Sistemas operativos panorama para la ingeniería en computación e informática

341 Pages·2015·18.334 MB·Spanish

by  Daniel Sol Llaven;

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en esta
edición
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l propósito principal de este texto es presentar de forma sencilla, clara y lo más completa
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que sea posible, la naturaleza y las características de los sistemas operativos modernos que
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se utilizan en computadoras personales, estaciones de trabajo o dispositivos móviles, como
C Android, iOS, Windows, Linux, entre otros. Sin duda, uno de los aspectos tecnológicos más
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M relevantes y con mayor presencia en la actualidad, y parte fundamental de la formación
Y académica de diversas carreras de ingeniería. s
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En Sistemas Operativos. Panorama para la ingeniería en computación e informática se o
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revisan y tratan con amplitud y sencillez los temas que conforman la mayoría de los progra-
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mas de estudio de las carreras de Ingeniería en Computación, Ingeniería en Sistemas e p Panorama para ingeniería
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Ingeniería Informática. e
K r en computación
Los sistemas operativos constituyen un elemento básico para la operación de los sistemas
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y el desarrollo de las aplicaciones, por lo que hoy día su estudio y tratamiento se establece e informática
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como un tema relevante e indispensable que la mayoría de las instituciones de educación
superior en el ramo de la ingeniería han decidido incorporar como parte integral en la i
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formación de los futuros ingenieros en una asignatura. El enfoque clásico del sistema ope-
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rativo como administrador de recursos, expuesto por autores como Andrew Tanenbaum,
Glenn Brookshear y William Stallings en los libros de su autoría, permea en contenidos de
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este valioso texto.
EMPRESA DEL GRUPO
www.editorialpatria.com.mx
Sistemas
operativos
Panorama para la Ingeniería
en Computación e Informática
Ing. Daniel Sol Llaven
Universidad Nacional Autónoma de México
México, 2015
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info editorialpatria.com.mx
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Dirección editorial: Javier Enrique Callejas
Coordinadora editorial: Estela Delfín Ramírez
Supervisor de preprensa: Gerardo Briones González
Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís/Signx
Ilustraciones: Adrián Zamorategui Berber
Fotografías: © Thinkstockphoto
Revisión técnica: Jorge Cortés Galicia
Instituto Politécnico Nacional
Laura Sandoval Montaño
Universidad Nacional Autónoma de México
Sistemas operativos. Panorama para la Ingeniería en Computación e Informática
Derechos reservados:
© 2015, Daniel Sol Llaven
© 2015, Grupo Editorial Patria, S.A. de C.V.
Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca
Azcapotzalco, México D. F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industrial Editorial Mexicana
Registro Núm. 43
ISBN ebook: 978-607-744-267-7
Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido
de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas,
sin el consentimiento previo y por escrito del editor.
Impreso en México
Printed in Mexico
Primera edición ebook: 2015
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Dedicado a mi familia, por hacerme quien soy; y a mis
colegas, por todo lo que he aprendido de ustedes.
Y, por supuesto, mil gracias a todo el equipo editorial y
revisores por el apoyo para realizar este esfuerzo.
Daniel Sol
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Contenido
Estructura del libro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Capítulo 1
Introducción al estudio de los sistemas operativos . . . . . 3
1.1 Definiciones ..................................... 4
2.2 Evolución histórica ................................ 6
Etapa 0. Computadoras de propósito particular.............. 7
Etapa 1. Computadoras comerciales monoproceso ........... 7
Etapa 2. Multiproceso................................... 9
Etapa 3. Cómputo personal .............................. 11
Etapa 4. Masificación de la Internet ....................... 14
Etapa 5. Cómputo ubicuo................................ 14
Etapa 6. Internet de cosas................................ 15
Tendencias............................................ 15
1.3 Clasificación de los sistemas operativos ............... 17
Sistemas monolíticos y micro kernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Propietarios y software libre.............................. 17
Según la administración de procesos ...................... 18
Evaluación........................................... 19
Capítulo 2
Generalidades de sistemas operativos . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 Estructura de un sistema operativo ................... 22
Núcleo o kernel del sistema operativo...................... 24
2.2 Arquitecturas de sistemas operativos de referencia ...... 25
Linux................................................. 25
Windows ............................................. 27
Android .............................................. 30
Mac OS X............................................. 31
2.3 Modos de protección............................... 33
2.4 Funciones y características .......................... 35
2.5 Mecanismos de comunicación entre procesos (IPC) ..... 36
Evaluación........................................... 36
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vi Contenido
Capítulo 3
Administración de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Introducción...................................... 41
3.2 Modelo de procesos................................ 42
Modo de usuario y modo de sistema (o protegido)........... 43
Ciclo de vida de un proceso.............................. 45
Creación de un proceso ................................. 45
Estados durante la ejecución ............................. 46
Terminación de la ejecución.............................. 47
Implementación de procesos............................. 49
3.3 Principios generales de concurrencia.................. 51
Bloqueos.............................................. 53
Condiciones de carrera.................................. 55
Región crítica.......................................... 58
Barreras de sincronización ............................... 59
Deadlock o interbloqueo ................................ 59
Prevención y formas de evitar interbloqueos ................ 60
Detección............................................. 63
Predicción ............................................ 64
Sincronización de procesos .............................. 64
Semáforos ............................................ 65
Calificador en Java ...................... 72
synchronize
3.4 Comunicación entre procesos ....................... 76
Señales............................................... 76
Alarmas .............................................. 77
Pipes................................................. 78
Mecanismos de System V................................ 81
Jerarquías de procesos y protección........................ 84
Conceptos básicos de planificación de procesos ............. 89
