La mejor solución es incorporar almacenamiento intermedio de páginas: Las páginas reemplazadas pueden situarse en dos listas: Modificadas y no modificadas. Las páginas de la lista de modificadas pueden escribirse periódicamente por lotes. Una página de la lista de no modificadas pueden reclamarse, si se le hace de nuevo referencia o perderse, cuando se asigna su marco a otra página.

104 Control de carga Determina el número de procesos que pueden estar en la memoria principal. Cuando hay pocos procesos residentes en la memoria, habrá muchas ocasiones en las que todos los procesos estén bloqueados y se gastará mucho tiempo en el intercambio. Si hay demasiados procesos residentes, el resultado será la hiperpaginación.

105 Suspensión de procesos
Procesos con la prioridad más baja. Procesos con fallos de página: Este proceso no tiene su conjunto de trabajo en la memoria principal, por lo que quedará bloqueado de todas formas. Último proceso activado: Este es el proceso con menos posibilidades de tener su conjunto de trabajo residente.

106 Suspensión de procesos
Proceso con el conjunto residente más pequeño: Este es el proceso que necesita el menor esfuerzo futuro para volver a cargar el conjunto residente. El proceso mayor: Esta alternativa obtiene la mayor cantidad de marcos libres. Procesos con la mayor ventana de ejecución restante.

107 Gestión de memoria en UNIX y Solaris
Sistema de paginación: Tabla de páginas. Descriptor de bloques de disco. Tabla de marcos de página. Tabla de uso de intercambios.

108 Estructuras de datos (a) Entrada de la tabla de páginas
Número de marco de página Edad Copia en es- critura Modifi- cación Refe- rencia Validez Protec- ción Número de marco de página Edad (a) Entrada de la tabla de páginas Número de dispositivo de intercambio Número de bloque de dispositivo Tipo de almacenamiento (b) Descriptor de bloques de disco Figura Formatos de gestión de memoria en UNIX SVR4.

109 Estructuras de datos (c) Entrada de la tabla de marcos de página
Estado de la página Contador de referencias Dispositivo lógico Número de bloque Puntero a marco de página Número de marco de página Edad (c) Entrada de la tabla de marcos de página Contador de referencias Página/número de unidad de almacenamiento (d) Entrada de la tabla de utilización del intercambio Figura Formatos de gestión de memoria en UNIX SVR4.

110 Gestión de memoria en UNIX y Solaris
Reemplazo de páginas: Es un refinamiento de la política del reloj. Asignador de memoria del núcleo: La mayor parte de estos bloques son significativamente más pequeños que el tamaño de página en las máquinas normales.

111 Gestión de memoria en Linux
Directorio de páginas. Directorio intermedio de páginas. Tabla de páginas.

112 Gestión de memoria en Windows 2000
Paginación en W2K: Disponible. Reservada. Confirmada.

113 Región de 64 Kilobytes para la asignación de punteros NULL (inaccesible) Región de 2 Gigabytes para el espacio de direcciones de usuario (no reservado, utilizable) Región de 64 Kilobytes para la asignación incorrecta de punteros (inaccesible) Región de 2 Gigabytes para el sistema operativo (inaccesible) Figura Espacio de direcciones virtuales por defecto en Windows 2000.

114 Planificación de monoprocesadores
Capítulo 9 Planificación de monoprocesadores

115 Planificación En el caso del procesador el recurso a repartir es el tiempo de ejecución y el medio de reparto es la planificación.

116 Propósito de la planificación
Tiempo de respuesta. Productividad. Eficiencia del procesador.

117 Tipos de planificación
Planificación a largo plazo Decisión de añadir procesos al conjunto de procesos a ejecutar Planificación a medio plazo Decisión de añadir procesos al conjunto de procesos que se encuentran parcial o completamente en la memoria Planificación a corto plazo Decisión sobre qué proceso disponible será ejecutado en el procesador Planificación de E/S Decisión sobre qué solicitud de E/S pendiente será tratada por un dispositivo de E/S disponible

118 Figura 9.1. Planificación y transiciones de estado de los procesos.
Nuevo Decisión de añadir procesos al conjunto de procesos a ejecutar Planificación a largo plazo Planificación a largo plazo Listo/ suspendido Listo Ejecutando Salida Planificación a medio plazo Planificación a corto plazo Decisión sobre que proceso disponible será ejecutado en el procesador Bloqueado/ suspendido Bloqueado Decisión de añadir procesos al conjunto de procesos que se encuentran parcial o completamente en memoria Planificación a medio plazo Figura Planificación y transiciones de estado de los procesos.

