Sistemas Operativos
Unidad 1: Introducción a los Sistemas Operativos.
Índice:
- Definición y concepto.
- Funciones y características.
- Evolución histórica.
- Clasificación.
- Estructura: niveles o estratos de diseño.
- Núcleo.
1. Definición y concepto.
El sistema operativo es el principal programa que se ejecuta en toda computadora de propósito general. Los hay de todo tipo, desde muy simples hasta terriblemente complejos, y entre más casos de uso hay para el cómputo en la vida diaria, más variedad habrá en ellos.
A lo largo del presente texto, no se hace referencia al sistema operativo como lo ve o usa el usuario final, o como lo vende la mercadotecnia — el ambiente gráfico, los programas que se ejecutan en éste, los lenguajes de programación en los cuales están desarrollados y en que más fácilmente se puede desarrollar para ellos, e incluso el conjunto básico de funciones que las bibliotecas base ofrecen son principalmente clientes del sistema operativo — se ejecutan sobre él, y ofrecen sus interfaces a los usuarios (incluidos, claro, los desarrolladores). La diferencia en el uso son sólo –cuando mucho– consecuencias del diseño de un sistema operativo. Más aún, con el mismo sistema operativo –como pueden constatarlo comparando dos distribuciones de Linux, o incluso la forma de trabajo de dos usuarios en la misma computadora– es posible tener entorno operativos completamente disímiles.
2. Funciones y características.
El sistema operativo es el único programa que interactúa directamente con el hardware de la computadora. Sus funciones primarias son:
- Abstracción: Los programas no deben tener que preocuparse de los detalles de acceso a hardware, o de la configuración particular de una computadora. El sistema operativo se encarga de proporcionar una serie de abstracciones para que los programadores puedan enfocarse en resolver las necesidades particulares de sus usuarios. Un ejemplo de tales abstracciones es que la información está organizada en archivos y directorios (en uno o muchos dispositivos de almacenamiento).
- Administración de recursos: Una sistema de cómputo puede tener a su disposición una gran cantidad de recursos (memoria, espacio de almacenamiento, tiempo de procesamiento, etc.), y los diferentes procesos que se ejecuten en él compiten por ellos. Al gestionar toda la asignación de recursos, el sistema operativo puede implementar políticas que los asignen de forma efectiva y acorde a las necesidades establecidas para dicho sistema.
- Aislamiento: En un sistema multiusuario y multitarea cada proceso y cada usuario no tendrá que preocuparse por otros que estén usando el mismo sistema —Idealmente, su experiencia será la misma que si el sistema estuviera exclusivamente dedicado a su atención (aunque fuera un sistema menos poderoso). Para implementar correctamente las funciones de aislamiento hace falta que el sistema operativo utilice hardware específico para dicha protección.
3. Evolución histórica.
No se puede comenzar a abordar el tema de los sistemas operativos sin revisar brevemente su desarrollo histórico. Esto no sólo permitirá comprender por qué fueron apareciendo determinadas características y patrones de diseño que se siguen empleando décadas más tarde, sino, adecuar un sistema a un entorno cambiante, por mejor diseñado que éste estuviera, lleva casi inevitablemente a abrir espacios de comportamiento no previsto el espacio más propicio para que florezcan los fallos. Conocer los factores que motivaron a los distintos desarrollos puede ayudar a prever y prevenir problemas.
- Proceso por lotes (batch processing): Los antecedentes a lo que hoy se conoce como sistema operativo pueden encontrarse en la automatización inicial del procesamiento de diferentes programas, surgida en los primeros centros de cómputo: cuando en los años cincuenta aparecieron los dispositivos perforadores/lectores de tarjetas de papel, el tiempo que una computadora estaba improductiva esperando a que estuviera lista una tarea (como se designaba a una ejecución de cada determinado programa) para poder ejecutarla disminuyó fuertemente ya que los programadores entregaban su lote de tarjetas perforadas (en inglés, batches) a los operadores, quienes las alimentaban a los dispositivos lectores, que lo cargaban en memoria en un tiempo razonable, iniciaban y monitoreaban la ejecución, y producían los resultados.
- Sistemas en lotes con dispositivos de carga (spool): Una mejora natural a este último punto fue la invención del spool: un mecanismo de entrada/salida que permitía que una computadora de propósito específico, mucho más económica y limitada, leyera las tarjetas y las fuera convirtiendo a cinta magnética, un medio mucho más rápido, teniéndola lista para que la computadora central la cargara cuando terminara con el trabajo anterior. Del mismo modo, la computadora central guardarba sus resultados en cinta para que equipos especializados la leyeran e imprimieran para el usuario solicitante. La palabra spool (bobina) se tomó como acrónimo inverso hacia Simultaneous Peripherial Operations On-Line, operación simultánea de periféricos en línea.
