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Arquitectura de los Sistemas Operativos Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Índice 

Objetivos de los Sistemas Operativos.



Arquitectura de Windows NT.



Proceso de arranque de Windows NT.



Bibliografía.

Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Definición 

¿Qué es un Sistema Operativo? –

–

Es un conjunto de programas, rutinas, funciones software, etc. que hace de interfaz entre el usuario y el hardware de un sistema informático. Objetivos principales:  Facilitar

el uso de un sistema informático.  Ofrecer un entorno adecuado para la ejecución de programas en un sistema informático.

Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Objetivos secundarios 

Uso eficiente de recursos: – –

CPU: mientras un programa espera a que se cumpla una condición, el procesador debe seguir ejecutando otro. Memoria: se debe asignar memoria a los diferentes programas en ejecución:  

–

Periféricos: se deben aplicar técnicas y algoritmos que reduzcan el tiempo de las operaciones de E/S.    



–

Un error provocado por un programa no debe afectar al resto de programas ni debe detener el funcionamiento del sistema. Registro de errores.

Facilidad en su ampliación y adaptación a los cambios tecnológicos. – –



spooling de impresoras, buffering, algoritmos de gestión de discos, …

Detección y corrección de errores. –



reduciendo las zonas de memoria sin utilizar. permitiendo ejecutar el máximo número posible de programas a la vez.

Arquitecturas. Técnicas de diseño software.

Bajo consumo de recursos.

Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Objetivos secundarios (cont.) 

Protección – –

El sistema operativo debe protegerse a si mismo y al resto de programas de una posible agresión. Sólo son efectivos mecanismos hardware: 

Modo dual de funcionamiento del procesador: – –

–

Protección de los recursos: 

Procesador (CPU): –





cada cierto tiempo se produce una interrupción periódica cuya ISR conmuta de programa a ejecutar, por lo que ningún programa consigue el uso en exclusiva del procesador.

Memoria: –

el hardware impide que un programa acceda a posiciones de memoria que pertenecen a otro programa.

E/S: –

Diatel (UPM)

kernel. usuario.

el procesador no permite ejecutar el código máquina que accede directamente a los registros de los periféricos, a las estructuras de datos del sistema operativo que gestiona la E/S, etc. Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Objetivos secundarios (cont.) 

Protección (cont.) –

–

Los programas acceden a los recursos hardware a través de una librerías de funciones que verifican que los parámetros son correctos, que el usuario tiene suficientes privilegios para realizar la operación, etc. No se pueden evitar o anular los chequeos que hacen las librerías: MODO USUARIO

PROGRAMA #1 … void main( void ){ … fscanf(fichero,“%d”,&dato); … }

ISR interrupción #X: •Comprobar permisos del usuario. fscanf: •Comprobar que los parámetros son correctos. •Interrupción software #X.

PROGRAMA #2

•Devolver resultado.

… void main( void ){ … … }

Diatel (UPM)

MODO KERNEL

•Añadir una petición de lectura sobre un fichero en las estructuras de datos del sistema operativo. •Rellenar las estructuras de datos del s.o. que indican que el proceso está en estado de espera. •Preparar el sistema para continuar ejecutando otro proceso. •Código máquina para cambiar el procesador de modo kernel a usuario.

Autor: Vicente Hernández Díaz

MODO USUARIO

PROCESOS DEL SISTEMA CONTROLADOR SERVICIOS WINLOGON ADMINISTRADOR SESIONES

SUBSISTEMAS DE ENTORNO VDM SERVICIOS WOW OS/2 SPOOLER POSIX RPC REGISTRO SUCESOS WIN32

APLICACIONES

APLICACIONES DE USUARIO DLL DE SUBSISTEMA

NTDLL.DLL

MODO KERNEL

SERVICIOS DEL SISTEMA (NT NATIVE API)

GESTIÓN DE E/S

GESTIÓN DE GESTIÓN GESTIÓN MEMORIA DE CACHÉ VIRTUAL PROCESOS E/S MONITOR DE SEGURIDAD

GESTIÓN DE OBJETOS

EJECUTIVO GESTIÓN CONFIGURACIÓN

VENTANAS Y GRÁFICOS

SUBPROCESOS DEL SISTEMA

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arquitectura de Windows NT

LPC

KERNEL

HAL (Hardware Abstraction Layer) HARDWARE Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arquitectura de Windows NT 

HAL (Hardware Abstraction Layer) – –

Es una librería dinámica de funciones (HAL.DLL). Dichas funciones permiten controlar diversas tareas relacionadas con el hardware:     

–

Diatel (UPM)

Gestión del DMA. Caché de datos e instrucciones. Errores hardware. Control de interrupciones. Gestión de los buses…

Independiza al resto de componentes del sistema operativo de la arquitectura hardware.

