Arranque del Sistema y Activación del SO

Arranque: Se pulsa el botón reset. El CP (Contador de Programa) toma el valor de la dirección correspondiente a la ROM. Se comienza a ejecutar el programa de arranque alojado en modo privilegiado y con memoria real. En un PC, la ROM contiene, además del iniciador, el programa BIOS. Se comprueba el sistema. Se realiza la lectura de disco y el almacenamiento en RAM del programa Boot. El programa Boot lee el Sistema Operativo (SO) del disco y lo carga en RAM, cediendo finalmente el control al SO.

Activación del Sistema Operativo

Los motivos de activación incluyen:

• Interrupción por llamada al sistema para solicitar servicios del SO.
• Interrupción producida por periféricos, reloj u otro procesador.
• Excepciones de Software (SW) o Hardware (HW).

Ciclo de activación:

1. Primero, salva el estado del proceso en curso.
2. Segundo, ejecuta la parte del SO que realiza la tarea solicitada.
3. Tercero, cambia al siguiente proceso solicitado.

Tipos de Servicios

• Síncronos: Cuando se cede el control al SO para que realice una tarea, se espera a que esta termine.
• Asíncronos: El servicio se ejecuta de forma concurrente con el proceso y, cuando este acaba, el SO lo notifica.

Fases del Arranque del SO

Comprobación del sistema (HW y sistema de ficheros). El SO residente genera tablas de páginas, de procesos, de interrupciones, etc. Se activa la MMU (Memory Management Unit), pasando a usar memoria virtual. Se habilitan las interrupciones. A partir de este momento, se ejecuta en modo usuario. Crea un proceso init, procesos demonios y un proceso de login por cada terminal. A partir de este momento, el SO solo se ejecuta cuando ocurre una interrupción.

Gestión de Procesos

Un proceso es un programa en ejecución, una unidad de procesamiento gestionada por el SO. Los procesos se organizan en jerarquía; todos los procesos tienen un padre. Además, pueden pertenecer a un grupo de procesos. El proceso INIT empieza en modo superusuario y se encarga de arrancar el sistema; su PID = 1 y, al acabar el INIT, se pasa al modo privilegiado. El SO almacena el estado del procesador, la imagen de memoria y las tablas de procesos (BCP), de memoria, de E/S y de ficheros.

Estado del Procesador

El estado del procesador está formado por el contenido de todos sus registros.

Registros accesibles en modo usuario:

• Registros generales (registros específicos).
• Contador de programa (PC).
• Punteros o punteros de pila.
• Parte del registro de estado accesible en modo usuario.

Registros especiales accesibles en modo privilegiado:

• Parte del registro de estado accesible en modo privilegiado.
• Registros de control de memoria (registros de borde y RIED).

Cuando el proceso no está en ejecución, su estado debe quedar almacenado en el Bloque de Control de Proceso (BCP). Cuando el proceso está ejecutando, el estado del procesador reside en los registros y varía de acuerdo al flujo de instrucciones máquina ejecutado. En este caso, la copia que reside en el BCP no está actualizada. La rutina del sistema operativo que trata las interrupciones lo primero que ha de hacer es salvar el estado del procesador del proceso interrumpido en su BCP.

El Bloque de Control de Proceso (BCP)

Almacena información de:

• Identificación: PID del proceso, PID del padre, UID real, GID real, UID efectivo, GID efectivo e identificadores de grupos de proceso.
• Estado del procesador: Copia de los registros.
• Información de control del proceso:
  • Planificación y estado: Estado (bloqueado, listo, ejecutado), evento por el que se espera cuando está bloqueado, su prioridad y tiempo de espera, e información de planificación.
  • Descripción de sus regiones de memoria.
  • Recursos asignados (ficheros abiertos, temporizadores y puertos de comunicación).
  • Comunicación con otros procesos (señales, mensajes enviados): señales armadas y máscara de señales.
  • Temporizador.
  • Contabilidad (tiempo del procesador, operaciones de E/S realizadas).

Información de un proceso fuera del BCP

Si la información se quiere compartir entre varios procesos, no puede estar en el BCP, puesto que esta estructura es privativa de cada proceso. Si la información tiene tamaños muy diferentes de un proceso a otro, no es eficiente almacenarlas en el BCP. Es el caso de las tablas de páginas (en el BCP solo se almacena la información que permite acceder a esa tabla) y los punteros de posición de ficheros (esta información no puede almacenarse en el BCP ya que este puntero se quiere compartir en varios ficheros).

