El núcleo del sistema operativo

El núcleo del sistema operativo Rina Arauz

Introducción • Objetivo: presentar la estructura interna y funciones del núcleo de un sistema operativo • Corresponde al primer nivel jerárquico • Suele permanecer en el almacenamiento primario porque su código se ejecuta muy frecuentemente Otros niveles Núcleo HW

Es la parte más dependiente del HW de todo el sistema operativo • Proporcionar el entorno adecuado para la existencia de procesos • Manejo de interrupciones. Se transforman generalmente en mensajes para los siguientes niveles • Conmutación del procesador entre hilos o procesos (soporte al diagrama de estados) • Mecanismos básicos de comunicación entre hilos y procesos • Carga inicial y activación de la configuración del sistema

Mecanismo de interrupciones • El hardware salva el contador de programa • Se carga un nuevo contador de programa • Se salvan los registros • Se cambia el valor del puntero de pila • Se conmuta el proceso que estaba bloqueado al estado de listo • El planificador elige el siguiente proceso • Se cede el control a un programa ensamblador que arranca proceso elegido

Niveles de interrupción • Mecanismo empleado para determinar en qué orden se atienden las interrupciones • Puede ser proporcionado por el hardware o por el software • Típicamente existen 32 niveles de nivel de prioridad de interrupción (NPI) • En UNIX se les suele conocer como Interrupt Priority Level o IPL • En W2K se les conoce como Interrupt Request Level o IRQL

Diagrama de manejo de interrupciones Interrupción ¿Nuevo NPI > actual NPI? No Guardar interrupción Sí Crear un nuevo contexto Guardar el CP y lo flags NPI = nuevo NPI Llamada al manejador Bloquear Manejador de interrupción Sí ¿Hay int. pendientes? Desbloquear No Retornar

Niveles de interrupción en W2K 31 Alta Fallo de alimentación IPI Reloj Perfiles Interrupciones HW Dispositivo n ... Dispositivo 1 DPC/Dispatch Interrupciones SW APC Nivel de ejecución ordinario 0 Base

Diagrama de estados (básico) Ejecución Desalojar Dormir Despachar Espera Listo Despertar

Estados básicos de un proceso: • Listo: El único recurso que necesita el proceso para continuar es el procesador. • Ejecución:El proceso dispone del procesador. • Espera: El proceso espera por un recurso. • Soporte al diagrama de estados: Conjunto de rutinas que permiten pasar por distintos estados a cada uno de los procesos.

Comunicación entre procesos • Para comunicación intramáquina se emplea memoria compartida con primitivas de sincronización (P y V) • Para una comunicación más general se utilizan los mensajes: • Síncronos o bloqueantes (i. e. L4) • Asíncronos o no bloqueantes (i. e. Mach) • Las interrupciones HW se transforman en mensajes a los niveles superiores

Ejemplo: Linux • Proporciona: • Facilidades básicas • Manejo de interrupciones • Manejo del reloj y temporizador • Manejo del estado de los procesos • Planificación de procesos • Manejo de señales • Gestión de memoria • Memoria virtual • Protección • Memoria compartida • Carga dinámica • Proyección de archivos en memoria

Linux: continuación • Sistema de archivos • Archivos, directorios • Bloqueo de archivos • Mecanismos de journaling • VFS • Manejadores de dispositivo (drivers) • Modo carácter • Modo bloque • Comunicación entre procesos • Señales • Tuberías • Colas de mensajes • Semáforos • Memoria compartida • Sockets (TCP/IP) • Subsistema de red • Pilas de protocolos (IPv4, IPv6, IPX, etc.)

Llamadas al sistema • Son el mecanismo controlado de accesopor parte de los procesos a los recursos del S.O. • Método: a través de una instrucción máquina específica • Al ejecutarse esta instrucción toma el control el S.O.(MP) Modo núcleo Modo usuario switch N { case 0: case 1: … case N: } ... syscall N ...

Procedimientos o funciones que ofrece el sistema a un proceso de usuario para acceder a determinados servicios propios del SSOO, es decir, servicios que se deben ejecutar en modo kernel o supervisor.

Llamadas al sistema • Tanto su número como su tipo depende del sistema operativo • Amoeba: sólo una llamada al sistema (RPC) • WNT: ni se sabe (su interfaz no es pública) • Tipos de llamada • Comunicación y sincronización de procesos • Ejecución de programas • Manejo de operaciones de E/S • Manipulación del sistema de archivos • Detección y control de errores en tiempo de ejecución • Comunicaciones en red • Funciones de tiempo • Manipulación de la interfaz gráfica

Ejemplo de llamadas • Manipulación de archivos Archivo Archivo Interfaz de usuario Interfaz del sistema

Operaciones (archivos) • int open (const char *pathname, int flags, mode_t mode); • int close (int fd) • int creat (const char *pathname, mode_t mode) • int unlink (const char *pathname); • ssize_t read (int fd, void *buf, size_t count); • ssize_t write (int fd, const void *buf, size_t count); • off_t lseek (int fildes, off_t offset, int whence); • int rename (const char *oldpath, const char *newpath);

Ejemplo: open() • Buscar el archivo en el directorio • Comprobar que el proceso que hace la llamada tiene los privilegios necesarios • Comprobar si la operación es coherente • Identificar el dispositivo y obtener la dirección física • Conseguir espacio si fuera necesario • Crear el descriptor de archivo • Devolver un código al programa que lo ha llamado • En caso de que se produzca un error, el código de retorno de open() es –1 y errno contiene el número de error

Operaciones (procesos y tiempo) • pid_t fork (void); • int execve (const char *file, char *const argv[ ], char *const envp[ ]); • void exit (int status); • pid_t getpid (void); • pid_t wait (int *status); • int nanosleep (const struct timespec *req, struct timespec *rem); • int gettimeofday (struct timeval *tv, struct timezone *tz); • int getitimer (int which, struct itimerval *value); • int setitimer (int which, const struct itimerval *value, struct itimerval *ovalue);

El núcleo del sistema operativo