La solución que se ha ido adoptando con el tiempo para salvar esta complejidad es la de escribir Capas o Niveles de Software. Una capa de software de nivel i es un conjunto de programas que trabajan directamente con la interfaz de su nivel inferior (i - 1), y presentan a su nivel superior (i + 1) una interfaz que permite utilizar el nivel i -1 de una forma más sencilla. Se dice que una capa software abstrae a su nivel superior de los detalles del nivel inferior, siendo, por tanto, un mecanismo de abstracción. Una capa de nivel i puede permitir a su capa superior utilizar las interfaces de sus niveles inferiores (i -1, i - 2, ...), o puede obligar a utilizar solamente la interfaz de la capa i, asegurándose así la utilización directa del nivel inferior. El sistema operativo es una de las capas de software más importantes de un sistema informático.
Definición de sistema operativo [STAL95] [TANE93]
Se puede definir un sistema operativo como un conjunto de programas que controlan directamente los recursos hardware o físicos de un ordenador (CPU, memoria principal y perifericos ) proporcionando una maquina virtual más fácil de utilizar que el hardware subyacente. El sistema operativo es la capa de software más baja de un ordenador, como se refleja en la figura 1.1.
En esta figura se observa cómo el sistema operativo es la única capa que trabaja directamente con el hardware. Por encima del sistema operativo se encuentra un nivel formado por traductores de texto e intérpretes de órdenes. Los dos primeros tipos de programas, junto con enlazadores y depuradores, son útiles para crear un nivel de abstracción cómodo para el desarrollo de programas, la utilidad de los intérpretes de órdenes se verá en un apartado posterior. La unión de los programas de las dos capas intermedias de la figura conforma el software de sistemas de un ordenador. Por último, está el nivel constituido por los programas de aplicación, estos programas no dan servicio a otros programas, su finalidad es resolver problemas concretos. Son los programas que suele ejecutar un usuario no informático. Pertenecen a esta capa los procesadores de texto, hojas de cálculo, agendas electrónicas, juegos, etc.
En general, puede decirse que los sistemas operativos realizan dos funciones:
1. Constitución de una máquina virtual o extendida
El sistema operativo pone al servicio del usuario una máquina virtual cuyas características son distintas (y más fáciles de abordar) que las de la máquina real subyacente. Algunas áreas en las que es frecuente que la máquina virtual difiera de la máquina real que la soporta son:
Entrada/salida (E/S).
La capacidad de E/S de un hardware básico puede que sea extremadamente compleja y que requiera sofisticados programas para su utilización. Un sistema operativo evita al usuario el problema de tener que comprender el funcionamiento de este hardware, poniendo a su alcance una máquina virtual mucho más sencilla de usar.
Memoria.
Muchos sistemas operativos presentan la imagen de una máquina virtual cuya memoria difiere en tamaño de la de la máquina real subyacente. Así, por ejemplo, un sistema operativo puede emplear memoria secundaria (discos magnéticos) para crear la ilusión de una memoria principal mucho más extensa de la que se dispone en realidad. Alternativamente, puede repartir la memoria principal entre varios usuarios, de forma que cada uno de ellos "vea" una máquina virtual cuya memoria sea menor que la de la máquina real.
Sistema de ficheros.
La mayoría de las máquinas virtuales incluyen un sistema de ficheros para el almacenamiento a largo plazo tanto de programas como de datos. El sistema de ficheros está basado en la capacidad de almacenamiento sobre cinta o disco de la máquina real. El sistema operativo, sin embargo, permite al usuario acceder a la información almacenada a través de nombres simbólicos en lugar de hacerlo a través de su posición física en el medio de almacenamiento.
Protección y tratamiento de errores.
Desde el momento en que la mayoría de ordenadores son compartidos por un determinado número de usuarios, es esencial que cada uno de ellos esté protegido de los efectos de los errores o de la mala fe de los demás. Los ordenadores varían considerablemente por lo que respecta al grado de protección que proporciona su hardware básico, siendo misión del sistema operativo el constituir una máquina virtual en la que ningún usuario pueda afectar de manera negativa al trabajo de los demás.
