El hardware que sostiene al sistema operativo — ejercicios tipo examen con la impresora, la caché que acierta y los registros base y límite (y la RSI que me costó medio punto)

Cada dispositivo se engancha al bus a través de su controlador, que tiene un búfer local donde la CPU deja y recoge los datos. Cuando la operación termina, el controlador lo notifica a la CPU con una interrupción.

El controlador es la pieza de hardware que hace de intermediario entre el bus y el dispositivo. Su búfer local es el punto de intercambio de datos con la CPU, y la interrupción es su forma de avisar. Ojo: el driver es software del SO, no la pieza que se conecta al bus.

Respuesta: Guarda el estado de la CPU y después ejecuta la RSI

Orden de una interrupción: la CPU guarda su estado, ejecuta la rutina de servicio de interrupción (RSI) del SO, restaura el estado y el proceso interrumpido continúa sin enterarse.

• Polling → La CPU pregunta uno a uno a los dispositivos cuál ha interrumpido
• Interrupción vectorizada → El dispositivo se identifica enviando un número por el bus de datos
• Vector de interrupciones → Zona de la memoria principal con las direcciones de todas las RSI
• RSI → Código del SO que atiende un evento concreto

Polling y vectorizadas son las dos formas de averiguar quién ha interrumpido. En las vectorizadas, el número que envía el dispositivo es un índice del vector de interrupciones, y la entrada del vector apunta a la RSI. La definición sobrante es la del búfer local del controlador.

Respuesta: Vector de interrupciones

El vector de interrupciones guarda la dirección de cada RSI. El número del dispositivo es el índice: la CPU no tiene que preguntar a nadie.

Respuesta: Que solo se activa cuando ocurre un evento que tiene que atender

El SO no se activa por sí solo: lo despierta un evento. Por eso hace falta hardware que genere esos eventos (interrupciones, temporizador).

Respuesta: La impresora termina de imprimir una página · Un programa ejecuta la llamada al sistema write() · Un programa intenta dividir un entero entre cero

Los tres tipos de evento son interrupciones hardware (la impresora), llamadas al sistema (write) y excepciones (división entre cero). El resto es trabajo normal del programa en modo usuario.

• V — En la E/S síncrona, la CPU queda en espera hasta que la E/S termina.
• V — En la E/S asíncrona, el SO aprovecha la espera para ejecutar otros procesos.
• F — La E/S síncrona saca más rendimiento al sistema que la asíncrona.
• V — En la E/S asíncrona, el SO se entera del fin de la operación gracias a una interrupción.
• F — Se llama asíncrona a la E/S en la que el SO espera a que termine la operación antes de seguir.

Esperar es síncrono; seguir con otra cosa y recibir un aviso es asíncrono. Por eso la asíncrona aprovecha mejor la CPU.

CPU útil en los dos casos: 30 + 30 de A y 80 de B = 140 ms.

Síncrona: la CPU espera cada impresión, así que A ocupa 2 × (30 + 50) = 160 ms y B va después: 160 + 80 = 240 ms. Uso: 140 / 240 = 58,33 %.

Asíncrona (el diagrama): A 0-30, B 30-80 mientras imprime, A 80-110, B 110-140 y termina; de 140 a 160 la CPU está libre esperando la última página. Total 160 ms y uso 140 / 160 = 87,5 %.

Orden correcto:

1. A pide la impresión con una llamada al sistema
2. El SO atiende la llamada y le pasa la orden al controlador
3. El SO hace un cambio de contexto y pone en la CPU al proceso B
4. La impresora termina y genera una interrupción
5. El SO atiende la interrupción y decide reanudar A

La llamada al sistema despierta al SO, el SO dialoga con la E/S, aprovecha la espera con otro proceso y la interrupción de fin de E/S le devuelve el control.

Si un dispositivo está ocupado, el SO guarda la petición en la cola de espera de ese dispositivo. Cada vez que una operación termina, el SO le pasa al dispositivo la siguiente petición pendiente.

Cada dispositivo tiene su propia cola de peticiones pendientes, que se atienden en orden. La cola de impresión de tu ordenador es exactamente eso.

