Conceptes Fonamentals de Sistemes Operatius: DMA, Memòria i Processos

Acceso Directo a Memoria (DMA)

El acceso directo a memoria (DMA, del inglés Direct Memory Access) permite a cierto tipo de componentes de ordenador acceder a la memoria del sistema para leer o escribir independientemente de la CPU principal. Muchos sistemas hardware utilizan DMA, incluyendo controladores de unidades de disco, tarjetas gráficas y tarjetas de sonido.

DMA es una característica esencial en todos los ordenadores modernos, ya que permite a dispositivos de diferentes velocidades comunicarse sin someter a la CPU a una carga masiva de interrupciones.

Una transferencia DMA consiste principalmente en copiar un bloque de memoria de un dispositivo a otro. En lugar de que la CPU inicie la transferencia, esta se lleva a cabo por el controlador DMA.

Conceptes de Jerarquia de Memòria

Taxa d’Encerts (Hit Ratio - Hr)

• La taxa d’encerts del nivell k és la probabilitat de trobar la informació cercada en el nivell k.
• La Taxa de falles és Tf_k = 1 - Hr_k.

Mitjana del Temps d’Accés Efectiu (Taf)

La mitjana del Temps d’accés efectiu (Taf) d’un programa es calcula fent la mitjana dels temps de tots els accessos a memòria que realitza durant la seva execució. Es pot calcular com:

Taf = Ta + (1 - Hr)Pf

• Ta és el temps en cas d’encert.
• Pf és la penalització per falla.
• Hr és la taxa d’encert.

Altres Aspectes a Considerar

Coherència

Existeixen vàries còpies de la mateixa informació en diferents nivells i poden no coincidir. En sistemes multiprocessador, poden usar-se diferents memòries del mateix nivell, cosa que ho complica més.

Adreçament

Dins cada nivell es manegen adreces diferents per a la mateixa informació; caldrà usar un sistema de traducció d’adreces.

Proximitat Referencial

Els sistemes de jerarquia de memòria funcionen degut a la proximitat espacial i temporal dels accessos a memòria. Això genera el que es coneix com a conjunt de treball.

Mandatos i Crides al Sistema

Els mandatos són executats pels usuaris i les crides al sistema són realitzades pels processos que s'estan executant en el sistema operatiu.

Planificació de Processos

Planificació No Apropiativa

Si un cop se li ha assignat la CPU a un procés, ja no se li pot retirar.

• Avantatges: És més fàcil predir els temps de resposta.
• Inconvenients: Els treballs llargs fan esperar als curts.

Planificació Apropiativa

Si es pot retirar la CPU a un procés mentre està en execució.

• Avantatges: Útil en sistemes on els processos d'alta prioritat requereixen atenció ràpida; permeten obtenir temps de resposta acceptable.
• Inconvenients: Comporten un cost degut a l'intercanvi de context; requereixen sobrecàrrega degut a la necessitat de mantenir en memòria principal programes que no s'estan executant.

Planificador a Llarg Termini

Controla el grau de multiprogramació: conjunt de processos residents simultàniament en memòria i executables concurrentment. Selecciona processos de la cua on esperen els que s'han de carregar en memòria. Només s'executa cada vegada que finalitza un procés.

Planificador a Curt Termini

Selecciona un procés de la cua de preparats i l'assigna a la CPU. S'executa molt sovint: cada canvi de procés.

Estats d'un Procés

• Execució: El procés té un processador assignat i, efectivament, executa instruccions. Només un procés per processador presenta aquest estat.
• Preparat: No té processador assignat i es troba en espera. Més d'un procés pot presentar aquesta situació.
• Bloquejat: El procés no pot executar-se, està en espera d'algun tipus d'esdeveniment, com per exemple, finalitzar una operació d'E/S o comunicar amb un altre procés.
• Nou: Procés creat però encara no admès.
• Acabat: Procés eliminat de la llista d'executables.

Transicions entre Estats (Creació i Finalització)

• Nul --> Nou: Es crea un nou procés per executar un programa.
• Nou --> Preparat: El sistema accepta nous processos.
• Preparat --> Execució: El procés és seleccionat i assignat a un processador.
• Execució --> Acabat: El procés és eliminat del sistema, bé perquè ha acabat o per haver avortat la seva execució.
• Execució --> Preparat: S'ha exhaurit el temps d'execució continuada, entra un procés de major prioritat, o cedeix voluntàriament el control del processador.

Transicions entre Estats (Espera i Forçades)

• Execució --> Bloquejat: Cal algun esdeveniment per poder continuar amb l'execució (crida a sistema, E/S, etc.).
• Bloquejat --> Preparat: L'esdeveniment pel qual esperava s'ha produït.
• Preparat --> Acabat: Algun procés diferent força l'acabament (per exemple, el procés pare decideix la finalització del fill).
• Bloquejat --> Acabat: Igual que a la transició anterior.