4 UNIDAD DISPOSITIVOS Y MANEJADORES DE DISPOSITIVOS DEVICE DRIVER

Se denomina periféricos a los aparatos o dispositivos auxiliares e independientes conectados a la unidad central de procesamiento de una computadora.

Se consideran periféricos tanto a las unidades o dispositivos a través de los cuales la computadora se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

   

   dos categorías:

• Dispositivos de bloques: dispositivos que almacenan la información en bloques de tamaño fijo (discos).
• Dispositivos de caracteres: maneja la información mediante un flujo de caracteres sin estructurarlos en bloques (mouse, teclado, impresora).  

       características de los dispositivos de bloque son:

• La información se almacena en bloques de tamaño fijo.
• Cada bloque tiene su propia dirección.
• Los tamaños más comunes de los bloques van desde los 128 bytes hasta los 1.024 bytes.
• Se puede leer o escribir en un bloque de forma independiente de los demás, en cualquier momento.
• Un ejemplo típico de dispositivos de bloque son los discos.

     características de los dispositivos de carácter son:

• La información se transfiere como un flujo de caracteres, sin sujetarse a una estructura de bloques.
• No se pueden utilizar direcciones.
• No tienen una operación de búsqueda.
• Un ejemplo típico de dispositivos de carácter son las impresoras de línea, terminales, interfaces de una red, ratones, etc.

  dispositivos de entrada/salida

• Dispositivos de interfaz de usuario. Se llama así a los dispositivos que permiten la comunicación entre los usuarios y la computadora. Dentro de este grupo se incluyen todos los dispositivos que sirven para proporcionar interfaz con el usuario, tanto para entrada (ratón, teclado, etc.) como para salida (impresoras, pantalla, etc.). Existen periféricos menos habituales, pero más sofisticados, tales como un escáner, lectores de huella digital, lectores de cinta magnética, instrumentos musicales digitales (MIDI), etc.

• Dispositivos de almacenamiento. Se usan para proporcionar almacenamiento no volátil de datos y memoria. Su función primordial es abastecer de datos y almacenamiento a los programas que se ejecutan en la CPU. Según su capacidad y la inmediatez con que se puede acceder a los datos almacenados en estos dispositivos, se pueden dividir en almacenamiento secundario (discos y disquetes) y terciario (cintas).

• Dispositivos de comunicaciones: Permiten conectar a la computadora con otras computadoras a través de una red. Los dos tipos de dispositivos más importantes de esta clase son los módem, para comunicación vía red telefónica, y las tarjetas de interfaz a la red, para conectar la computadora a una red de área local.

3.4 AMINISTRACÍON DE MEMORIA VIRTUAL

La clave del concepto de memoria (almacenamiento o administración) virtual esta en la disociación:

• De las direcciones a las que hace referencia un programa.
• De las direcciones disponibles en la memoria real (almacenamiento primario).

Mientras el proceso se ejecuta con sus páginas actuales, el sistema carga las demás páginas que estarán disponibles cuando las requiera el proceso.
El S. O. intenta predecir las páginas que un proceso va a necesitar y a continuación precarga estas páginas cuando hay espacio disponible Mientras el proceso ejecuta sus páginas actuales, el sistema carga páginas nuevas que estarán disponibles cuando el proceso las pida, debido a ello, el tiempo de ejecución de un proceso se puede reducir.

3.3 ORGANISACION DE MEMORIA VIRTUAL

Memoria Virtual 
La memoria virtual es una técnica para proporcionar la simulación de un espacio de memoria mucho mayor que la memoria física de una maquina.Esta ilusión permite que los programas se hagan sin tener en cuenta el tamaño exacto de la memoria física. 

La memoria virtual ha llegado a ser un componente esencial de la mayoría de los S.O actuales. Y como en un instante dado, en la memoria solo se tienen unos pocos fragmentos de un proceso dado, se pueden mantener mas procesos en la memoria.
 

La memoria virtual también simplifica la carga del programa para su ejecución llamado reubicación, este procedimiento permite que el mismo programa se ejecute en cualquier posición de la memoria física.     

El término memoria virtual suele asociarse, con la capacidad que tienen algunos sistemas, para acceder a direcciones, situadas en un espacio de almacenamiento virtual, mucho mayor, que el disponible en el almacenamiento real de un sistema informático determinado.

