1.1 DEFINICION:
Sistema operativo
Interacción entre el SO con el resto de las partes.
Un sistema operativo es un software de sistema, es decir, un conjunto de programas de computación destinados a realizar muchas tareas entre las que destaca la administración de los dispositivos periféricos.
OBJETIVOS DE LOS SISTEMAS OPERATIVOS
Funciones básicas
Los sistemas operativos, en su condición de capa software que posibilitan y simplifica el manejo de la computadora, desempeñan una serie de funciones básicas esenciales para la gestión del equipo. Entre las más destacables, cada una ejercida por un componente interno (módulo en núcleos monolíticos y servidor en micronúcleos), podemos reseñar las siguientes:
• Proporcionar más comodidad en el uso de un computador.
• Gestionar de manera eficiente los recursos del equipo, ejecutando servicios para los procesos (programas)
• Brindar una interfaz al usuario, ejecutando instrucciones (comandos).
• Permitir que los cambios debidos al desarrollo del propio SO se puedan realizar sin interferir con los servicios que ya se prestaban (evolutividad).
Un sistema operativo desempeña 5 funciones básicas en la operación de un sistema informático: suministro de interfaz al usuario, administración de recursos, administración de archivos, administración de tareas y servicio de soporte y utilidades.
FUNCIONES DE UN S.O.
Administración de tareas
• Monotarea: Solamente puede ejecutar un proceso (aparte de los procesos del propio S.O.) en un momento dado. Una vez que empieza a ejecutar un proceso, continuará haciéndolo hasta su finalización y/o interrupción.
• Multitarea: Es capaz de ejecutar varios procesos al mismo tiempo. Este tipo de S.O. normalmente asigna los recursos disponibles (CPU, memoria, periféricos) de forma alternada a los procesos que los solicitan, de manera que el usuario percibe que todos funcionan a la vez, de forma concurrente.
Administración de usuarios
• Monousuario: Si sólo permite ejecutar los programas de un usuario al mismo tiempo.
• Multiusuario: Si permite que varios usuarios ejecuten simultáneamente sus programas, accediendo a la vez a los recursos de la computadora. Normalmente estos sistemas operativos utilizan métodos de protección de datos, de manera que un programa no pueda usar o cambiar los datos de otro usuario.
Manejo de recursos
• Centralizado: Si permite utilizar los recursos de una sola computadora.
• Distribuido: Si permite utilizar los recursos (memoria, CPU, disco, periféricos...) de más de una computadora al mismo tiempo.
1.2 Historia de los sistemas operativos
Los primeros sistemas (1945 - 1950) eran grandes máquinas operadas desde la consola maestra por los programadores. Durante la década siguiente (1950 - 1960) se llevaron a cabo avances en el hardware: lectoras de tarjetas, impresoras, cintas magnéticas, etc. Esto a su vez provocó un avance en el software: compiladores, ensambladores, cargadores, manejadores de dispositivos, etc.
Años 40
A finales de los años 40, con lo que podríamos llamar la aparición de la primera generación de computadoras, se accedía directamente a la consola de la computadora desde la cual se actuaba sobre una serie de micro interruptores que permitían introducir directamente el programa en la memoria de la computadora (en realidad al existir tan pocas computadoras todos podrían considerarse prototipos y cada constructor lo hacía sin seguir ningún criterio predeterminado). Por aquel entonces no existían los sistemas operativos, y los programadores debían interactuar con el hardware del computador sin ayuda externa. Esto hacía que el tiempo de preparación para realizar una tarea fuera considerable.
Años 50
A principios de los años 50 con el objeto de facilitar la interacción entre persona y computador, los sistemas operativos hacen una aparición discreta y bastante simple, con conceptos tales como el monitor residente, el proceso por lotes y el almacenamiento temporal.
Monitor residente
Su funcionamiento era bastante simple, se limitaba a cargar los programas a memoria, leyéndolos de una cinta o de tarjetas perforadas, y ejecutarlos. El problema era encontrar una forma de optimizar el tiempo entre la retirada de un trabajo y el montaje del siguiente. Era sumamente complicado, por el hecho de que eran tarjetas perforadas las cuales las tenia que leer el sistema.
Procesamiento por lotes
Como solución para optimizar, en un mismo núcleo de cinta o conjunto de tarjetas se montaban los programas, de forma que se ejecutaran uno a continuación de otro sin perder apenas tiempo en la transición.