3.5 Algoritmos de planificación de procesos............... 92
Planificación por lotes (Batch) ............................ 92
Multiprogramación por lotes (Multiprogrammed Batching).... 93
Primero en llegar primero en ser atendido (First In First Out,
FIFO) .............................................. 93
Trabajo más corto a continuación (Shortest Job Next)......... 94
Tiempo compartido (Time share) o interactivos.............. 95
Tiempo real (Real Time) ................................. 98
Distribuido............................................ 100
Embebido (Embedded).................................. 102
Evaluación .......................................... 104
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Contenido vii
Capítulo 4
Administración de memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1 Introducción...................................... 108
Datos ................................................ 108
Información........................................... 109
Conocimiento ......................................... 109
Máquina universal de Turing ............................. 109
Memoria de computadora ............................... 110
4.2 Organización de la memoria ........................ 110
4.3 Objetivos: Memoria ideal ........................... 111
4.4 Distribución de tipos de memoria .................... 112
Objetivos de la administración de la memoria............... 113
Funciones y operaciones del administrador de memoria ...... 115
Administración de memoria para multiprogramación......... 116
Administración de memoria libre ......................... 120
Memoria virtual........................................ 122
Administración por paginación ........................... 123
Aspectos de diseño para sistemas ......................... 125
Translation Lookaside Búfer (TLB) ........................ 126
Tablas multinivel o jerárquicas............................ 127
Arreglos asociativos de páginas o tablas invertidas . . . . . . . . . . . 129
Liberación de páginas................................... 131
Tamaño de páginas..................................... 132
Algoritmos de reemplazo de páginas ...................... 133
Paginación por demanda ................................ 133
Hiperpaginación ....................................... 141
Intercambio (Swap)..................................... 141
Sistemas híbridos ...................................... 142
Amenazas y protección.................................. 143
Administración de memoria en diversos sistemas operativos... 144
Windows ............................................. 147
Android .............................................. 149
Evaluación .......................................... 150
Capítulo 5
Administración de los dispositivos de entrada y salida . . 153
5.1 Introducción...................................... 154
5.2 Arquitecturas físicas................................ 155
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viii Contenido
Familias de dispositivos ................................. 155
5.3 Comunicación interna.............................. 159
Integrado al procesador ................................. 160
Mapeo a memoria...................................... 160
Controlado por software (Programmed I/O) ................ 162
Usando interrupciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Direct Memory Access (DMA)............................ 163
5.4 Mecanismos y funciones de los manejadores
de dispositivos.................................. 164
Objetivos del software de E/S ............................ 165
Organización de las capas del software de E/S............... 166
5.4 Interfaz con aplicaciones............................ 168
Interfaz de programación................................ 168
Control de errores...................................... 169
5.5 Administración de entradas y salidas.................. 170
Exponer funcionalidad común de la familia de dispositivos.... 171
Implementar la interfaz hacia los controladores de dispositivos.. 171
Almacenamiento temporal de resultados y adecuación
del tamaño del bloque ................................ 172
Protección y asignación de recursos ....................... 173
Carga dinámica de los controladores....................... 173
Administración de potencia.............................. 173
5.6 Controladores de dispositivos ....................... 173
5.7 Interfaz con el hardware............................ 175
Manejo de interrupciones................................ 175
Abstracción de hardware ................................ 177
5.8 Operaciones de dispositivos de entrada/salida.......... 178
Operaciones comunes .................................. 178
Operaciones síncronas y asíncronas ....................... 179
5.9 Estructuras de datos para manejo de dispositivos....... 179
Empaquetado de las solicitudes de entrada y salida .......... 180
Jerarquías de representación de los dispositivos ............. 182
Interacción con el controlador del dispositivo ............... 187
Dispositivos virtuales ................................... 187
Evaluación .......................................... 188
Capítulo 6
Administración de sistemas de archivos . . . . . . . . . . . . . . 191
6.1 Introducción...................................... 192
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Contenido ix
6.2 Objetivos de un sistema de archivos .................. 193
Almacenar grandes volúmenes de información.............. 194
La información debe sobrevivir al proceso que la creó ........ 194
Múltiples procesos deben poder acceder la información
de manera concurrente................................ 194
Proporcionar acceso a la información ...................... 195
Control de acceso ...................................... 195
6.3 Componentes de un sistema de archivos .............. 196
Organización lógica .................................... 196
6.4 Organización física de archivos ...................... 202
Cintas magnéticas...................................... 202
Discos magnéticos...................................... 204
Discos ópticos ......................................... 205
Discos RAM........................................... 207
Memorias flash ........................................ 208
6.5 Mecanismos de acceso a los archivos ................. 211
Tablas de ubicación de archivos........................... 211
FAT.................................................. 211
Nodos-i .............................................. 212
6.6 Seguridad en sistemas de archivos.................... 213
Mecanismos de protección............................... 214
Dominios de protección ................................. 215
Formato de programas, código ELF, PE y Mach-O ........... 218
Firmas de componentes ................................. 219
MBR ................................................. 219
6.7 Manejo de espacio en memoria secundaria ............ 220
Respaldo y mecanismos de recuperación en caso de falla...... 221
RAID................................................. 224
Respaldos............................................. 229
6.8 Programación para usar sistemas de archivos........... 230
Tipos de interfaz ....................................... 230
API de programación ................................... 230
Llamadas al sistema (system calls) ........................ 231
Flujos de información. Streams y pipelines.................. 232
Evaluación........................................... 233
Capítulo 7
Sistemas distribuidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7.1 Introducción...................................... 238
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