Fundamentos Esenciales de Sistemas Operativos, Arquitectura CPU y Lógica Digital

Conceptos Fundamentales de Procesos en Sistemas Operativos

Definición de Proceso

• Un proceso es un programa en ejecución.
• Contenido del Proceso:
  • Código ejecutable.
  • Datos.
  • Pila (Stack).
  • Registros de la CPU.
  • Archivos abiertos.
• El Sistema Operativo (SO) almacena la información del proceso en la Tabla de Control de Procesos (PCB).

Espacio de Direcciones

• Es el rango de memoria que un proceso puede utilizar (desde 0 hasta el máximo permitido).
• Componentes del Espacio:
  • Programa (código).
  • Datos.
  • Pila.
• Cada proceso posee su propio espacio de direcciones, el cual está protegido del resto de procesos.

Estados de un Proceso

Los estados típicos por los que transita un proceso son:

• Nuevo
• Listo
• Ejecutando
• Bloqueado
• Terminado

Jerarquía de Procesos (Padre e Hijo)

• Un proceso puede crear procesos hijos.
• Esta relación se estructura en forma de árbol.
• El proceso hijo hereda el UID (User ID) del proceso padre.

Suspensión de Procesos

Al detenerse temporalmente un proceso, el SO realiza las siguientes acciones para permitir su reanudación:

• Se guardan los registros de la CPU.
• Se almacena el Contador de Programa.
• Se guardan los apuntadores relevantes.

Esto permite que el proceso pueda continuar exactamente donde se quedó.

(Referencia: Pág. 4)

Fundamentos de Compuertas Lógicas

Compuerta AND (A · B)

• La salida es 1 solo si TODAS las entradas son 1.

1 AND 1 = 1

Compuerta OR (A + B)

• La salida es 1 si AL MENOS una entrada es 1.

Compuerta NOT

• Invierte el valor de la entrada.

1 → 0
0 → 1

Compuerta NAND

• Es la negación de la operación AND.
• Solo produce una salida 0 cuando todas las entradas son 1.

Compuerta NOR

• Es la negación de la operación OR.
• Produce una salida 1 solo si todas las entradas son 0.

Compuerta XOR (OR Exclusiva)

• Produce una salida 1 cuando las entradas son DIFERENTES.

Compuerta XNOR (NOR Exclusiva)

• Produce una salida 1 cuando las entradas son IGUALES.

Algoritmos de Planificación del CPU (Scheduling)

FIFO (First In First Out)

• El proceso que llega primero es el primero en ejecutarse.
• ❌ Desventaja: Procesos largos bloquean a los cortos.
• ❌ Desventaja: Mala respuesta interactiva.

Round Robin (RR)

• Cada proceso recibe un tiempo máximo de ejecución llamado quantum.
• Si el proceso no termina, vuelve al final de la cola de listos.
• ✔ Ventaja: Ideal para sistemas de tiempo compartido.
• El quantum típico es de aproximadamente 100 ms.

SJF (Shortest Job First)

• Ejecuta el proceso con la ráfaga de CPU más corta.
• ✔ Ventaja: Proporciona el menor tiempo de espera promedio.
• ❌ Desventaja: Es un algoritmo no apropiativo (generalmente).
• ❌ Desventaja: Requiere saber la duración futura del proceso.

SRT (Shortest Remaining Time)

• Es la versión apropiativa de SJF.
• Puede interrumpir procesos si llega uno con un tiempo restante menor.
• ❌ Desventaja: Genera mayor sobrecarga (overhead).

HRN (Highest Response Ratio Next)

• Algoritmo que calcula la prioridad basándose en el tiempo de espera y el tiempo de servicio.
• Fórmula de Prioridad: $P = \frac{\text{Tiempo espera} + \text{Tiempo servicio}}{\text{Tiempo servicio}}$
• Reduce la inanición (starvation) de procesos largos.

Planificación por Prioridades

• Ejecuta el proceso que posea la mayor prioridad asignada.
• Riesgo principal: Inanición (los procesos de baja prioridad nunca se ejecutan).
• A menudo se combina con el algoritmo Round Robin (RR).

Colas Multinivel con Retroalimentación (Multilevel Feedback Queue)

• Utiliza varias colas, cada una con diferentes prioridades.
• Si un proceso utiliza mucho CPU, baja de nivel (disminuye su prioridad).
• ✔ Ventaja: Es un modelo muy usado en sistemas operativos modernos.

Arquitectura de la CPU y Ciclos de Ejecución

Componentes Internos de la CPU

• ALU (Arithmetic Logic Unit): Encargada de realizar operaciones aritméticas y lógicas.
• Unidad de Control: Coordina la secuencia de ejecución de las instrucciones.
• Registros: Almacenamiento de acceso rápido a datos.

El Ciclo de Instrucción

Secuencia fundamental para procesar una instrucción:

1. Fetch (Búsqueda de la instrucción)
2. Decode (Decodificación de la instrucción)
3. Execute (Ejecución de la operación)
4. Write Back (Escritura del resultado)

Diferencia entre Ciclo de CPU y Ciclo de Instrucción

• Ciclo de CPU: Corresponde a un único pulso de reloj.
• Ciclo de Instrucción: Generalmente requiere varios ciclos de CPU para completarse.

Conceptos de Microarquitectura

• Pipeline (Tubería): Técnica para ejecutar varias instrucciones en diferentes etapas simultáneamente.
• Caché: Memoria rápida que almacena datos de uso frecuente.
• Predicción de Saltos: Mecanismo para adivinar el flujo de ejecución en instrucciones condicionales.
• Unidades de Ejecución: Componentes que realizan las operaciones (ej. ALU).

ISA (Instruction Set Architecture)

• Define el lenguaje de máquina que la CPU es capaz de entender y ejecutar.
• Ejemplos: x86, ARM, RISC-V.

Hardware Fundamental y Modos de Operación del Sistema

Componentes Básicos de una Computadora

• CPU
• Memoria Principal
• Dispositivos de E/S (Entrada/Salida)
• Bus del Sistema
• Controladores

Registros Clave del Sistema

• PC (Program Counter): Contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.
• SP (Stack Pointer): Apuntador a la cima de la pila (stack).
• PSW (Program Status Word): Almacena el estado actual del programa.

Modos de Ejecución del CPU

• Modo Usuario: Ejecución limitada; no puede acceder directamente a recursos críticos.
• Modo Kernel (o Supervisor): Acceso total a todos los recursos del sistema.
• El cambio entre modos se realiza mediante Llamadas al Sistema (System Calls).

Llamadas al Sistema (System Calls)

• Mecanismo que permite a los programas de usuario solicitar servicios al Sistema Operativo (SO).
• Provocan un cambio de modo de usuario a modo kernel.

Técnicas de Paralelismo en CPU

• Pipeline: Permite procesar varias instrucciones en diferentes etapas de forma solapada.
• Superescalar: Arquitectura que utiliza múltiples unidades de ejecución, permitiendo iniciar varias instrucciones en el mismo ciclo de reloj.