Almacenamiento temporal
Su objetivo era disminuir el tiempo de carga de los programas, haciendo simultánea la carga del programa o la salida de datos con la ejecución de la siguiente tarea. Para ello se utilizaban dos técnicas, el buffering y el spooling.
Años 60
En los años 60 se produjeron cambios notorios en varios campos de la informática, con la aparición del circuito integrado la mayoría orientados a seguir incrementando el potencial de los computadores. Para ello se utilizaban técnicas de lo más diversas:
Multiprogramación
En un sistema multiprogramado la memoria principal alberga a más de un programa de usuario. La CPU ejecuta instrucciones de un programa, cuando el que se encuentra en ejecución realiza una operación de E/S; en lugar de esperar a que termine la operación de E/S, se pasa a ejecutar otro programa. Si éste realiza, a su vez, otra operación de E/S, se mandan las órdenes oportunas al controlador, y pasa a ejecutarse otro. De esta forma es posible, teniendo almacenado un conjunto adecuado de tareas en cada momento, utilizar de manera óptima los recursos disponibles.
Tiempo compartido
Artículo principal: Tiempo compartido
En este punto tenemos un sistema que hace buen uso de la electrónica disponible, pero adolece la falta de interactividad; para conseguirla debe convertirse en un sistema multiusuario, en el cual existen varios usuarios con un terminal en línea, utilizando el modo de operación de tiempo compartido. En estos sistemas los programas de los distintos usuarios residen en memoria. Al realizar una operación de E/S los programas ceden la CPU a otro programa, al igual que en la multiprogramación. Pero, a diferencia de ésta, cuando un programa lleva cierto tiempo ejecutándose el sistema operativo lo detiene para que se ejecute otra aplicación.
Tiempo real
Estos sistemas se usan en entornos donde se deben aceptar y procesar en tiempos muy breves un gran número de sucesos, en su mayoría externos al ordenador. Si el sistema no respeta las restricciones de tiempo en las que las operaciones deben entregar su resultado se dice que ha fallado. El tiempo de respuesta a su vez debe servir para resolver el problema o hecho planteado. El procesamiento de archivos se hace de una forma continua, pues se procesa el archivo antes de que entre el siguiente, sus primeros usos fueron y siguen siendo en telecomunicaciones.
Multiprocesador
Permite trabajar con máquinas que poseen más de un microprocesador. En un multiprocesador
Se denomina multiprocesador a un ordenador que cuenta con dos o más microprocesadores (CPUs).
Gracias a esto, el multiprocesador puede ejecutar simultáneamente varios hilos pertenecientes a un mismo proceso o bien a procesos diferentes.
Los ordenadores multiprocesadores presentan problemas de diseño que no se encuentran en ordenadores monoprocesador. Estos problemas derivan del hecho de que dos programas pueden ejecutarse simultáneamente y, potencialmente, pueden interferirse entre sí. Concretamente, en lo que se refiere a las lecturas y escrituras en memoria. Existen dos arquitecturas que resuelven estos problemas:
La arquitectura NUMA, donde cada procesador tiene acceso y control exclusivo a una parte de la memoria. La arquitectura SMP, donde todos los procesadores comparten toda la memoria. Esta última debe lidiar con el problema de la coherencia de caché. Cada microprocesador cuenta con su propia memoria cache local. De manera que cuando un microprocesador escribe en una dirección de memoria, lo hace únicamente sobre su copia local en caché. Si otro microprocesador tiene almacenada la misma dirección de memoria en su caché, resultará que trabaja con una copia obsoleta del dato almacenado.
Para que un multiprocesador opere correctamente necesita un sistema operativo especialmente diseñado para ello. La mayoría de los sistemas operativos actuales poseen esta capacidad.
Sistemas operativos desarrollados
Además del Atlas Supervisor y el OS/360, los años 70 marcaron el inicio de UNIX, a mediados de los 60 aparece Multics, sistema operativo multiusuario - multitarea desarrollado por los laboratorios Bell de AT&T y programado en PL/1 uno de los pocos SO desarrollados en un lenguaje de alto nivel en aquel tiempo, luego del fracaso del proyecto, UNIX comienza a desarrollarse a partir de este a finales de la década.