Ciclo de vida de un proceso

• Creación: Se crea la imagen de memoria, se selecciona un BCP libre y se rellena, se carga en memoria el segmento de texto y de datos, se crea la pila inicial en el segmento de la pila conteniendo el entorno del proceso y los argumentos a la llamada.
• Activación: El planificador lo selecciona y se restituye el estado del procesador.
• Interrupción: Por interrupción, excepción o solicitud de servicio al SO. Se salva el estado del procesador.
• Terminación: Voluntaria (fin del programa) o involuntaria (error de ejecución o aborto por el usuario u otro proceso). Se recuperan los recursos asignados al proceso.

Nota de refuerzo: Si la información se quiere compartir entre varios procesos, no puede estar en el BCP, puesto que esta estructura es privativa de cada proceso. Si la información tiene tamaños muy diferentes de un proceso a otro, no es eficiente almacenarlas en el BCP. Es el caso de las tablas de páginas (en el BCP solo se almacena la información que permite acceder a esa tabla) y los punteros de posición de ficheros (esta información no puede almacenarse en el BCP ya que este puntero se quiere compartir en varios ficheros). El ciclo de vida incluye la creación (imagen de memoria, BCP, carga de segmentos y pila), activación (planificación), interrupción (salvado de estado) y terminación (recuperación de recursos).

Hebras (Threads)

Cada hebra tiene su propia información sobre el contexto de su ejecución (BCT): estado de procesador, pila, estado de la hebra y prioridad de ejecución. Cada hebra comparte con las de su mismo proceso (BCP): espacio de memoria, variables globales, ficheros abiertos, procesos hijos, temporizadores, señales, semáforos y contabilidad.

Tipos de hebras

• UTL (User Level Threads): Hebras de nivel de usuario o de biblioteca. El SO las ve como un solo proceso. La biblioteca gestiona las hebras.
• KTL (Kernel Level Threads): Hebras de nivel de núcleo o de sistema. El SO gestiona las distintas hebras.

Ventajas e Inconvenientes

Ventajas: Separación de tareas, aumenta el aprovechamiento de la CPU, mejores prestaciones que con los procesos y comunicación más sencilla (comparten variables). En hebras KTL, solo se bloquea la que hace la llamada al SO.

Inconvenientes: Programación compleja, necesidad de sincronizar el acceso a regiones críticas mediante mutex; si se produce un error en una hebra, muere todo el proceso.

Señales y Servicios del Sistema

Diferencias entre bloquear e ignorar una señal

Ignorar la señal implica que el proceso la recibe y la descarta. Bloquear una señal significa que el proceso no la recibe y queda pendiente de entrega hasta que se desbloquee. Son acciones compatibles y no excluyentes.

• Servicios para ignorar: sigaction con SIG_IGN como handler (act.sa_handler = SIG_IGN).
• Servicios para bloquear: sigprocmask, sigemptyset, sigaddset, sigdelset.

El BCP y su contenido

El Bloque de Control de Proceso es una estructura de datos del SO que almacena la información de un proceso: identificadores (PID, PPID, UID, GID…), estado del procesador, control de proceso (estado listo/ejecutado/bloqueado, planificación, memoria, recursos, señales) y contabilidad.

Servicio alarm()

alarm() establece un temporizador que hace que, cuando transcurra un tiempo indicado, el SO envíe al proceso la señal SIGALRM. Si no se arma esta señal, al recibirla el proceso muere. Puede usarse para que un proceso finalice pasado un tiempo o para ejecutar una función específica tras el intervalo.

Diferencias entre pthread_exit, exit y return

• pthread_exit: Termina el hilo actual (desde cualquier función del hilo).
• return: Termina la función en la que está (si es la función principal del hilo, termina el hilo).
• exit: Termina todo el proceso, incluyendo todos sus hilos.

Información conservada tras fork y exec

• Fork: Armado (Sí, se duplica el código), Máscara (Sí, se copia el BCP), Señales pendientes y alarmas (No, dependen del PID).
• Exec: Armado (No, cambia el código), Máscara (Sí, es el mismo BCP), Señales pendientes y alarmas (Sí, es el mismo PID).

Casos Prácticos

Procesos hijos sin wait: Si los hijos terminan antes que el padre, se quedan en estado zombi. Cuando muere el padre, el proceso init hace wait por ellos. Si el padre es un demonio (bucle infinito), los hijos quedarían zombis indefinidamente, acaparando recursos.

Exec y señales: Si un proceso lanza un hijo mediante exec, no se puede mantener el armado de una rutina de tratamiento personalizada, ya que el exec reemplaza el código del proceso por el nuevo ejecutable.

Diferencias en BCP según soporte de hilos

Los sistemas que soportan KTL tienen en el BCP de cada proceso una lista enlazada de BCT (Thread Control Blocks). Los que no los soportan, gestionan las hebras mediante una librería a nivel de usuario.