Sistemas Operativos

SISTEMAS OPERATIVOS

Sin su software, la computadora es básicamente un montón de metal inútil. Con su software, una computadora puede almacenar, procesar y recuperar información; exhibir documentos multimedia; realizar búsquedas en Internet; y realizar muchas otras actividades valiosas para justificar su existencia. El software de computadora puede dividirse a grandes rasgos en dos tipos: programas de sistema, que controlan la operación de la computadora misma, y programas de aplicación, que realizan las tareas reales que el usuario desea. El programa de sistema más fundamental es el sistema operativo, que controla todos los recursos de la computadora y establece la base sobre la que pueden escribirse los programas de aplicación.

Un sistema de computadora moderno consiste en uno o más procesadores, memoria principal (también conocida como RAM, memoria de acceso aleatorio), discos, impresoras, interfaces de red y otros dispositivos de entrada/salida. A todas luces, se trata de un sistema complejo. Escribir programas que sigan la pista a todos estos componentes y los usen correctamente, ya no digamos óptimamente, es una tarea en extremo difícil. Si todos los programadores tuvieran que ocuparse de cómo trabajan las unidades de disco, y de las docenas de cosas que pueden fallar al leer un bloque de disco, es poco probable que pudieran escribirse muchos programas.

Hace muchos años se hizo muy evidente que debía encontrarse alguna forma de proteger a los programadores de la complejidad del hardware. La solución que ha evolucionado gradualmente consiste en poner una capa de software encima del hardware solo, que se encargue de administrar todas las partes del sistema y presente al usuario una interfaz o máquina virtual que sea más fácil de entender y programar. Esta capa de software es el sistema operativo, y constituye el tema de este libro.

La situación se muestra en la Fig. 1-1. En la parte inferior está el hardware que, en muchos casos, también se compone de dos o más capas. La capa más baja contiene los dispositivos físicos, que consisten en chips de circuitos integrados, alambres, fuentes de potencia, tubos de rayos catódicos y otros aparatos físicos similares. La forma en que éstos se construyen y sus principios de funcionamiento pertenecen al campo del ingeniero electricista.

A continuación (en algunas máquinas) viene una capa de software primitivo que controla directamente estos dispositivos y ofrece una interfaz más aseada a la siguiente capa. Este software, llamado microprograma, suele estar almacenado en memoria de sólo lectura. En realidad es un intérprete, que obtiene las instrucciones de lenguaje de máquina como ADD, MOVE y JUMP y las ejecuta en una serie de pasos pequeños. Por ejemplo, para ejecutar una instrucción ADD (sumar), el microprograma debe determinar dónde se encuentran los números que se van a sumar, obtenerlos, sumarlos y almacenar el resultado en algún lugar. El conjunto de instrucciones que el microprograma interpreta define el lenguaje de máquina, que no es realmente parte de la máquina física, aunque los fabricantes de computadoras siempre lo describen en sus manuales como tal, de modo que muchas personas piensan en él como si fuera la “máquina” real.

El lenguaje de máquina por lo regular cuenta con entre 50 y 300 instrucciones, la mayor parte de ellas para trasladar datos dentro de la máquina, realizar operaciones aritméticas y comparar valores. En esta capa, los dispositivos de entrada/salida se controlan cargando valores registros de dispositivo especiales. Por ejemplo, para un disco que ejecuta una lectura, sus registros se cargan con los valores de dirección del disco, dirección de memoria principal, conteo de bytes y dirección de acceso (READ o WRITE). En la práctica se requieren muchos parámetros más, y el estado devuelto por la unidad de disco después de una operación es muy complejo. Además, la temporización desempeña un papel importante en la programación de muchos dispositivos de E/S.

Una función importante del sistema operativo es ocultar toda esta complejidad y ofrecer al programador un conjunto de instrucciones más cómodo con el que pueda trabajar. Por ejemplo, LEER BLOQUE DE ARCHIVO es conceptualmente más sencillo que tener que preocuparse por los detalles de mover cabezas de disco, esperar que se estabilicen, etcétera.

Encima del sistema operativo está el resto del software de sistema. Aquí encontramos el intérprete de comandos (shell), sistemas de ventanas, compiladores, editores y otros programas similares independientes de la aplicación. Es importante darse cuenta de que estos programas definitivamente no forman parte del sistema operativo, a pesar de que casi siempre son provistos por el fabricante de la computadora. Éste es un punto crucial, aunque sutil. El sistema operativo es la porción del software que se ejecuta en modo kernel o modo supervisor, y está protegido por el hardware contra la intervención del usuario (olvidándonos por el momento de algunos de los microprocesadores más viejos que no tienen ninguna protección de hardware). Los compiladores y editores se ejecutan en modo de usuario. Si a un usuario no le gusta un compilador en particular, él+ está en libertad de escribir el suyo propio si lo desea; no está en libertad de escribir su propio manejador de interrupciones del disco, que forma parte del sistema operativo y normalmente está protegido por el hardware contra los intentos de los usuarios por modificarlo.

Por último, encima de los programas de sistema vienen los programas de aplicación. Los usuarios compran o escriben estos programas para resolver sus problemas particulares, como procesamiento de textos, hojas de cálculo, cálculos de ingeniería o juegos.

¿QUÉ ES UN SISTEMA OPERATIVO?

La mayoría de los usuarios de computadora han tenido algo de experiencia con un sistema operativo, pero no es fácil precisar con exactitud qué es un sistema operativo. Parte del problema consiste en que el sistema operativo realiza dos funciones que básicamente no están relacionadas entre sí y, dependiendo de a quién le preguntemos, por lo general se nos habla principalmente de una función o de la otra. Veamos ahora las dos.

1.1.1 El sistema operativo como máquina extendida

Como ya dijimos, la arquitectura (conjunto de instrucciones, organización de memoria, E/S y estructura de buses) de la mayor parte de las computadoras en el nivel de lenguaje de máquina es primitiva y difícil de programar, sobre todo para entrada/salida. A fin de hacer más concreto este punto, veamos brevemente cómo se realiza la E/S de disco flexible usando el chip controlador NEC PD765 (o su equivalente), utilizado

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