Interacción a nivel de programa.
Una máquina virtual puede posibilitar la interacción entre distintos programas de los usuarios de forma que, por ejemplo, la salida de uno de ellos se emplee como entrada de otro.
La naturaleza concreta de una máquina virtual dependerá de la aplicación particular a la que se dedique. Así, por ejemplo, las características de una máquina virtual que controle un sistema de tiempo real serán distintas de las de una máquina virtual que se utilice para el desarrollo de programas.
Un sistema operativo debe lograr que se compartan los recursos de un ordenador entre un cierto número de usuarios que trabajen de forma simultánea. La finalidad de esto está en incrementar la disponibilidad del ordenador con respecto a sus usuarios y, al mismo tiempo, maximizar la utilización de recursos tales como procesadores centrales, memoria y dispositivos de E/S. La importancia de la utilización eficiente de estos recursos depende de su coste.
Evolucion de los Sistemas Operativos
Primera etapa: Procesamiento en serie.
En un principio no existían sistemas operativos, programándose sobre el hardware básico. Los programas se escribían en lenguaje de máquina, y se introducían en el ordenador, junto a los datos, en octal o hexadecimal mediante una consola con interruptores manuales. Se iniciaban los programas cargando el registro contador de programa con la dirección de memoria de la primera instrucción del programa. Los resultados de la ejecución se obtenían examinando el contenido de los registros y posiciones de memoria relevantes. Los dispositivos de E/S se controlaban directamente, escribiendo y leyendo en los puertos de E/S.
Evidentemente la programación del hardware básico resulta baja en productividad, tanto para los usuarios, como para la máquina. El proceso largo y tedioso de la introducción de programas y datos excluye prácticamente la ejecución de programas medios y grandes.
Un siguiente paso significativo en la evolución en el uso de los ordenadores viene con la llegada de los dispositivos de E/S, tales como lectores de tarjetas y de cintas de papel perforadas. También aparecen los traductores de lenguajes. Los programas, codificados ahora en un lenguaje simbólico, se traducen a forma ejecutable mediante un traductor. Otro programa, llamado cargador, automatiza la carga de programas ejecutables en memoria. El usuario pone un programa y sus datos de entrada en un dispositivo de entrada, y el cargador transfiere información desde el dispositivo de entrada a memoria. Después, se transfiere el control, mediante medios manuales o automáticos, al programa cargado para su ejecución. El programa en ejecución lee sus entradas desde el dispositivo de entrada designado y puede producir alguna salida en un dispositivo de salida, como la impresora o la pantalla. Una vez en memoria, el programa se puede reejecutar con un conjunto diferente de datos de entrada.
El mecanismo de desarrollo de programas sigue siendo engorroso. En una secuencia típica, se carga el programa editor para preparar el código fuente del programa de usuario. El siguiente paso es cargar y ejecutar el traductor, y alimentarlo con el código fuente del programa de usuario. Los traductores de paso múltiple pueden requerir que se vuelva a poner el código fuente durante cada paso para leerlo. Una vez corregido sintácticamente el programa se ejecuta el código objeto. Si se detectan errores en la ejecución, se puede examinar y modificar el contenido de la máquina mediante los interruptores de la consola, o con la ayuda de un programa denominado depurador.
La mayoría de los programas utilizaban dispositivos de E/S. Una mejora lógica fue el proporcionar unas rutinas estándares de E/S que fueran usadas por todos los programas. Al principio, las rutinas de E/S se introducían con las demás tarjetas del programa de usuario. Posteriormente, se guardaba en memoria las rutinas compiladas, y mediante un programa enlazador se combinaban con el código objeto del usuario.
En estos sistemas las rutinas de E/S y el programa cargador constituyen una forma rudimentaria de sistema operativo. Los traductores, editores y depuradores son programas de sistema, pero no forman parte del sistema operativo.
Segunda etapa: Procesamiento por lotes.