La memoria virtual es una técnica de gestión que, realizando una combinación entre componentes de hardware y de software, en este caso el sistema operativo, permite cargar programas parcialmente en la memoria real. Esto hace parecer que la máquina tiene más memoria que la memoria física que posee y de la que se sabe con anticipación.

3.2 MEMORIA REAL

La memoria real o principal es en donde son ejecutados los programas y procesos de una computadora y es el espacio real que existe en memoria para que se ejecuten los procesos. 

Por lo general esta memoria es de mayor costo que la memoria secundaria, pero el acceso a la información contenida en ella es de mas rápido acceso. 

       

 Solo la memoria cache es mas rápida que la principal, pero su costo es a su vez mayor.

Cuando no existe memoria virtual no hay diferenciación entre el espacio de direcciones y la memoria real;. Si se utiliza memoria virtual, el espacio de direcciones disponibles para los programas es aquel determinado por el tamaño de la memoria virtual implementada y no el espacio de direcciones provisto por la memoria real disponible (el espacio de la memoria virtual será mayor que el de la memoria real).

La memoria real o principal es en donde son ejecutados los programas y procesos de una computadora y es el espacio real que existe en memoria para que se ejecuten los procesos.
Por lo general esta memoria es de mayor costo que la memoria secundaria, pero el acceso a la informacion contenida en ella es de mas rapido acceso.
       

 Solo la memoria cache es mas rapida que la principal, pero su costo es a su vez mayor.

Cuando no existe memoria virtual no hay diferenciacion entre el espacio de direcciones y la memoria real; el espacio de direcciones que puede ser usado en los programas tiene identico tamano al espacio de memoria real posible. Si se utiliza memoria virtual, el espacio de direcciones disponibles para los programas es aquel determinado por el tamano de la memoria virtual implementada y no el espacio de direcciones provisto por la memoria real disponible (el espacio de la memoria virtual sera mayor que el de la memoria real).

La organización y administración de la “memoria principal”, “memoria primaria” o “memoria real” de un sistema ha sido y es uno de los factores mas importantes en el diseño de los S. O. (Ver la figura 3.2.1)
        Los términos “memoria” y “almacenamiento” se consideran equivalentes.
        Los programas y datos deben estar en el almacenamiento principal para:

• Poderlos ejecutar.
• Referenciarlos directamente

3.1 POLITICA Y FILOSOFIA

•La filosofía del administrador de memoria consiste en optimizar el uso de este recurso, ya que la memoria es uno de los componentes críticos de todo sistema de cómputo

Procesos:

•FIFO: Los procesos se despachan de acuerdo a su tiempo de llega a la cola de procesos listos, si un proceso llega al procesador sale hasta que termine. La politica FIFO actualmente no se usa como el esquema principal de un sistema, pero si por ejemplo cuando se usa una politica de prioridades y hay procesos con la misma prioridad, a estos se les podría aplicar FIFO.

FIFO: Los procesos se despachan de acuerdo a su tiempo de llega a la cola de procesos listos, si un proceso llega al procesador sale hasta que termine. La politica FIFO actualmente no se usa como el esquema principal de un sistema, pero si por ejemplo cuando se usa una politica de prioridades y hay procesos con la misma prioridad, a estos se les podria aplicar FIFO. (Ver figura (1))

Figura 3.1.1

Round Robin: Los procesos se despachan en la forma que lo hace el FIFO, pero se les asigna una cantidad limitada de tiempo (CUANTUM) en el procesador, si no termina en ese lapso se manda al final de la lista de procesos listos. (Ver figura(2))

Figura 3.1.2

SJF (Shortest job first - Prioridad del trabajo mas corto): Se ejecuta primero el proceso en espera que tiene el menor tiempo estimado. SJF favorece a los procesos cortos, ya que los largos podrian llegar a rezagarse mucho tiempo e incluso nunca ejecutarse. (Ver Figura(3))

•Round Robin: Los procesos se despachan en la forma que lo hace el FIFO, pero se les asigna una cantidad limitada de tiempo (CUANTUM) en el procesador, si no termina en ese lapso se manda al final de la lista de procesos listos.

•SJF (Shortest job first - Prioridad del trabajo mas corto): Se ejecuta primero el proceso en espera que tiene el menor tiempo estimado. SJF favorece a los procesos cortos, ya que los largos podrían llegar a rezagarse mucho tiempo e incluso nunca ejecutarse.