119 Figura 9.1. Niveles de planificación.
Ejecutando Listo Bloqueado Corto plazo Bloqueado suspendido Listo suspendido Medio plazo Nuevo Salida Figura Niveles de planificación.

120 Planificación a largo plazo
Decisión de añadir procesos al conjunto de procesos a ejecutar. Determina cuáles son los programas admitidos en el sistema. Controla el grado de multiprogramación. Cuantos más procesos se crean, menor es el porcentaje de tiempo en el que cada proceso se puede ejecutar.

121 Planificación a medio plazo
Decisión de añadir procesos al conjunto de procesos que se encuentran parcial o completamente en memoria Forma parte de la función de intercambio. Se basa en la necesidad de controlar el grado de multiprogramación.

122 Planificación a corto plazo
Decisión sobre que proceso disponible será ejecutado en el procesador También conocido como distribuidor. Es el de ejecución más frecuente. Se ejecuta cuando ocurre un suceso: Interrupciones del reloj. Interrupciones de E/S. Llamadas al sistema operativo. Señales.

123 Criterios de la planificación a corto plazo
Orientados al usuario: Tiempo de respuesta: Periodo de tiempo transcurrido desde que se emite una solicitud hasta que la respuesta aparece en la salida. Orientados al sistema: Uso efectivo y eficiente del procesador.

124 Criterios de la planificación a corto plazo
Relativos al rendimiento del sistema: Cuantitativos. Pueden evaluarse fácilmente. Algunos ejemplos son el tiempo de respuesta y la productividad. No relativos al rendimiento del sistema: Cualitativos. Previsibilidad.

125 Los procesos de prioridad más baja pueden sufrir inanición:
Prioridades El planificador seleccionará siempre a un proceso de mayor prioridad antes que a los de menor prioridad. Tiene múltiples colas de Listos para representar cada nivel de prioridad. Los procesos de prioridad más baja pueden sufrir inanición: Permite que un proceso cambie su prioridad en función de su edad o su historial de ejecución.

126 Planificación a largo plazo Tiempo de guarda Trabajos por lotes Cola de listos Planificación a corto plazo Terminación Procesador Planificación a medio plazo Usuarios interactivos Cola de listos suspendidos Planificación a medio plazo Cola de bloqueados suspendidos La planificación es la Gestión de estas colas minimizando la espera y optimizando el rendimiento del retorno Cola de bloqueados Ocurre un suceso Espera de un suceso Figura Diagrama de colas de planificación.

127 Figura 9.4. Colas de prioridad.
Terminar Expedir Procesador Entrar Expulsión Espera de suceso Ocurre un suceso Cola de bloqueados El procesador comenzara por la cola de listos de mayor prioridad, si hay varios los seleccionara según alguna política de planificación y prioridad Figura Colas de prioridad.

128 Otras Políticas de Selección
La función de selección determina que proceso, de entre los listos, se elige para ejecutar a continuación. Esta función puede estar basada en prioridades, necesidades de recursos, características de ejecución de procesos

129 Shortest Process Next Shortest Remaining Time

130 Modo de decisión El modo de decisión especifica los instantes de tiempo en que se aplica la función de selección

131 Modo de decisión No preferente: Preferente:
Una vez que el proceso pasa al estado de Ejecución, continúa ejecutando hasta que termina o se bloquea en espera de una E/S. Preferente: El proceso que se está ejecutando actualmente puede ser interrumpido y pasado al estado de Listos por el sistema operativo. Permiten dar un mejor servicio ya que evitan que un proceso pueda monopolizar el procesador durante mucho tiempo.

132 Ejemplo de planificación de procesos
Tiempo Total de Ejecución Proceso Instante de llegada Tiempo de servicio

133 Primero en llegar, primero en servirse (FCFS)
5 10 15 20 Cada proceso se incorpora a la cola de listos. Cuando el proceso actual cesa su ejecución,se selecciona el proceso más antiguo de la cola. 1 2 3 4 5

134 Primero en llegar, primero en servirse (FCFS)
Puede que un proceso corto tenga que esperar mucho tiempo antes de que pueda ser ejecutado. Favorece a los procesos con carga de CPU: Los procesos con carga de E/S tienen que esperar a que se completen los procesos con carga de CPU.