Hasta ahora la utilización del procesador es muy baja, pues el tiempo empleado en leer un programa almacenado en tarjetas suele ser mucho mayor que el empleado en ejecutar el programa. Cuando aparecieron las cintas magnéticas, cuya lectura y escritura era muy inferior en tiempo a las tarjetas, se pensó que se utilizaría más el procesador si todas las entradas y salidas se realizaban sobre cintas.
Para realizar esto se utilizó una técnica de off-lining (fuera de línea). La idea era dedicar un ordenador periférico, de menor costo y potencia, a convertir las tarjetas o la cinta perforada en información sobre cinta magnética, y la salida sobre cinta magnética en salida sobre impresora o cinta perforada. Una vez que se procesaban varios trabajos a cinta, ésta se desmontaba del ordenador periférico, y se llevaba a mano para su procesamiento por el ordenador principal. Cuando el ordenador principal llenaba una cinta de salida, ésta se llevaba al ordenador periférico para su paso a impresora o cinta perforada.
Una de las implicaciones de esta forma de trabajo era que en una cinta de entrada podían existir los trabajos de varios programadores. Para diferenciar los trabajos (o tareas) de distintos programadores se introducían tarjetas de control que interpretaba un sistema operativo embrionario. Así, por ejemplo, un trabajo podía empezar con una tarjeta $JOB de comienzo, con un identificativo del programador. Después una tarjeta $FORTRAN para indicarle al sistema operativo que cargue el compilador de FORTRAN de una cinta del sistema. A continuación vendrían las tarjetas del código fuente. Una tarjeta $LOAD para que se cargue en memoria el programa compilado (pues usualmente se guardaba en cinta). La tarjeta $RUN indicaba que se ejecutara el programa con los datos que vienen en las tarjetas siguientes. Por fin, una tarjeta $END indicaba el fin del trabajo.
El sistema operativo residía en memoria y tenía un programa de control que interpretaba las tarjetas de control, las cuales representaban un lenguaje de control de tareas. Dependiendo del tipo de tarjeta de control el sistema operativo realizaba una acción determinada. Este programa de control es un antecedente de los modernos intérpretes de órdenes.
Con esta forma de trabajo el programador entregaba sus tarjetas a un operador y esperaba horas hasta que el programa proporcionara su salida. La falta de un punto y coma al final de una línea de un programa podía provocar un error sintáctico, y la pérdida de estas horas de espera. Por otro lado, debido a que la cinta magnética es un medio de almacenamiento serie, no había opción alguna de orden de ejecución de las tareas que no fuese el orden en que éstas se habían presentado al ordenador.
De cara a eliminar la dependencia de las E/S en lugar de tan sólo reducirla, hay que emplear técnicas mediante las cuales se puedan superponer las E/S al proceso a ejecutar. Ello es posible con la ayuda de dos elementos del hardware: el canal y la interrupción. Un canal es un elemento que controla uno o más dispositivos, llevando a cabo transferencias de datos entre estos dispositivos y la memoria sin involucrar prácticamente al procesador central. Una interrupción es una señal que transfiere el control del procesador central a una posición fija de memoria, almacenando al mismo tiempo el valor anterior del contador de programa, y, posiblemente, la palabra de estado del procesador. De esta forma, se suspende temporalmente la ejecución del programa que estaba siendo llevado a cabo en el momento de la interrupción, aunque podrá reemprenderse dicha ejecución más tarde (o sea, el programa es interrumpido). Una interrupción de un canal actúa como señal que indica que se ha completado una transferencia de datos. De esta forma es posible que el procesador central inicie una transferencia a un dispositivo, continúe el proceso que estaba llevando a cabo mientras el canal controla la transmisión y reciba a través de una interrupción la notificación de haberse completado dicha transferencia.
Es posible ahora leer las tareas a ejecutar guardándolas en un soporte adecuado (normalmente disco), y ejecutarlas una a una al mismo tiempo que se van leyendo otras. Para ello ha habido que añadir a nuestro sistema operativo una rutina de gestión de las interrupciones y otra que decida cuál de las tareas almacenadas en disco será la siguiente en ser ejecutada. Esta última función, que recibe el nombre de sheduling, deriva del empleo del disco (caracterizado por un acceso aleatorio) como medio de almacenamiento de las distintas tareas en lugar de la cinta magnética, caracterizada por un acceso serie. Un sistema que trabaje de esta forma recibe el nombre de monitor de batch de flujo único (en inglés, single stream batch monitor). El concepto de flujo único lleva implícita la idea de una sóla tarea ejecutándose a la vez.