- Sistemas multiprogramados: A lo largo de su ejecución, un programa normalmente pasa por etapas con muy distintas características: durante un ciclo fuertemente dedicado al cálculo numérico, el sistema opera limitado por el CPU (CPU-bound), mientras que al leer o escribir resultados a medios externos (incluso mediante spools) el límite es impuesto por los dispositivos, esto es, opera limitado por entrada-salida (I-O bound). La programación multitareas o los sistemas multiprogramados buscaban maximizar el tiempo de uso efectivo del procesador ejecutando varios procesos al mismo tiempo. El hardware requerido cambió fuertemente. Si bien se esperaba que cada usuario fuera responsable con el uso de recursos, resultó necesario que apareciera la infraestructura de protección de recursos: un proceso no debe sobreescribir el espacio de memoria de otro (ni el código, ni los datos), mucho menos el espacio del monitor. Esta protección se encuentra en la Unidad de Manejo de Memoria (MMU), presente en todas las computadoras de uso genérico desde los años noventa. Ciertos dispositivos requieren bloqueo para ofrecer acceso exclusivo/único: cintas e impresoras, por ejemplo, son de acceso estrictamente secuencial, y si dos usuarios intentaran usarlas al mismo tiempo, el resultado para ambos se corrompería. Para estos dispositivos, el sistema debe implementar otros spools y mecanismos de bloqueo.
- Sistemas de tiempo compartido: El modo de interactuar con las computadoras se modificó drásticamente durante los años sesenta, al extenderse la multitarea para convertirse en sistemas interactivos y multiusuarios, en buena medida diferenciados de los anteriores por la aparición de las terminales (primero teletipos seriales, posteriormente equipos con una pantalla completa como se conocen hasta hoy). En primer término, la tarea de programación y depuración del código se simplificó fuertemente al poder hacer el programador directamente cambios y someter el programa a la ejecución inmediata. En segundo término, la computadora nunca más estaría simplemente esperando a que esté listo un progama: mientras un programador editaba o compilaba su programa, la computadora seguía calculando lo que otros procesos requirieran. Un cambio fundamental entre el modelo de multiprogramación y de tiempo compartido es el tipo de control sobre la multitarea.
a. Multitarea cooperativa o no apropiativa (Cooperative multitasking). La implementaron los sistemas multiprogramados: cada proceso tenía control del CPU hasta que éste hacía una llamada al sistema (o indicara su disposición a cooperar por medio de la llamada yield: ceder el paso). Un cálculo largo no era interrumpido por el sistema operativo, en consecuencia un error de programador podía congelar la computadora completa.
b. Multitarea preventiva o apropiativa (Preemptive multitasking). En los sistemas de tiempo compartido, el reloj del sistema interrumpe periódicamente a los diversos procesos, transfiriendo forzosamente el control nuevamente al sistema operativo. Éste puede entonces elegir otro proceso para continuar la ejecución.
4. Clasificación.
Existen diversas clasificaciones de los sistemas operativos, la más común es por lo servicios que ofrecen al usuario final:
- Sistemas operativos monousuarios.
Los sistemas operativos monousuarios son aquellos que soportan a un usuario a la vez, sin importar el número de procesadores que tenga la computadora o el número de procesos o tareas que el usuario pueda ejecutar en un mismo instante de tiempo. Las computadoras personales típicamente se han clasificado en este renglón.
- Sistemas operativos multiusuarios.
Los sistemas operativos multiusuarios son capaces de dar servicio a más de un usuario a la vez, ya sea por medio de varias terminales conectadas a la computadora o por medio de sesiones remotas en una red de comunicaciones. No importa el número de procesadores en la máquina ni el número de procesos que cada usuario puede ejecutar simultáneamente.
- Sistemas operativos monotareas.
Los sistemas monotarea son aquellos que sólo permiten una tarea a la vez por usuario. Puede darse el caso de un sistema multiusuario y monotarea, en el cual se admiten varios usuarios al mismo tiempo pero cada uno de ellos puede estar haciendo solo una tarea a la vez.
- Sistemas operativos multitareas.
Un sistema operativo multitarea es aquél que le permite al usuario estar realizando varias labores al mismo tiempo. Por ejemplo, puede estar editando el código fuente de un programa durante su depuración mientras compila otro programa, a la vez que está recibiendo correo electrónico. Es común encontrar en ellos interfaces gráficas orientadas al uso de menús y el ratón, lo cual permite un rápido intercambio entre las tareas para el usuario, mejorando su productividad.