• V — Las llamadas al sistema se gestionan como interrupciones, pero las provoca la propia CPU.
• F — Las excepciones las provoca siempre un dispositivo de E/S.
• V — Existe una instrucción de máquina para provocar una interrupción software, como INT en Intel.
• F — Las llamadas al sistema se implementan mediante interrupciones hardware.
• V — Cada tipo de evento activa una RSI distinta a través del vector de interrupciones.

Interrupción software = llamada al sistema o excepción: misma gestión que una hardware, pero la provoca la CPU. Las instrucciones son INT (Intel), TRAP (Motorola) y SYSCALL (MIPS).

Orden correcto:

1. Registros
2. Memoria caché
3. Memoria principal
4. Disco sólido (SSD)
5. Disco duro magnético
6. Cinta magnética

La jerarquía va de los registros (dentro de la CPU) a la cinta. El orden por coste por byte es el mismo pero al revés: lo más rápido es lo más caro.

Respuesta: En guardar en la memoria más rápida la información que se usa con más frecuencia

Si lo más usado está en lo más rápido, la mayoría de accesos son rápidos aunque el resto de la jerarquía sea lenta.

• V — El principio de caché también se usa en la caché de disco y en la de páginas web.
• F — Cuando la caché se llena, se vacía entera y se vuelve a cargar.
• V — La política de reemplazo decide qué bloque sale cuando hay que meter uno nuevo y no hay hueco.
• F — Cuanto más rápida es una memoria, más barata por byte suele ser.

Al llenarse, sale un solo bloque, el que diga la política. Y en la jerarquía, rapidez y precio van juntos: lo rápido es caro.

• FIFO → El que entró en la caché antes que los demás
• LRU → El que hace más tiempo que no se usa
• LFU → El que se ha usado menos veces
• Al azar → Uno cualquiera

FIFO mira la entrada; LRU, el último uso; LFU, la frecuencia de uso. El tamaño no es un criterio de estas políticas.

FIFO: solo acierta el tercer acceso (X). Al llegar Z sale X porque entró antes, y por eso el quinto acceso (X) falla. Tasa de fallos 5/6: 2 + (5/6) × 40 = 2 + 33,33 = 35,33 ns.

LRU: acierta el tercero y el quinto (X), porque al usar X en el tercero pasa a ser la más reciente y al llegar Z sale Y. Tasa de fallos 4/6: 2 + (4/6) × 40 = 2 + 26,67 = 28,67 ns.

• Bit → Uno de dos valores, 0 o 1
• Byte → 8 bits
• Palabra → Entre 8 y 64 bits según la CPU
• 1 KiB → 1024 bytes
• 1 KB → 1000 bytes

KiB es binario (2 elevado a 10) y KB es decimal (10 elevado a 3). La palabra depende del procesador.

Respuesta: Leer o escribir en la memoria del sistema operativo · Leer o escribir en la memoria de otro programa · Dar órdenes directamente al controlador de la impresora · Usar la CPU todo el tiempo que quieran

Los tres recursos que se protegen son la memoria (del SO y de los demás), la E/S y la CPU. Pedirle algo al SO con una llamada al sistema está permitido: es la forma legal de hacerlo.

• V — En modo privilegiado se puede ejecutar cualquier instrucción del repertorio.
• F — En modo privilegiado solo se pueden ejecutar instrucciones privilegiadas.
• V — Si un programa en modo usuario intenta una instrucción privilegiada, la CPU genera una excepción.
• V — Modo supervisor, modo sistema y modo núcleo son nombres del mismo modo.
• F — Las rutinas de servicio de interrupción se ejecutan en modo usuario.

En modo privilegiado vale todo; en modo usuario, una instrucción privilegiada provoca una excepción. Las RSI son código del SO y se ejecutan en modo privilegiado.

Orden correcto:

1. La CPU arranca en modo privilegiado
2. El SO cambia a modo usuario justo antes de ceder el control a tu programa
3. Tu programa ejecuta la instrucción de llamada al sistema
4. La CPU pasa sola a modo privilegiado y ejecuta código del SO

Se arranca con todo el poder, el SO lo suelta antes de dar la CPU a un programa y solo se recupera con una interrupción, una llamada al sistema o una excepción.