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arquitectura de Windows NT 

Kernel –

Se encarga de la gestión del procesador.  

–

–

–

Diatel (UPM)

Cambio del proceso en ejecución. Sincronización multiprocesador.

Se encarga de la gestión de interrupciones, excepciones y traps. Ofrece diferentes objetos necesarios en otros ámbitos del sistema operativo (temporizadores, mutexes, semáforos, etc.). Independiza al resto de componentes del sistema operativo de la arquitectura hardware (en especial del procesador). Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arquitectura de Windows NT 

Ejecutivo –

Se encarga de:        

–

Diatel (UPM)

realizar las operaciones de E/S, asignar y retirar zonas de memoria a los procesos, planificar la ejecución de los procesos, gestionar la caché de E/S, gestionar el mecanismo de comunicación entre procesos y elementos del sistema (LPC), gestionar objetos software (procesos, operaciones de E/S, permisos, etc.), verificar permisos y validar las operaciones a realizar y gestionar el registro del sistema (elemento que contiene la configuración del sistema operativo).

A los servicios del ejecutivo se accede empleando el NT Native API. Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arquitectura de Windows NT 

Ventanas y gráficos –

Se encarga de:   

–



gestionar dispositivos apuntadores y de entrada de datos, dar forma a los datos para presentación en pantalla y gestionar ventanas y gráficos en pantalla.

Se puede considerar que forma parte del ejecutivo del sistema.

Subprocesos del sistema –

Son subprocesos cuyo código se ejecuta siempre en modo kernel y que se encargan de:   

Diatel (UPM)

detectar que se ha insertado un disquete, analizar periódicamente el grado de ocupación de la memoria, etc. Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arquitectura de Windows NT 

NTDLL.DLL –



Subsistemas de entorno –

–

–



API de funciones que permiten acceder a los servicios del ejecutivo desde aplicaciones en modo usuario. Crean el entorno necesario para ejecutar en Windows NT aplicaciones desarrolladas para otros sistemas operativos (POSIX, OS/2, Windows 16 bits, Windows 32 bits, etc.). El subsistema Windows 32 bits está siempre arrancado porque lo precisan muchos elementos de Windows NT. El resto de subsistemas se arranca sólo si alguna aplicación lo demanda. Por cada sistema operativo simulado, existe una o varias librerías (DLLs) que establecen la relación entre las funciones del sistema operativo simulado y las de Windows NT (Windows 32 bits).

Aplicaciones de usuario – –

Diatel (UPM)

Programas de usuario tales como editores de texto, compiladores, clientes de correo electrónico, navegadores WEB, etc. Acceden a los servicios del sistema operativo a través de las librerías de subsistema de entorno. Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arquitectura de Windows NT 



Servicios –

Son procesos que ofrecen algún tipo de servicio a otros procesos locales o remotos.

–

No registran ninguna actividad mientras no reciban ninguna petición de un cliente.

Procesos del sistema –

Diatel (UPM)

Son procesos que forman parte del sistema operativo y que realizan tareas tales como: 

Autenticación de usuarios.



Gestión de servicios.



Administración de sesiones de trabajo de los usuarios.

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arranque de Windows NT A

Al encender el PC…

EJECUCIÓN DE LA BIOS: •TEST DE ARRANQUE. •EXTENSIONES DE BIOS. RISC

PROCESADOR ?

x86

LA BIOS LOCALIZA EL DISPOSITIVO DE ARRANQUE BUSCANDO UN SECTOR DE ARRANQUE.

C

DISQUETE

ARRANQUE?