- Sistemas operativos uniproceso.
Un sistema operativo uniproceso es aquél capaz de manejar solamente un procesador de la computadora, de manera que si la computadora tuviese más de uno le sería inútil. El ejemplo más típico de este tipo de sistemas es el DOS y MacOS.
- Sistemas operativos multiproceso.
Un sistema operativo multiproceso se refiere al número de procesadores del sistema, que es más de uno y éste es capaz de usarlos todos para distribuir su carga de trabajo. Generalmente estos sistemas trabajan de dos formas: simétrica o asimétricamente. Cuando se trabaja de manera asimétrica, el sistema operativo selecciona a uno de los procesadores el cual jugará el papel de procesador maestro y servirá como pivote para distribuir la carga a los demás procesadores, que reciben el nombre de esclavos. Cuando se trabaja de manera simétrica, los procesos o partes de ellos son enviados indistintamente a cualquiera de los procesadores disponibles, teniendo, teóricamente, una mejor distribución y equilibrio en la carga de trabajo bajo este esquema.
5. Estructura: niveles o estratos de diseño.
Se considera la organización interna del sistema operativo y para ello debemos observar dos tipos de requisitos:
Requisitos del usuario:
- Sistema fácil de usar y aprender
- Seguro
- Rápido
- Adecuado al uso al que se quiere destinar
Requisitos de software:
- Mantenimiento
- Forma de operación
- Restricciones de uso
- Eficiencia
- Tolerancia frente a errores
- Flexibilidad
A medida que fueron creciendo las necesidades de los usuarios y se perfeccionaron los sistemas, se hizo necesaria una mayor organización del software del sistema operativo, donde una parte del sistema contenía subpartes y esto organizado en forma de niveles.
Es una estructura jerárquica, con mayor organización del software del sistema operativo.
El sistema operativo se divide en partes o niveles, cada uno perfectamente definido y con un claro interface (comunicación) con el resto de los elementos.
La 1ª estructura jerárquica o de niveles, la desarrolló Djikstra, utilizándose para fines didácticos, denominada THE (Technische Hogeschool, Eindhoven). Una forma de ver este tipo de sistema es la denominada de anillos concéntricos o “rings”:
Estructura de Sistema Operativo
De esta forma, las zonas más internas del sistema operativo o núcleo del sistema estarán más protegidas de accesos indeseados desde las capas más externas. Las capas más internas serán, por tanto, más privilegiadas que las externas.
A continuación definiremos de manera breve cada uno de estos niveles que conforman el sistema operativo (nota: en el gráfico la quinta y última capa de “intérprete de comandos” está representada por un círculo aparte de los niveles, pero está interrelacionado con los demás).
- Núcleo (Kernell): Es la parte primordial del sistema operativo. El núcleo o centro del sistema operativo administra todo el sistema, sincroniza todos los procesos. A nivel de núcleo solo se trabaja con procesos.
- Gestión de entrada/salida: El sistema operativo administra los dispositivos externos a través de sus controladores.
- Gestión de memoria: El sistema operativo administra todos los aspectos relativos a memoria real y memoria virtual.
- Sistemas de archivos: El sistema operativo se ocupa de administrar los archivos del usuario a través de una estructura de directorios con algún tipo de organización.
- Intérprete de comandos: Es un mecanismo de comunicación entre los usuarios y el sistema. Lee las instrucciones del usuario y hace que se ejecuten las funciones del sistema solicitadas.
6. Núcleo.
Es un software que constituye una parte fundamental del sistema operativo, y se define como la parte que se ejecuta en modo privilegiado (conocido también como modo núcleo). Es el principal responsable de facilitar a los distintos programas acceso seguro al hardware de la computadora o en forma básica, es el encargado de gestionar recursos, a través de servicios de llamada al sistema. Como hay muchos programas y el acceso al hardware es limitado, también se encarga de decidir qué programa podrá usar un dispositivo de hardware y durante cuánto tiempo, lo que se conoce como multiplexado. Acceder al hardware directamente puede ser realmente complejo, por lo que los núcleos suelen implementar una serie de abstracciones del hardware. Esto permite esconder la complejidad, y proporcionar una interfaz limpia y uniforme al hardware subyacente, lo que facilita su uso al programador.
