El sistema operativo: una máquina virtual

2.1.  Mecanismos directos (traps, excepciones e interrupciones)


Hay tres mecanismos básicos mediante los cuales se puede transferir la ejecu-
ción al sistema operativo:


•  Llamadas￿al￿sistema￿operativo (también llamadas system calls o traps): las
    llamadas al sistema son provocadas por las aplicaciones de usuario cuando
    piden un servicio al sistema operativo. En un punto concreto del código
    de usuario se hace una transferencia explícita del control al sistema ope-
    rativo mediante la ejecución de la instrucción del lenguaje máquina que
    permite hacerlo (en el caso de los procesadores Intel es la instrucción int).
    Desde este punto de vista, son acontecimientos síncronos. También pue-
    den recibir el nombre de interrupciones de software. El sistema operativo
    define cuáles son los parámetros de entrada y de salida de cada llamada al
    sistema, así como la forma de pasar estos parámetros (por registros o por
    la pila, entre otros).


•  Interrupciones: las interrupciones son provocadas por los dispositivos del
    hardware cuando quieren informar de algún cambio de estado (por ejem-
    plo, la pulsación de una tecla o la finalización de una operación de entra-
    da/salida). Normalmente, son éxitos asíncronos ajenos al proceso en eje-
    cución. Típicamente reciben el nombre de interrupciones hardware.


•  Excepciones: las excepciones se producen cuando el hardware detecta al-
    gún tipo de anomalía. Por ejemplo, si el procesador está ejecutando la ins-
    trucción de lenguaje máquina dividir y el denominador tiene el valor 0,
    el procesador genera una excepción porque esta operación no está defini-
    da. Las excepciones son rupturas de secuencia no previstas; de hecho son
    interrupciones, pero provocadas directamente por la ejecución del código
    mismo del usuario en curso.


A pesar de estas diferencias, el tratamiento que reciben estos acontecimientos
es muy similar:


•  Salvar￿el￿estado￿del￿proceso￿de￿usuario￿en￿ejecución: en el momento de
    producirse el acontecimiento que causa la llamada al sistema / interrup-
    ción / excepción, lo más probable es que haya algún proceso de usuario

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    en ejecución. Con el fin de poder ejecutar la rutina de atención del siste-
    ma operativo, hay que detener la ejecución de este proceso de usuario.
    Ahora bien, lo más probable es que, una vez ejecutada esta rutina, haya
    que reanudar la ejecución del proceso. Para poder hacerlo, hay que salvar
    el estado del proceso (contenido de los registros del procesador, por ejem-
    plo) y "tomar una foto" del proceso, de forma que más adelante éste pueda
    continuar su ejecución como si nada hubiera pasado.


•  Determinar￿qué￿rutina￿del￿sistema￿operativo￿tiene￿que￿tratar￿este￿acon-
    tecimiento: existen diversas alternativas para realizar esta determinación.
    Linux resuelve este problema en tiempo de ejecución (cada vez que se pro-
    duce un trap/interrupción/excepción) mediante un vector de interrupcio-
    nes que almacena en cada posición una posición de memoria, que es la
    posición donde se encuentra el comienzo de la rutina de atención asocia-
    da a aquella interrupción.
    Cada posible excepción e interrupción tiene asociada una posición fija
    de este vector. Cuando se produce una interrupción o una excepción, el
    hardware consulta la entrada correspondiente del vector de interrupciones
    y determina adónde se tiene que transferir el control.
    El caso de las llamadas al sistema es ligeramente diferente. Como el núme-
    ro de llamadas al sistema ofrecidas por un sistema operativo puede ser muy
    grande (337 en el caso de la versión 2.6.32 de Linux), se ha optado por
    un mecanismo híbrido hardware-software. Todas las llamadas al sistema
    tienen asociada la misma entrada del vector de interrupciones (la 0x80);
    la rutina de atención en el trap 0x80 es la que determina adónde hay que
    transferir el control en función de un registro del procesador que contiene
    el identificador de llamada al sistema que se quiere ejecutar.


•  Ejecutar￿la￿rutina￿de￿atención: se transfiere el control a la rutina del sis-
    tema operativo asociada a este acontecimiento.
    –    En el caso de las llamadas al sistema, esta rutina implementará el ser-
         vicio pedido por el usuario (por ejemplo, leer del teclado o ejecutar
         un programa).


    –    En el caso de las interrupciones, la rutina de atención actúa en con-
         secuencia (por ejemplo, si se ha pulsado una tecla, guarda el carácter
         leído en una memoria intermedia o, si ha finalizado una lectura de
         disco, informa al proceso que lo estaba esperando).


    –    En el caso de las excepciones, la rutina de atención intentará solucio-
         nar el problema. A partir de aquí no se puede generalizar, ya que a
         veces el sistema puede solucionar el problema y a veces no queda más
         alternativa que abortar la ejecución del proceso.


•  Continuar￿la￿ejecución￿de￿un￿proceso￿de￿usuario: en algunos casos será
    el mismo que estaba en ejecución antes de producirse el acontecimiento,

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    mientras que en otros casos será otro proceso. Para hacerlo, hay que restau-
    rar el estado (que previamente ha sido salvado) y continuar su ejecución.


Aunque estos mecanismos puedan recordar las rutinas convencionales (hay
que salvar el estado, se produce una ruptura de la secuenciación implícita),
existen unas diferencias muy importantes:


•    El código de la rutina de atención en los traps/interrupciones/excepciones
    no forma parte de los ejecutables de usuario, sino que forma parte del
    núcleo del sistema operativo.


•    La dirección de memoria donde se encuentra el código de la rutina de
    atención se determina en tiempo de ejecución (en el caso de las rutinas
    convencionales, la dirección de la rutina es un parámetro de la instrucción
    de lenguaje máquina que invoca una rutina).


•    Otra diferencia tiene que ver con el modo de ejecución y la veremos más
    adelante en este módulo. Todas estas rutinas de atención forman parte del
    núcleo del sistema operativo y tienen acceso completo al hardware; en
    cambio, las rutinas escritas por el usuario no tendrán acceso a determina-
    das partes del hardware.