Años 70
Debido al avance de la electrónica, pudo empezar a crearse circuitos con miles de transistores en un centímetro cuadrado de silicio, lo que llevaría, pocos años después, a producir los primeros sistemas integrados. Ésta década se podría definir como la de los sistemas de propósito general y en ella se desarrollan tecnologías que se siguen utilizando en la actualidad. Es en los años 70 cuando se produce el boom de los miniordenadores y la informática se acerca al nivel de usuario.
En lo relativo a lenguajes de programación, es de señalar la aparición de Pascal y C, el último de los cuales se creó específicamente para reescribir por completo el código del sistema operativo Unix, convirtiéndolo en uno de los pocos SO escritos en un lenguaje de alto nivel. En el campo de la programación lógica se dio a luz la primera implementación de Prolog, y en la revolucionaria orientación a objetos, Smalltalk.
Inconvenientes de los sistemas existentes
Se trataba de sistemas grandes y costosos, pues antes no se había construido nada similar y muchos de los proyectos desarrollados terminaron con costos muy por encima del presupuesto y mucho después de lo que se marcaba como fecha de finalización. Además, aunque formaban una capa entre el hardware y el usuario, éste debía conocer un complejo lenguaje de control para realizar sus trabajos. Otro de los inconvenientes es el gran consumo de recursos que ocasionaban, debido a los grandes espacios de memoria principal y secundaria ocupados, así como el tiempo de procesador consumido. Es por esto que se intentó hacer hincapié en mejorar las técnicas ya existentes de multiprogramación y tiempo compartido.
Características de los nuevos sistemas
Para solventar los problemas antes comentados, se realizó un costosísimo trabajo para interponer una amplia capa de software entre el usuario y la máquina, de forma que el primero no tuviese que conocer ningún detalle de la circuitería.
Sistemas operativos desarrollados
• MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service): Originalmente era un proyecto cooperativo liderado por Fernando Corbató del MIT, con General Electric y los laboratorios Bell, que comenzó en los 60, pero los laboratorios Bell abandonaron en 1969 para comenzar a crear el sistema UNIX. Se desarrolló inicialmente para el mainframe GE-645, un sistema de 36 bits; después fue soportado por la serie de máquinas Honeywell 6180.
Fue uno de los primeros sistemas operativos de tiempo compartido, que implementó un solo nivel de almacenamiento para el acceso a los datos, desechando la clara distinción entre los ficheros y los procesos en memoria, y uno de los primeros sistemas multiprocesador.
• MVS (Multiple Virtual Storage): Fue el sistema operativo más usado en los modelos de mainframes -ordenadores grandes, potentes y caros usados principalmente por grandes compañías para el procesamiento de grandes cantidades de datos- System/370 y System/390 de IBM, desarrollado también por IBM y lanzado al mercado por primera vez en 1974. Como características destacables, permitía la ejecución de múltiples tareas, además de que introdujo el concepto de memoria virtual y finalmente añadió la capacidad de que cada programa tuviera su propio espacio de direccionamiento de memoria, de ahí su nombre.
• CP/M (Control Program/Monitor): Desarrollado por Gary Kildall para el microprocesador 8080/85 de Intel y el Zilog Z80, salió al mercado en 1976, distribuyéndose en disquetes de ocho pulgadas. Fue el SO más usado en las computadoras personales de esta década. Su éxito se debió a que era portátil, permitiendo que diferentes programas interactuasen con el hardware de una manera estandarizada. Estaba compuesto de dos subsistemas:
o CCP (Comand Control Processor): Intérprete de comandos que permitía introducir los mandatos con sus parámetros separados por espacios. Además, los traducía a instrucciones de alto nivel destinadas a BDOS.
o BDOS (Basic Disk Operating System): Traductor de las instrucciones en llamadas a la BIOS.
El hecho de que, años después, IBM eligiera para sus PC a MS-DOS supuso su mayor fracaso, por lo que acabó desapareciendo.