135 Turno rotatorio Utiliza la apropiación dependiente de un reloj.
Se determina una cantidad de tiempo que permite a cada proceso utilizar el procesador durante este periodo de tiempo. 5 10 15 20 1 2 3 4 5

136 Periódicamente, se genera una interrupción de reloj.
Turno rotatorio Periódicamente, se genera una interrupción de reloj. Cuando se genera la interrupción, el proceso que está en ejecución se sitúa en la cola de Listos: Se selecciona el siguiente trabajo. Se conoce también como fracciones de tiempo.

137 Primero el proceso más corto
5 10 15 20 1 2 3 4 Es una política no preferente. Se selecciona el proceso con menor tiempo esperado de ejecución. Un proceso corto saltará a la cabeza de la cola, sobrepasando a trabajos largos.

138 Primero el proceso más corto
Se reduce la previsibilidad de los procesos largos. Si la estimación de tiempo del proceso no es correcta, el sistema puede abandonar el trabajo. Posibilidad de inanición para los procesos largos.

139 Debe estimar el tiempo de proceso.
Menor tiempo restante 5 10 15 20 1 2 3 4 Es una versión preferente de la política de primero el proceso más corto. Debe estimar el tiempo de proceso.

140 Primero el de mayor tasa de respuesta (HRRN)
5 10 15 20 Elige el proceso con la tasa más baja. 1 2 3 4 5 tiempo consumido esperando al procesador + tiempo de servicio esperado tiempo de servicio esperado

141 No se conoce el tiempo de ejecución restante del proceso.
Realimentación 5 10 15 20 1 2 3 4 Penaliza a los trabajos que han estado ejecutándose durante más tiempo. No se conoce el tiempo de ejecución restante del proceso.

142 Figura 9.10. Planificación con realimentación.
Terminación Entrada Procesador Terminación Procesador Terminación Procesador Figura Planificación con realimentación.

143 Planificación por reparto equitativo
Las aplicaciones de los usuarios pueden organizarse en forma de varios procesos (o hilos). Al usuario le interesa saber cómo se comporta la aplicación. Es necesario poder tomar decisiones de planificación en función de los grupos de procesos.

144 Proceso A Proceso B Proceso C Tiempo Prioridad Proceso Grupo Prioridad Proceso Grupo Prioridad Proceso Grupo Grupo 1 Grupo 2 Los rectángulos sombreados representan la ejecución de procesos. Figura Ejemplo de planificador por reparto equitativo con tres procesos y dos grupos.

145 Planificación clásica en UNIX
Emplea realimentación multinivel usando turno rotatorio en cada una de las colas de prioridad. La prioridad de cada proceso se calcula cada segundo. La prioridad base divide los procesos en bandas fijas de prioridad. Se utiliza un factor de ajuste para impedir que un proceso salga fuera de la banda que tiene asignada.

146 En orden decreciente de prioridad:
Bandas En orden decreciente de prioridad: Intercambio. Control de dispositivos de E/S de bloques. Gestión de archivos. Control de dispositivos de E/S de caracteres. Procesos de usuario.

147 Figura 9.17. Ejemplo de planificación clásica en UNIX.
Proceso A Proceso B Proceso C Tiempo Prioridad Contador de CPU Prioridad Contador de CPU Prioridad Contador de CPU Los rectángulos sombreados representan la ejecución de procesos. Figura Ejemplo de planificación clásica en UNIX.

148 Procesamiento Distribuido, Seguridad
Unidad VII, VIII Procesamiento Distribuido, Seguridad

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150 BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
DEITEL H. M., "Introducción a los Sistemas Operativos". Editorial Addison Wesley, 1993. TANENBAUM A.S., "Conceptos de Sistemas Operativos". Editorial Prentice Hall, 1989. TANENBAUM A.S., "Sistemas Operativos. Diseño e Implementación". Prentice Hall, 1997. DONOVAN M, "Sistemas Operativos". Editorial Addison Wesley, TANENBAUM A.S., "Sistemas Operativos Modernos". Editorial Prentice Hall, 1991. JULIO VELAZCO, "Sistemas Operativos". Editorial La Vega 1990. PETERSON J.L., "Conceptos de Sistemas Operativos". Editorial Adisson Wesley, 1995. STALLINGS W., "Sistemas Operativos". Editorial Prentice Hall, 1997. *

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152 Sistemas de Operación Hector Gonzalez