miniatura|Interacción entre el sistema operativo con el resto de las partes de un sistema informático.
Un sistema operativo (SO) es el conjunto de programas de un sistema informático que gestiona los recursos del hardware y provee servicios a los programas de aplicación de software. Estos programas se ejecutan en modo privilegiado respecto de los restantes.Cfr., entre otros: Tanenbaum, A. (1992) Modern Operating Systems, Englewood Cliffs: Prentice-Hall; Haldar, S. y Aravind, A. A. (2010) Operating Systems, Pearson Education India, pp. 12 y ss.; Turner, R. W. (1986) Operating Systems: design and implementation, MacMillan.
Uno de los propósitos del sistema operativo que gestiona el núcleo intermediario consiste en gestionar los recursos de localización y protección de acceso del hardware, hecho que alivia a los programadores de aplicaciones de tener que tratar con estos detalles. La mayoría de los aparatos electrónicos que utilizan microprocesadores para funcionar, llevan incorporado un sistema operativo (teléfonos móviles, reproductores de DVD, computadoras, enrutadores, etc.). En cuyo caso, son manejados mediante una interfaz gráfica de usuario, un gestor de ventanas o un entorno de escritorio, si es un celular, mediante una consola o control remoto si es un DVD y, mediante una línea de comandos o navegador web si es un enrutador.
El sistema operativo de escritorio dominante es Microsoft Windows con una cuota de mercado de alrededor del 68,28%. MacOS de Apple Inc. ocupa el segundo lugar (18,71%) y las variedades de GNU/Linux están colectivamente en tercer lugar (3,01%). En el sector móvil (incluidos teléfonos inteligentes y tabletas), la participación de Android es de hasta un 70% en el año 2017. Las distribuciones Linux son dominantes en los sectores de servidores y supercomputación. Existen otras clases especializadas de sistemas operativos, como los sistemas integrados y en tiempo real, para muchas aplicaciones. Funciones principales
Algunas de las funciones principales de un sistema operativo son las siguientes:
Gestiona la memoria: El sistema operativo es responsable de administrar eficientemente la memoria RAM y asignar los recursos necesarios a las aplicaciones en ejecución. Además de asignar memoria, también gestiona la liberación de memoria cuando una aplicación ya no la necesita.
Administrar la CPU: El sistema operativo coordina el uso de la CPU entre las diferentes tareas y procesos que se ejecutan en el sistema. Utiliza algoritmos de programación para determinar el orden y la prioridad de ejecución de los procesos, asegurando un uso equitativo de los recursos de la CPU. Gestionar las entradas y salidas de datos a través de los periféricos: Además de direccionar las entradas y salidas de datos, el sistema operativo proporciona controladores (drivers) para interactuar con los periféricos de entrada y salida, como teclados, mouse, impresoras, discos duros externos, entre otros. Estos controladores permiten que los dispositivos se comuniquen correctamente con el sistema operativo y las aplicaciones. Administrar la información para el buen funcionamiento del sistema: El sistema operativo gestiona información esencial para el funcionamiento del sistema, como la tabla de procesos, la tabla de archivos abiertos y otros datos relevantes. Además, realiza tareas de monitoreo y gestión del rendimiento para asegurar un funcionamiento óptimo del sistema. Dirigir las autorizaciones de uso para los usuarios: El sistema operativo gestiona la autenticación y autorización de los usuarios para controlar el acceso a los recursos del sistema. Mediante permisos y privilegios, determina qué usuarios pueden acceder, modificar o ejecutar determinados archivos y recursos, ayudando a proteger la información y los recursos del sistema. Administrar los archivos: El sistema operativo maneja las operaciones relacionadas con la gestión de archivos, como la creación, modificación, eliminación y acceso a los archivos en el sistema de almacenamiento. Esto implica la organización de los archivos en directorios o carpetas, el control de acceso a los archivos y la implementación de mecanismos de seguridad para proteger la integridad y confidencialidad de la información.
Antecedentes
Los primeros sistemas (1945-1954) eran grandes máquinas operadas desde la consola maestra por los programadores. Durante la década siguiente (1955-1965) 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.
A finales de los años 1980, una computadora Commodore Amiga equipada con una aceleradora Video Toaster era capaz de producir efectos comparados a sistemas dedicados que costaban el triple. Un Video Toaster junto a Lightwave ayudó a producir muchos programas de televisión y películas, entre las que se incluyen Babylon 5, SeaQuest DSV y Terminator 2.
Problemas de explotación y soluciones iniciales El problema principal de las primeras computadoras era su baja utilización, la primera solución fue poner un operador profesional que lo manejase, con lo que se eliminaron las hojas de reserva, se ahorró tiempo y se aumentó la velocidad.
Para ello, los trabajos se agrupaban de forma manual en lotes mediante lo que se conoce como procesamiento por lotes (batch processing) sin automatizar.
Monitores residentes miniatura|Fichas en lenguaje de procesamiento por lotes, con programa y datos, para ejecución secuencial.
Según fue avanzando la complejidad de los programas, fue necesario implementar soluciones que automatizaran la organización de tareas sin necesidad de un operador. Debido a ello se crearon los monitores residentes: programas que residían en memoria y que gestionaban la ejecución de una cola de trabajos.
Un monitor residente estaba compuesto por un cargador, un Intérprete de comandos y un controlador (drivers) para el manejo de entrada/salida.