•HRN: (highest response ratio next ? Prioridad de la tasa de respuesta mas alta): Politica no apropiativa que corrige el retraso excesivo de procesos grandes que produce el SJF, para así no caer en un favoritismo excesivo por los procesos cortos, lo logra usando una formula basada en el tiempo de espera y el tiempo de servicio, con lo cual la prioridad de cada trabajo no solo esta en función del tiempo de servicio sino tambien del tiempo que ha esperado para ser atendido.

3. ADMINISTRACION DE MEMORIA

ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA

La memoria principal puede ser considerada como un arreglo lineal de localidades de almacenamiento de un byte de tamaño. Cada localidad de almacenamiento tiene asignada una dirección que la identifica.

• La memoria principal es el lugar donde el CPU lee las instrucciones a ejecutar, así como algunos datos a emplear.

Administración de la memoria sin intercambio o paginación.

Los sistemas de administración de memoria se pueden clasificar en dos tipos. Los que desplazan los procesos de la memoria principal al disco y viceversa durante la ejecución (intercambio y paginación) y aquellos que no.

Monopogramación sin intercambio o paginación.

Es en forma secuencial pues solo se tiene un objeto en memoria en cada instante, el usuario carga toda la memoria con un programa, esto implica que cada proceso debe contener controladores de dispositivo para cada uno de los dispositivos E/S que utilice.

Multiprogramación y uso de la memoria.

La multiprogramación facilita la programación de una aplicación al dividirla en dos o mas procesos. La mayoría de los procesos tardan cierto tiempo en la espera de datos de dispositivos E/S.

Un modelo para el uso y aprovechamiento de la CPU es el modelo probabilístico dado por la fórmula :

Uso de la CPU = 1 - pn

Multiprogramación con particiones fijas

El objetivo en todo esto es tener mas de un proceso en memoria a la vez, solución posible sería dividir la memoria en n partes al inicio de una sesión de uso de la máquina, pero aún así se obtiene el desperdicio de particiones grandes con una tarea pequeña, la respuesta puede ser tener particiones pequeñas también.

Las tareas que van llegando se forman hasta que una partición adecuada está disponible, en cuyo momento la tarea se carga en esa partición y se ejecuta hasta terminar.

Intercambio

En un sistema por lotes la organización de la memoria en particiones fijas es adecuado pero en un ambiente multiusuario la situación es distinta con el tiempo compartido, ya que existen mas usuarios de los que puede albergar la memoria, por lo que es conveniente albergar el exceso de los procesos en disco., por supuesto para ser ejecutados estos procesos deben ser trasladados a la memoria principal. Al traslado de procesos de disco a memoria y viceversa se le llama intercambio.

Multiprogramación con particiones variables.

Mediante un algoritmo de administración de memoria las particiones variables varían de forma dinámica durante el uso de la máquina, evitando desperdicio de memoria

Otros métodos de administración de memoria que tenemos son:

la administración de memoria con mapa de bits

la memoria se divide en unidades de asignación, a cada asignación le corresponden un bit en el mapa de bits, un mapa de bits es una forma sencilla para llevar un registro de las palabras de la memoria en una cantidad fija de memoria.

la administración de memoria con listas ligadas

otra forma de mantener un registro en memoria es mediante una lista ligada donde cada entrada de la lista específica un hueco o un proceso.

la administración de memoria con el sistema de los asociados

basado en el sistema binario o utiliza para las direcciones.

Memoria Virtual

El método diseñado por Fotheringham en 1961 se conoce como Memoria Virtual, la idea es que el tamaño combinado de la pila, programa y datos puede exceder la memoria física disponible para ello. El S.O. mantiene en memoria aquellas partes del programa que se deben permanecer en memoria y el resto lo deja en disco, las partes entre el disco y la memoria se intercambian de modo que se vayan necesitando.

Paginación

El espacio de direcciones de cada proceso se divide en bloques de tamaño uniforme llamados páginas, los cuales se pueden colocar dentro de cualquier para página marco disponible en memoria. Cuando las tablas de páginas son muy grandes se puede utilizar un esquema de paginación de varios niveles para que las páginas se paginen a sí mismas.

Existen distintos niveles de paginación y a su vez distintos modelos de computadoras han trabajado con ellas.