Años 80
Con la creación de los circuitos LSI -integración a gran escala-, chips que contenían miles de transistores en un centímetro cuadrado de silicio, empezó el auge de los ordenadores personales. En éstos se dejó un poco de lado el rendimiento y se buscó más que el sistema operativo fuera amigable, surgiendo menús, e interfaces gráficas. Esto reducía la rapidez de las aplicaciones, pero se volvían más prácticos y simples para los usuarios. En esta época, siguieron utilizándose lenguajes ya existentes, como Smalltalk o C, y nacieron otros nuevos, de los cuales se podrían destacar: C++ y Eiffel dentro del paradigma de la orientación a objetos, y Haskell y Miranda en el campo de la programación declarativa. Un avance importante que se estableció a mediados de la década de 1980 fue el desarrollo de redes de computadoras personales que corrían sistemas operativos en red y sistemas operativos distribuidos. En esta escena, dos sistemas operativos eran los mayoritarios: MS-DOS(Micro Soft Disk Operating), escrito por Microsoft para IBM PC y otras computadoras que utilizaban la CPU Intel 8088 y sus sucesores, y UNIX, que dominaba en los ordenadores personales que hacían uso del Motorola 68000.
Apple Macintosh
El lanzamiento oficial se produjo en enero de 1984, al precio de 2495 dólares. Muchos usuarios, al ver que estaba completamente diseñado para funcionar a través de una GUI (Graphic User Interface), acostumbrados a la línea de comandos, lo tacharon de juguete. A pesar de todo, el Mac se situó a la cabeza en el mundo de la edición a nivel gráfico.
MS-DOS
En 1981 Microsoft compró un sistema operativo llamado QDOS que, tras realizar unas pocas modificaciones, se convirtió en la primera versión de MS-DOS (MicroSoft Disk Operating System). A partir de aquí se sucedieron una serie de cambios hasta llegar a la versión 7.1, versión 8 en Windows Milenium, a partir de la cual MS-DOS dejó de existir como tal y se convirtió en una parte integrada del sistema operativo Windows.
Años 90
GNU/Linux
La idea de un Sistema Operativo Libre para la humanidad nace en 1984, impulsada por Richard Stallman, ex-empleado del MIT. Motivado por esta idea comienza la construcción y desarrollo de las herramientas elementales que componen un Sistema Operativo, a esta parte del desarrollo del Sistema Operativo se le conoce como proyecto GNU. En esta etapa Richard Stallman cuenta con la colaboración de miles de programadores a nivel mundial. En 1991 aparece la primera versión del núcleo Linux. Creado por Linus Torvalds, pero antes de que este apareciera ya existía la mayoría de las herramientas que componían al Sistema Operativo, pero aun así el núcleo Linux tiene una importancia fundamental para el proyecto, es tal la importancia de este que el proyecto termina llamándose GNU/Linux, dando un 50% de importancia a ambas partes.
Este sistema es similar a Unix, basado en el estándar POSIX , un sistema que en principio trabajaba en modo comandos. Hoy en día dispone de Ventanas, gracias a un servidor gráfico y a gestores de ventanas como KDE, GNOME entre muchos. Recientemente GNU/Linux dispone de un aplicativo que convierte las ventanas en un entorno 3D como por ejemplo Beryl o Compiz. Lo que permite utilizar linux de una forma visual atractiva.
Microsoft Windows
A mediados de los años 80 se crea este sistema operativo, pero no es hasta la salida de Windows 95 que se le puede considerar un sistema operativo, solo era una interfaz gráfica del MS-DOS. Hoy en día es el sistema operativo más difundido en el ámbito doméstico aunque también hay versiones para servidores como Windows NT. Microsoft ha diseñado también algunas versiones para superordenadores, pero sin mucho éxito. Años después se hizo el Windows 98 que era el más eficaz de esa época Después se crearía el sistema operativo de Windows ME (Windows Millenium Edition) aproximadamente entre el año 1999 y el año 2000. Un año después se crearía el sistema operativo de Windows 2000 en ese mismo año. Después le seguiría el sistema operativo más utilizado en la actualidad, Windows XP y otros sistemas operativos de esta familia especializados en las empresas. Ahora el más reciente es Windows Vista, que, actualmente, tiene muchas críticas. Ahora está en desarrollo el sistema operativo Windows 7, que ya salio al mercado
1.3 SUBSISTEMAS DE UN S.O.
Componentes de un sistema operativo
Gestión de procesos
Un proceso es simplemente, un programa en ejecución que necesita recursos para realizar su tarea: tiempo de CPU, memoria, archivos y dispositivos de E/S. El SO es el responsable de:
• Crear y destruir los procesos.
• Parar y reanudar los procesos.
• Ofrecer mecanismos para que se comuniquen y sincronicen.