Tercera etapa: Multiprogramacion y tiempo compartido.
La principal desventaja de un sistema de cola única es la total dedicación de la máquina a la ejecución de una sola tarea, no importa lo larga o lo corta que sea. Este inconveniente puede superarse mediante la multiprogramación, o sea, la ejecución simultánea de varios programas que residen en la memoria principal, dividiendo el procesador central su tiempo entre ellos de acuerdo con los recursos (tal como canales o dispositivos) que necesite en cada momento cada uno de ellos. De esta forma es posible, teniendo almacenado un conjunto adecuado de tareas en cada momento, obtener una utilización óptima de los recursos disponibles. Ello incluye la utilización del procesador central, ya que en tanto que una tarea esté esperando el final de una transferencia de E/S, este procesador puede pasar a trabajar en alguna otra tarea que esté pendiente en la máquina. La carga que recae sobre el sistema operativo consiste en el control de los recursos, así como la protección de cada tarea frente a las actividades de las otras. Un sistema operativo de este tipo recibe el nombre de monitor de batch de varios flujos.
En el estadio actual de la progresión que hemos llevado a cabo tenemos un sistema notablemente sofisticado que hace bastante buen uso de la electrónica disponible. Sin embargo, desde el punto de vista del usuario el sistema adolece de falta de interactividad, tan necesaria en el proceso de desarrollo de programas, y útil también para desarrollar programas interactivos que respondan instantáneamente a las peticiones del usuario. Para hacer posible esta interacción, el sistema de batch de varios flujos debe modificarse con el fin de que pueda adquirir la información que le suministren los usuarios desde los respectivos terminales: es decir, debe convertirse en un sistema multiusuario. Un sistema de este tipo, en el cual existen varios usuarios con un terminal en línea (usuarios interactivos), se llama sistema de tiempo compartido. En estos sistemas se divide el tiempo del procesador central, y de los demás recursos del ordenador, de forma que cada usuario tiene la ilusión de que todo el ordenador se le dedica exclusivamente a él, al recibir unos tiempos de respuesta aceptables. En un sistema de tiempo compartido los usuarios suelen ejecutar programas cortos (por ejemplo, compilar un programa), frente a los programas largos (por ejemplo, ordenar una cinta de un millón de datos) que se suelen dar en los sistemas batch.
Por último hay que indicar que algunos sistemas operativos permiten tanto usuarios interactivos como lotes de trabajos batch. En estos sistemas se atiende a los usuarios interactivos con mayor prioridad, ejecutándose los programas batch cuando no hay programas de usuario.
Cuarta etapa: redes de ordenadores.
En una red de ordenadores se tiene una configuración de varios ordenadores conectados físicamente. Los ordenadores de una red pueden tener sistemas operativos de red o sistemas operativos distribuidos
En un sistema operativo de red los usuarios son conscientes de la existencia de varios ordenadores, y pueden conectarse con máquinas remotas para, por ejemplo, copiar ficheros. Cada máquina ejecuta su propio sistema operativo local y tiene su propio usuario (o grupo de usuarios). Los sistemas operativos de red no difieren de los sistemas operativos tradicionales de un sólo procesador. Necesitan un controlador de red, algunas rutinas de E/S para utilizar dicho controlador, y programas que permitan la conexión y el acceso a ordenadores remotos, pero esas características adicionales no modifican la estructura esencial del sistema operativo.
En un sistema distribuido los ficheros que utiliza un usuario (así como el procesador en el que se ejecutan sus programas) pueden estar situados en cualquier ordenador de la red. Además, esto es transparente al usuario. Los sistemas operativos distribuidos requieren algo más que añadir un poco de código a un sistema operativo de un único procesador, ya que los sistemas distribuidos difieren en aspectos críticos de los sistemas centralizados.