Paginación de nivel 1: PDP-11

Paginación de 2 niveles: la VAX

Paginación de 3 niveles: la SPARC

Paginación de 4 niveles: la 68030

Memoria asociativa

En los algoritmos de paginación las tablas de páginas se mantienen en la memoria debido a su gran tamaño, en potencia este diseño tiene un efecto enorme en el rendimiento.

Algoritmos de reemplazo de páginas.

Cuando ocurre un fallo de página el sistema operativo debe elegir una página para retirarla de la memoria y hacer un espacio para la página por recuperar. Si la página por eliminar fue modificada mientras estaba en memoria, debe escribirla en el disco para mantener actualizada la copia del disco, si por el contrario la página no ha sido modificada la copia del disco ya está actualizada por lo que no es necesario volver a escribir, la página por leer sólo escribe encima de la página por retirar.

Aunque es posible elegir una página al azar para el reemplazo relacionado con un fallo de página, el rendimiento del sistema es mucho mejor si se elige una página de poco uso.

Algoritmo de reemplazo de páginas optimo

Mejor algoritmo posible para reemplazo de páginas pero irrealizable en la práctica.

Al momento de ocurrir un fallo de página cierto conjunto de páginas se encuentran en la memoria, en la siguiente instrucción se hará referencia a una de estas páginas, otras páginas no se utilizaran sino hasta mucho después, cada página puede ejecutarse con el número de instrucciones ejecutadas antes de la primera referencia a esa página, el algoritmo dice que se elimine la página con la mayor etiqueta; si una página no va a utilizase sino hasta mucho después que otra la eliminación de la primera retrasa el fallo de página lo mas posible, el único problema de este algoritmo es que es irrealizable. Al momento del fallo de página el S.O. no tiene forma de saber a qué página se hace referencia.

Algoritmo de página de uso no muy reciente.

En un fallo de página , el sistema operativo inspecciona todas las páginas y las divide en cuatro categorías según los valores actuales de los bits R y M

Clase 0: No se ha hecho referencia ni ha sido modificada

Clase 1: No se ha hecho referencia pero ha sido modificada

Clase 2: Se ha hecho referencia pero no ha sido modificada

Clase 3: Se ha hecho referencia y ha sido modificada

El algoritmo NRU implica una hipótesis que indica que es mejor eliminar una página modificada sin referencias al menos por lo general un intervalo de reloj, este algoritmo es fácil de comprender, de implantación eficiente y con un rendimiento que, aún sin ser el óptimo si es adecuado en muchos casos.

Algoritmo de reemplazo " primero en entrar, primero en salir FIFO"

El sistema operativo tiene una lista de todas las páginas que se encuentran en memoria, siendo la primera página la mas antigua y la última la mas reciente, en un fallo de página, se elimina la primera página y se añade la nueva al final de la lista.

Algoritmo de reemplazo de páginas de la segunda oportunidad

Una modificación simple del FIFO que evita deshacerse de una página de uso frecuente inspecciona el bit R de la página mas antigua, busca una página antigua sin referencias durante el anterior intervalo de tiempo.

Algoritmo de reemplazo de páginas del reloj

Aunque el anterior algoritmo es razonable un mejor enfoque es mantener las páginas en una lista circular con la forma de un reloj, una manecilla apunta hacia la mas antigua. Al ocurrir un fallo de página se inspecciona la página a la que apunta la manecilla si su bit R=0 se retira de la memoria, se inserta la nueva página en su lugar en el reloj y la manecilla avanza una posición, si R=1 la manecilla avanza una posición y el bit se limpia, esto continua hasta encontrar una página con R=0.

2.5 NIVELES OBJETIVOS Y CRITERIOS DE PLANIFICACION

2.5 Niveles, objetivos y criterios de planificación.

Uno de los módulos más importantes de un sistema operativo es la de administrar los procesos y tareas del sistema de cómputo. En esta sección se revisarán dos temas que componen o conciernen a este módulo: la planificación del procesador y los problemas de concurrencia. Planificación del procesador