Sistemas con almacenamiento temporal de E/S Los avances en el hardware crearon el soporte de interrupciones y posteriormente se llevó a cabo un intento de solución más avanzado: solapar la E/S de un trabajo con sus propios cálculos, por lo que se creó el sistema de búfers con el siguiente funcionamiento:
Un programa escribe su salida en un área de memoria (búfer 1). El monitor residente inicia la salida desde el buffer y el programa de aplicación calcula depositando la salida en el buffer 2. La salida desde el buffer 1 termina y el nuevo cálculo también. Se inicia la salida desde el buffer 2 y otro nuevo cálculo dirige su salida al buffer 1. El proceso se puede repetir.
Los problemas surgen si hay muchas más operaciones de cálculo que de E/S (limitado por la CPU) o si por el contrario hay muchas más operaciones de E/S que de cálculo (limitado por la E/S).
Spoolers Hace aparición el disco magnético con lo que surgen nuevas soluciones a los problemas de rendimiento. Se eliminan las cintas magnéticas para el volcado previo de los datos de dispositivos lentos y se sustituyen por discos (un disco puede simular varias cintas). Debido al solapamiento del cálculo de un trabajo con la E/S de otro trabajo se crean tablas en el disco para diferentes tareas, lo que se conoce como Spool (Simultaneous Peripherial Operation On-Line).
Sistemas operativos multiprogramados Surge un nuevo avance: el hardware con protección de memoria, ofreciendo nuevas soluciones a los problemas de rendimiento:
Se solapa el cálculo de unos trabajos con la entrada/salida de otros trabajos. Se pueden mantener en memoria varios programas. Se asigna el uso de la CPU a los diferentes programas en memoria.
Con los cambios anteriores el monitor residente debe abordar nuevas tareas, naciendo los Sistemas Operativos multiprogramados con las siguientes funciones:
Administrar la memoria. Gestionar el uso de la CPU (planificación). Administrar el uso de los dispositivos de E/S.
Cuando desempeña esas tareas, el monitor residente se transforma en un sistema operativo multiprogramado.
Llamadas al sistema
Cada SO implementa un conjunto propio de llamadas al sistema. Ese conjunto de llamadas es la interfaz del SO frente a las aplicaciones. Constituyen el lenguaje que deben usar las aplicaciones para comunicarse con el SO. Por ello si cambiamos de SO, y abrimos un programa diseñado para trabajar sobre el anterior, en general el programa no funcionará, a no ser que el nuevo SO tenga la misma interfaz. Para ello:
Las llamadas correspondientes deben tener el mismo formato. Cada llamada al nuevo SO tiene que dar los mismos resultados que la correspondiente del anterior.
Modos de ejecución en un CPU Las aplicaciones no deben poder usar todas las instrucciones de la CPU. No obstante el Sistema Operativo, tiene que poder utilizar todo el conjunto de instrucciones del CPU. Por ello, una CPU debe tener (al menos) dos modos de operación diferentes:
Modo usuario: el CPU podrá ejecutar solo las instrucciones del juego restringido de las aplicaciones. Modo supervisor: la CPU debe poder ejecutar el juego completo de instrucciones.
Llamadas al sistema Una aplicación, normalmente no sabe dónde está situada la rutina de servicio de la llamada. Por lo que si esta se codifica como una llamada de función, cualquier cambio en el S.O. haría necesario reconstruir la aplicación.
Pero lo más importante es que una llamada de función no cambia el modo de ejecución de la CPU. Con lo que hay que conseguir llamar a la rutina de servicio, sin tener que conocer su ubicación, y hacer que se fuerce un cambio de modo de operación de la CPU en la llamada (y la recuperación del modo anterior en el retorno).
Esto se hace utilizando instrucciones máquina diseñadas específicamente para este cometido, distintas de las que se usan para las llamadas de función.
Bibliotecas de interfaz de llamadas al sistema Las llamadas al sistema no siempre tienen una expresión sencilla en los lenguajes de alto nivel, por ello se crean las bibliotecas de interfaz, que son bibliotecas de funciones que pueden usarse para efectuar llamadas al sistema. Las hay para distintos lenguajes de programación.
La aplicación llama a una función de la biblioteca de interfaz (mediante una llamada normal) y esa función es la que realmente hace la llamada al sistema.
Interrupciones y excepciones El SO ocupa una posición intermedia entre los programas de aplicación y el hardware. No se limita a utilizar el hardware a petición de las aplicaciones ya que hay situaciones en las que es el hardware el que necesita que se ejecute código del SO. En tales situaciones el hardware debe poder llamar al sistema, pudiendo deberse estas llamadas a dos condiciones:
Algún dispositivo de E/S necesita atención. Se ha producido una situación de error al intentar ejecutar una instrucción del programa (normalmente de la aplicación).
En ambos casos, la acción realizada no está ordenada por el programa de aplicación, es decir, no figura en el programa.
Según los dos casos anteriores tenemos las interrupciones y las excepciones:
Interrupción: señal que envía un dispositivo de E/S a la CPU para indicar que la operación de la que se estaba ocupando, ya ha terminado. Excepción: una situación de error detectada por la CPU mientras ejecutaba una instrucción, que requiere tratamiento por parte del SO.
Tratamiento de las interrupciones Una interrupción se trata en todo caso, después de terminar la ejecución de la instrucción en curso.
El tratamiento depende de cuál sea el dispositivo de E/S que ha causado la interrupción, ante la cual debe poder identificar el dispositivo que la ha causado.
La ventaja de este procedimiento es que no se tiene que perder tiempo ejecutando continuamente rutinas para consultar el estado del periférico. El inconveniente es que el dispositivo debe tener los circuitos electrónicos necesarios para acceder al sistema de interrupciones del computador.