La instrucción de llamada al sistema conmuta el procesador a modo privilegiado. Así, un programa de usuario cambia de modo voluntariamente, pero lo que se ejecuta a continuación es código del SO.

La syscall es la única puerta voluntaria al modo privilegiado, y al otro lado solo hay código del SO: el programa no puede colar sus propias instrucciones.

Respuesta: printf() se ejecuta en modo usuario y usa la llamada al sistema write() para escribir en la consola

La biblioteca de C es código normal en modo usuario. Solo la llamada al sistema que hay dentro (write) entra en el núcleo.

Respuesta: En registros de la CPU · En una tabla en memoria principal · En la pila

Lo más típico son los registros; si no caben, se usa una tabla en memoria (con su dirección en un registro) o la pila.

Válida si dirección ≥ base y dirección < base + límite = 38000.

29999 < 30000: excepción. 30000 es la primera válida (≥ base). 37999 < 38000: válida, y es la última. 38000 no es < 38000: excepción.

• V — Las instrucciones especiales de E/S, como in y out, deben ser privilegiadas.
• V — Si la E/S está mapeada en memoria, sus direcciones deben estar prohibidas en modo usuario.
• F — El circuito que comprueba base y límite se activa en modo supervisor.
• F — Un acceso fuera del rango permitido sale al bus, pero la memoria lo ignora.
• V — Los registros base y límite delimitan una zona de la memoria principal.

La comprobación se hace en modo usuario (en modo privilegiado el SO puede tocar toda la memoria). Un acceso ilegal no llega a salir al bus: se convierte en una excepción.

Para que ningún proceso acapare la CPU, el SO usa un temporizador. Lo carga con un valor, el contador baja con cada pulso de reloj y, al llegar a cero, genera una interrupción con la que el SO recupera el control.

El temporizador garantiza que el SO vuelve a ejecutarse aunque un programa esté en un bucle infinito. Y como cambiarlo es privilegiado, el programa no lo puede apagar.

• Programas del sistema → Utilidades como la shell, ls o el compilador y servicios en segundo plano
• Núcleo → Parte del SO que está siempre en memoria y atiende las llamadas y demás eventos
• Llamada al sistema → Para el programador es una subrutina; para la CPU, una instrucción que cambia de modo

Los programas del sistema son lo que el usuario percibe como «el SO»; el núcleo es lo que trabaja por debajo, y las llamadas al sistema son la forma de pedirle cosas.

• fork → Procesos
• sbrk → Memoria
• mkdir → Archivos
• socket → Redes
• chmod → Protección

fork crea procesos, sbrk pide más memoria, mkdir crea directorios, socket abre una conexión de red y chmod cambia los permisos.

Orden correcto:

1. La CPU empieza a ejecutar en una dirección fija de la memoria
2. Se ejecuta una pequeña rutina de arranque guardada en ROM
3. La rutina encuentra el cargador del SO (boot loader) y lo carga en memoria
4. El cargador instala el núcleo y se cargan módulos y servicios hasta que todo está listo

ROM → cargador → núcleo → servicios. La ROM ya sabe leer de los dispositivos, por eso puede encontrar el cargador.

• Monolítica → Todo el núcleo en un único espacio de direcciones
• Por capas → Cada nivel usa los servicios del nivel de abajo
• Micronúcleo → Lo mínimo en el núcleo; el resto, en espacio de usuario con mensajes
• Módulos cargables → Trozos de código que se añaden al núcleo en tiempo de ejecución
• Híbrida → Mezcla varias de las anteriores

Ejemplos: UNIX clásico (monolítico), THE (capas), Mach (micronúcleo), Linux y Solaris (módulos) y Windows, macOS o Android (híbridos).

Respuesta: Micronúcleo

El micronúcleo deja dentro solo los mecanismos básicos (multitarea, interrupciones, comunicación entre procesos) y el resto son módulos en espacio de usuario.