LA BIOS CARGA EL SECTOR DE ARRANQUE (SECTOR 0, PISTA 0) Y LE TRANSFIERE LA EJECUCIÓN

B Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

DISCO DURO

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arranque de Windows NT x86 (Disco Duro) LA BIOS CARGA EL MBR Y LE TRANSFIERE LA EJECUCIÓN: •El Master Boot Record (MBR) se crea cuando se crea la primera partición. •Ocupa el cilindro 0, pista 0, sector 1. •Contiene la tabla de particiones y un pequeño programa ejecutable. EL MBR: •Comprueba la tabla de particiones. •Determina la partición de arranque en función del contenido de la tabla de particiones. •Carga en memoria el sector de arranque (primer sector de la partición de arranque) y le transfiere la ejecución. Un disco físico se puede dividir en varios discos “lógicos”: particiones. Cada partición ocupa varios cilindros consecutivos. Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arranque de Windows NT RISC

El firmware de una plataforma es el software de gestión de la misma contenido en una memoria de sólo lectura.

LA BIOS CARGA EL OSLOADER Y LE TRANSFIERE LA EJECUCIÓN. EN EL FIRMWARE Y EN LA NVRAM DE LA PLATAFORMA SE ENCUENTRA LA INFORMACIÓN SOBRE LA PARTICIÓN DE ARRANQUE Y LA UBICACIÓN DEL PROGRAMA OSLOADER.

EL OSLOADER: •Realiza las mismas funciones que NTLDR, NTDETECT.COM y BOOTSECT.DOS (BOOT.INI está en NVRAM). •No detecta el hardware. La información sobre el hardware instalado está registrado en el firmware.

NVRAM es memoria para lectura y escritura no volátil. Se puede implementar mediante memoria SRAM alimentada con baterías o con EEPROM. Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arranque de Windows NT B

SE ANALIZA EL SECTOR DE ARRANQUE PARA LOCALIZAR Y CARGAR EL FICHERO NTLDR. SE LE TRANSFIERE LA EJECUCIÓN.

PROCESADOR PASA A TRABAJAR EN 32 BITS.

ANTIGUO

SE CARGA SECTOR DE ARRANQUE ANTIGUO (BOOTSECT.DOS) Y SE LE TRANSFIERE LA EJECUCIÓN

NT

S.O. A CARGAR? (BOOT.INI)

SE DETECTA HARDWARE BÁSICO (NTDETECT.COM)

SE CARGAN DRIVERS BÁSICOS, NTOSKRNL.EXE Y HAL.DLL. SE TRANSFIERE EJECUCIÓN A NTOSKRNL.EXE.

SOFTWARE EN MODO KERNEL DEL S.O. (EJECUTIVO + KERNEL) Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

C

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Arranque de Windows NT C NTOSKRNL.EXE: •Programa las interrupciones y excepciones del sistema. •Inicializa controladores cargados en la fase anterior y carga e inicializa el resto. •Crea un proceso que es el encargado de crear el resto: •Crea subprocesos relacionados con la gestión del sistema operativo: •Gestión de la memoria. •Detección de disquete. •… •Administración de sesiones: SMSS.EXE: •Inicializaciones previas a la ejecución de cualquier programa de usuario. •Arranca subsistema de entorno WIN32 (CSRSS.EXE). •Crea el proceso WINLOGON.EXE ○ Se arrancan los servicios (SERVICES.EXE). ○ Se arranca el proceso encargado de la seguridad local (LSASS.EXE). ○ Se arranca la interfaz de usuario (USERINT.EXE). ● Se arranca el escritorio del usuario (EXPLORER.EXE).

Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Estructura de un disco Cabezas de lectura y escritura

Cilindro: agrupa a todas las pistas que están a la misma distancia del eje.

Sector: elemento en el que se divide una pista. Normalmente de 512 bytes.

Elementos de almacenamiento. Doble cara.

Pista de datos: coronas concéntricas de datos.

Diatel (UPM)

Autor: Vicente Hernández Díaz

Fundamentos y Arquitectura de Computadores. Curso 2010/2011

Bibliografía 

“A fondo la arquitectura de Windows NT” – –

David A. Solomon McGraw-Hill, 1999 



“Microsoft Windows NT 4.0 Workstation : kit de recursos” – –

Microsoft Corporation McGraw-Hill, 1997 



Capítulos 1 y 2

Capítulos 5, 17, 18 y 19

“Sistemas Operativos. 5ª Edición” – –

Abraham Silberschatz y Peter Baer Galvin Addison Wesley Longman, 1999 

Diatel (UPM)

Capítulos 1, 2 y 3

Autor: Vicente Hernández Díaz