La gestión de procesos podría ser similar al trabajo de oficina. Se puede tener una lista de tareas a realizar y a estas fijarles prioridades alta, media, baja por ejemplo. Debemos comenzar haciendo las tareas de prioridad alta primero y cuando se terminen seguir con las de prioridad media y después las de baja. Una vez realizada la tarea se tacha. Esto puede traer un problema que las tareas de baja prioridad pueden que nunca lleguen a ejecutarse. y permanezcan en la lista para siempre. Para solucionar esto, se puede asignar alta prioridad a las tareas más antiguas.
Gestión de la memoria principal
La Memoria (informática) es una gran tabla de palabras o bytes que se referencian cada una mediante una dirección única. Este almacén de datos de rápido accesos es compartido por la CPU y los dispositivos de E/S, es volátil y pierde su contenido en los fallos del sistema. El SO es el responsable de:
• Conocer qué partes de la memoria están utilizadas y por quién.
• Decidir qué procesos se cargarán en memoria cuando haya espacio disponible.
• Asignar y reclamar espacio de memoria cuando sea necesario.
Gestión del almacenamiento secundario
Un sistema de almacenamiento secundario es necesario, ya que la memoria principal (almacenamiento primario) es volátil y además muy pequeña para almacenar todos los programas y datos. También es necesario mantener los datos que no convenga mantener en la memoria principal. El SO se encarga de:
• Planificar los discos.
• Gestionar el espacio libre.
• Asignar el almacenamiento.
El sistema de E/S
Consiste en un sistema de almacenamiento temporal (caché), una interfaz de manejadores de dispositivos y otra para dispositivos concretos. El sistema operativo debe gestionar el almacenamiento temporal de E/S y servir las interrupciones de los dispositivos de E/S.
Sistema de archivos
Los archivos son colecciones de información relacionada, definidas por sus creadores. Éstos almacenan programas (en código fuente y objeto) y datos tales como imágenes, textos, información de bases de datos, etc. El SO es responsable de:
• Construir y eliminar archivos y directorios.
• Ofrecer funciones para manipular archivos y directorios.
• Establecer la correspondencia entre archivos y unidades de almacenamiento.
• Realizar copias de seguridad de archivos.
Existen diferentes Sistemas de Archivos, es decir, existen diferentes formas de organizar la información que se almacena en las memorias (normalmente discos) de los ordenadores. Por ejemplo, existen los sistemas de archivos FAT, FAT32, EXT2, NTFS...
Desde el punto de vista del usuario estas diferencias pueden parecer insignificantes a primera vista, sin embargo, existen diferencias muy importantes. Por ejemplo, los sistemas de ficheros FAT32 y NTFS , que se utilizan fundamentalmente en sistemas operativos de Microsoft, tienen una gran diferencia para un usuario que utilice una base de datos con bastante información ya que el tamaño máximo de un fichero con un Sistema de Archivos FAT32 está limitado a 4 gigabytes sin embargo en un sistema NTFS el tamaño es considerablemente mayor.
Sistemas de protección
Mecanismo que controla el acceso de los programas o los usuarios a los recursos del sistema. El SO se encarga de:
• Distinguir entre uso autorizado y no autorizado.
• Especificar los controles de seguridad a realizar.
• Forzar el uso de estos mecanismos de protección.
Sistema de comunicaciones
Para mantener las comunicaciones con otros sistemas es necesario poder controlar el envío y recepción de información a través de las interfaces de red. También hay que crear y mantener puntos de comunicación que sirvan a las aplicaciones para enviar y recibir información, y crear y mantener conexiones virtuales entre aplicaciones que están ejecutándose localmente y otras que lo hacen remotamente.
Programas de sistema
Son aplicaciones de utilidad que se suministran con el SO pero no forman parte de él. Ofrecen un entorno útil para el desarrollo y ejecución de programas, siendo algunas de las tareas que realizan:
• Manipulación y modificación de archivos.
• Información del estado del sistema.
• Soporte a lenguajes de programación.
• Comunicaciones.
Gestor de recursos
Como gestor de recursos, el Sistema Operativo administra
• La CPU (Unidad Central de Proceso, donde está alojado el microprocesador).
• Los dispositivos de E/S (entrada y salida)
• La memoria principal (o de acceso directo).
• Los discos (o memoria secundaria).
• Los procesos (o programas en ejecución).
• ...
• y en general todos los recursos del sistema
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