• V — Una política es una estrategia, como LRU; un mecanismo es lo que permite aplicarla, como una cola de espera.
• F — En un micronúcleo, las políticas van dentro del núcleo y los mecanismos fuera.
• V — Un inconveniente del micronúcleo es que los mensajes entre módulos penalizan el rendimiento.
• V — Una ventaja del micronúcleo es que hay menos código ejecutándose en modo privilegiado.
• V — Linux es monolítico, pero se le pueden añadir módulos en marcha.

En el micronúcleo, los mecanismos van dentro y las políticas fuera. Menos código privilegiado = más seguridad, a cambio de pagar los mensajes.

Respuesta modelo:

A pide la impresión con una llamada al sistema, que es una interrupción software: la CPU pasa a modo privilegiado y se ejecuta el SO. El SO atiende la llamada y dialoga con el controlador de la impresora: le deja los datos en su búfer local y le da la orden (si la impresora estuviera ocupada, metería la petición en su cola de espera).

Como A tiene que esperar a la impresora, el SO no deja la CPU parada: hace un cambio de contexto y ejecuta otro proceso, B. La impresora trabaja sola. Cuando termina, su controlador genera una interrupción hardware; la CPU guarda el estado de B, ejecuta la RSI de la impresora y el SO decide reanudar A.

Es más rendimiento porque el tiempo que la impresora tarda no se pierde: en la forma síncrona la CPU se quedaría esperando (o preguntando) sin hacer nada útil.

Respuesta modelo:

Con polling, la CPU pregunta a cada dispositivo, uno detrás de otro, si ha sido él quien ha interrumpido. Es sencillo, pero lento: cuantos más dispositivos, más preguntas y más tiempo de CPU gastado.

Con interrupciones vectorizadas, el dispositivo que interrumpe envía un número por el bus de datos. Ese número es un índice en el vector de interrupciones, una zona de la memoria principal con las direcciones de todas las rutinas de servicio de interrupción. La CPU consulta esa posición y salta directamente a la RSI correcta, sin preguntar a nadie.

El vector, además, sirve para todos los eventos: interrupciones hardware, llamadas al sistema y excepciones tienen su entrada.

Respuesta modelo:

La CPU define un conjunto de instrucciones privilegiadas y trabaja en dos modos. En modo privilegiado (núcleo, supervisor o sistema) se puede ejecutar cualquier instrucción; en modo usuario, intentar una instrucción privilegiada provoca una excepción.

La CPU arranca en modo privilegiado. Antes de ceder el control a un programa, el SO cambia a modo usuario, y solo se vuelve a modo privilegiado cuando el SO recupera el control: con una interrupción, una llamada al sistema o una excepción. La instrucción de llamada al sistema cambia de modo automáticamente, pero lo que se ejecuta después es código del SO.

Memoria: los registros base y límite delimitan la zona de memoria principal del proceso; en modo usuario, un circuito comprueba cada acceso y, si se sale, genera una excepción y el acceso no sale al bus. CPU: el temporizador se carga con un valor, baja con cada pulso de reloj y al llegar a cero genera una interrupción, así ningún proceso acapara la CPU. Cambiar estos registros y el temporizador es privilegiado, por eso el programa no puede desactivarlos.

Respuesta modelo:

En un sistema monolítico, toda la funcionalidad del núcleo está en un único espacio de direcciones, «todo en un mazacote». Es la estructura más simple y rápida, porque las partes se llaman directamente, pero no se puede modificar una parte por separado: un cambio afecta al resto. Ejemplo: UNIX clásico.

En un micronúcleo, en el núcleo solo queda lo imprescindible (multitarea básica, gestión de interrupciones, comunicación entre procesos) y el resto de servicios son módulos en espacio de usuario que se comunican con mensajes. Ejemplo: Mach (1980).

Las políticas son las estrategias para administrar un recurso (FIFO, LRU, SJF…) y los mecanismos, las estructuras que permiten aplicarlas (colas, mapas de bits, el temporizador…). El micronúcleo deja los mecanismos dentro y las políticas fuera. Ventajas: servicios nuevos sin tocar el núcleo, más fácil de portar y más seguro, porque hay menos código privilegiado. Inconveniente: los mensajes entre módulos penalizan el rendimiento.