No necesariamente se necesita un núcleo para usar una computadora. Los programas pueden cargarse y ejecutarse directamente en una computadora vacía, siempre que sus autores quieran desarrollarlos sin usar ninguna abstracción del hardware ni ninguna ayuda del sistema operativo. Esta era la forma normal de usar muchas de las primeras computadoras: para usar distintos programas se tenía que reiniciar y reconfigurar la computadora cada vez. Con el tiempo, se empezó a dejar en memoria (aún entre distintas ejecuciones) pequeños programas auxiliares, como el cargador y el depurador, o se cargaban desde memoria de sólo lectura. A medida que se fueron desarrollando, se convirtieron en los fundamentos de lo que llegarían a ser los primeros núcleos de sistema operativo.
Hay cuatro grandes tipos de núcleos:
- Los núcleos monolíticos facilitan abstracciones del hardware subyacente realmente potentes y variadas.
- Los micronúcleos (en inglés microkernel) proporcionan un pequeño conjunto de abstracciones simples del hardware, y usan las aplicaciones llamadas servidores para ofrecer mayor funcionalidad.
- Los núcleos híbridos (micronúcleos modificados) son muy parecidos a los micronúcleos puros, excepto porque incluyen código adicional en el espacio de núcleo para que se ejecute más rápidamente.
- Los exonúcleos no facilitan ninguna abstracción, pero permiten el uso de bibliotecas que proporcionan mayor funcionalidad gracias al acceso directo o casi directo al hardware.
Micronúcleos
El enfoque micronúcleo consiste en definir una abstracción muy simple sobre el hardware, con un conjunto de primitivas o llamadas al sistema que implementan servicios del sistema operativo mínimos, como la gestión de hilos, el espacio de direccionamiento y la comunicación entre procesos.
El objetivo principal es la separación de la implementación de los servicios básicos y de la política de funcionamiento del sistema. Por ejemplo, el proceso de bloqueo de E/S se puede implementar con un servidor en espacio de usuario ejecutándose encima del micronúcleo. Estos servidores de usuario, utilizados para gestionar las partes de alto nivel del sistema, son muy modulares y simplifican la estructura y diseño del núcleo. Si falla uno de estos servidores, no se colgará el sistema entero, y se podrá reiniciar este módulo independientemente del resto. Sin embargo, la existencia de diferentes módulos independientes origina retardos en la comunicación debido a la copia de variables que se realiza en la comunicación entre módulos.
Algunos ejemplos de micronúcleos:
AIX
La familia de micronúcleos L4
El micronúcleo Mach, usado en GNU Hurd y en Mac OS X
BeOS
Minix
MorphOS
QNX
RadiOS
VSTa
Hurd
Núcleos monolíticos en contraposición a micronúcleos
Frecuentemente se prefieren los núcleos monolíticos frente a los micronúcleos debido al menor nivel de complejidad que comporta el tratar con todo el código de control del sistema en un solo espacio de direccionamiento. Por ejemplo, XNU, el núcleo de Mac OS X, está basado en el núcleo Mach 3.0 y en FreeBSD, en el mismo espacio de direccionamiento para disminuir la latencia que comporta el diseño de micronúcleo convencional.
A principios de los años 90, los núcleos monolíticos se consideraban obsoletos. El diseño de Linux como un núcleo monolítico en lugar de como un micronúcleo fue el tema de una famosa disputa4 entre Linus Torvalds y Andrew Tanenbaum. Los argumentos de ambas partes en esta discusión presentan algunas motivaciones interesantes.
Los núcleos monolíticos suelen ser más fáciles de diseñar correctamente, y por lo tanto pueden crecer más rápidamente que un sistema basado en micronúcleo, pero hay casos de éxito en ambos bandos. Los micronúcleos suelen usarse en robótica embebida o computadoras médicas, ya que la mayoría de los componentes del sistema operativo residen en su propio espacio de memoria privado y protegido. Esto no sería posible con los núcleos monolíticos, ni siquiera con los modernos que permiten cargar módulos del núcleo.
Aunque Mach es el micronúcleo generalista más conocido, se han desarrollado otros micronúcleos con propósitos más específicos. L3 fue creado para demostrar que los micronúcleos no son necesariamente lentos. La familia de micronúcleos L4 es la descendiente de L3, y una de sus últimas implementaciones, llamada Pistachio, permite ejecutar Linux simultáneamente con otros procesos, en espacios de direccionamiento separados.
QNX es un sistema operativo que ha estado disponible desde principios de los años 80, y tiene un diseño de micronúcleo muy minimalista. Este sistema ha conseguido llegar a las metas del paradigma del micronúcleo con mucho más éxito que Mach. Se usa en situaciones en que no se puede permitir que haya fallos de software, lo que incluye desde brazos robóticos en naves espaciales, hasta máquinas que pulen cristal donde un pequeño error podría costar mucho dinero.