La planificación del procesador se refiere a la manera o técnicas que se usan para decidir cuánto tiempo de ejecución y cuando se le asignan a cada proceso del sistema. Obviamente, si el sistema es monousuario y monotarea nohay mucho que decidir, pero en el resto de los sistemas esto es crucial para el buen funcionamiento del sistema. Niveles de planificación
En los sistemas de planificación generalmente se identifican tres niveles: el alto, em medio y el bajo. El nivel alto decide que trabajos (conjunto de procesos) son candidatos a convertirse en procesos compitiendo por los recursos del sistema; el nivel intermedio decide que procesos se suspenden o reanudan para lograr ciertas metas de rendimiento mientras que el planificador de bajo nivel es el que decide que proceso, de los que ya están listos (y que en algún momento paso por los otros dos planificadores) es al que le toca ahora estar ejecutándose en la unidad central de procesamiento. En este trabajo se revisaran principalmente los planificadores de bajo nivel porque son los que finalmente eligen al proceso en ejecución. Objetivos de la planificación
Una estrategia de planificación debe buscar que los procesos obtengan sus turnos de ejecución apropiadamente, conjuntamente con un buen rendimiento y minimización de la sobrecarga (overhead) del planificador mismo. En general, se buscan cinco objetivos principales:

·         Justicia o Imparcialidad: Todos los procesos son tratados de la misma forma, y en algún momento obtienen su turno de ejecución o intervalos de tiempo de ejecución hasta su terminación exitosa.

·         Maximizar la Producción: El sistema debe de finalizar el mayor numero de procesos en por unidad de tiempo.

·         Maximizar el Tiempo de Respuesta: Cada usuario o proceso debe observar que el sistema les responde consistentemente a sus requerimientos.

·         Evitar el aplazamiento indefinido: Los procesos deben terminar en un plazo finito de tiempo.

·         El sistema debe ser predecible: Ante cargas de trabajo ligeras el sistema debe responder rápido y con cargas pesadas debe ir degradándose paulatinamente. Otro punto de vista de esto es que si se ejecuta el mismo proceso en cargas similares de todo el sistema, la respuesta en todos los casos debe ser similar.

Características a considerar de los procesos

·         No todos los equipos de cómputo procesan el mismo tipo de trabajos, y un algoritmo de planificación que en un sistema funciona excelente puede dar un rendimiento pésimo en otro cuyos procesos tienen características diferentes. Estas características pueden ser:

·         Cantidad de Entrada/Salida: Existen procesos que realizan una gran cantidad de operaciones de entrada y salida (aplicaciones de bases de datos, por ejemplo).

·         Cantidad de Uso de CPU: Existen procesos que no realizan muchas operaciones de entrada y salida, sino que usan intensivamente la unidad central de procesamiento. Por ejemplo, operaciones con matrices.

·         Procesos de Lote o Interactivos: Un proceso de lote es más eficiente en cuanto a la lectura de datos, ya que generalmente lo hace de archivos, mientras que un programa interactivo espera mucho tiempo (no es lo mismo el tiempo de lectura de un archivo que la velocidad en que una persona teclea datos) por las respuestas de los usuarios.

·         Procesos en Tiempo Real: Si los procesos deben dar respuesta en tiempo real se requiere que tengan prioridad para los turnos de ejecución.

·         Longevidad de los Procesos: Existen procesos que tipicamente requeriran varias horas para finalizar su labor, mientras que existen otros que solonecesitan algunos segundos.

Planificación apropiativa o no apropiativa (preemptive or not preemptive)
La planificación apropiativa es aquella en la cual, una vez que a un proceso le toca su turno de ejecución ya no puede ser suspendido, ya no se le puede arrebatar la unidad central de procesamiento. Este esquema puede ser peligroso, ya que si el proceso contiene accidental o deliberadamente ciclos infinitos, el resto de los procesos pueden quedar aplazados indefinidamente. Una planificación no apropiativa es aquella en que existe un reloj que lanza interrupciones periodicas en las cuales el planificador toma el control y se decide si el mismo proceso seguirá ejecutándose o se le da su turno a otro proceso. Este mismo reloj puede servir para lanzar procesos manejados por el reloj del sistema. Por ejemplo en los sistemas UNIX existen los 'cronjobs' y 'atjobs', los cuales se programan en base a la hora, minuto, día del mes, día de la semana y día del año.
En una planificación no apropiativa, un trabajo muy grande aplaza mucho a uno pequeño, y si entra un proceso de alta prioridad esté también debe esperar a que termine el proceso actual en ejecución.