Mucha gente cree que como Mach básicamente falló en el intento de resolver el conjunto de problemas que los micronúcleos intentaban subsanar, toda la tecnología de micronúcleos es inútil. Los partidarios de Mach afirman que ésta es una actitud estrecha de miras que ha llegado a ser lo suficientemente popular para que mucha gente la acepte como verdad.
Núcleos híbridos (micronúcleos modificados)
Los núcleos híbridos fundamentalmente son micronúcleos que tienen algo de código «no esencial» en espacio de núcleo para que éste se ejecute más rápido de lo que lo haría si estuviera en espacio de usuario. Este fue un compromiso que muchos desarrolladores de los primeros sistemas operativos con arquitectura basada en micronúcleo adoptaron antes que se demostrara que los micronúcleos pueden tener muy buen rendimiento. La mayoría de sistemas operativos modernos pertenecen a esta categoría, siendo el más popular Microsoft Windows. XNU, el núcleo de Mac OS X, también es un micronúcleo modificado, debido a la inclusión de código del núcleo de FreeBSD en el núcleo basado en Mach. DragonFlyBSD es el primer sistema BSD que adopta una arquitectura de núcleo híbrido sin basarse en Mach.
Algunos ejemplos de núcleos híbridos:
- Microsoft Windows NT, usado en todos los sistemas que usan el código base de Windows NT
- XNU (usado en Mac OS X)
- DragonFlyBSD
- ReactOS
Hay gente que confunde el término núcleo híbrido con los núcleos monolíticos que pueden cargar módulos después del arranque, lo que es un error. Híbrido implica que el núcleo en cuestión usa conceptos de arquitectura o mecanismos tanto del diseño monolítico como del micronúcleo, específicamente el paso de mensajes y la migración de código no esencial hacia el espacio de usuario, pero manteniendo cierto código no esencial en el propio núcleo por razones de rendimiento.
Exonúcleos
Esquema básico de la interacción entre un exonúcleo (exokernel) con el software a través de bibliotecas.
Los exonúcleos, también conocidos como sistemas operativos verticalmente estructurados, representan una aproximación radicalmente nueva al diseño de sistemas operativos.
La idea subyacente es permitir que el desarrollador tome todas las decisiones relativas al rendimiento del hardware. Los exonúcleos son extremadamente pequeños, ya que limitan expresamente su funcionalidad a la protección y el multiplexado de los recursos. Se llaman así porque toda la funcionalidad deja de estar residente en memoria y pasa a estar fuera, en bibliotecas dinámicas.
Los diseños de núcleos clásicos (tanto el monolítico como el micronúcleo) abstraen el hardware, escondiendo los recursos bajo una capa de abstracción del hardware, o detrás de los controladores de dispositivo. En los sistemas clásicos, si se asigna memoria física, nadie puede estar seguro de cuál es su localización real, por ejemplo.
La finalidad de un exonúcleo es permitir a una aplicación que solicite una región específica de la memoria, un bloque de disco concreto, etc., y simplemente asegurarse que los recursos pedidos están disponibles, y que el programa tiene derecho a acceder a ellos.
Debido a que el exonúcleo sólo proporciona una interfaz al hardware de muy bajo nivel, careciendo de todas las funcionalidades de alto nivel de otros sistemas operativos, éste es complementado por una biblioteca de sistema operativo. Esta biblioteca se comunica con el exonúcleo subyacente, y facilita a los programadores de aplicaciones las funcionalidades que son comunes en otros sistemas operativos.
Algunas de las implicaciones teóricas de un sistema exonúcleo son que es posible tener distintos tipos de sistemas operativos (p. e. Windows, Unix) ejecutándose en un solo exonúcleo, y que los desarrolladores pueden elegir prescindir ó incrementar funcionalidades por motivos de rendimiento.
Actualmente, los diseños exonúcleo están fundamentalmente en fase de estudio y no se usan en ningún sistema popular. Un concepto de sistema operativo es Nemesis, creado por la Universidad de Cambridge, la Universidad de Glasgow, Citrix Systems y el Instituto Sueco de Informática. El MIT también ha diseñado algunos sistemas basados en exonúcleos. Los exonúcleos se manejan en diferente estructura dado que también cumplen funciones distintas.
Fuentes consultadas:
- https://sistop.org/pdf/sistemas_operativos.pdf
- http://cidecame.uaeh.edu.mx/lcc/mapa/PROYECTO/libro26/clasificacin_de_los_sistemas_operativos.html
- http://cidecame.uaeh.edu.mx/lcc/mapa/PROYECTO/libro26/estructura_del_sistema_operativo_niveles_o_estratos_de_diseo.html
- https://es.wikipedia.org/wiki/Núcleo_(informática)
