# Introducción a los sistemas operativos [Abrir el PDF original](<../PDF/Introducción a los sistemas operativos.pdf>) > Conversión de texto página a página. La paginación permite cotejar este archivo con el PDF original. ## Página 1 Introducción a los sistemas operativos José Ramón Herrero Zaragoza Enric Morancho Llena Dolors Royo Vallés PID_00169381 ## Página 2 GNUFDL • PID_00169381 Introducción a los sistemas operativos © 2014, FUOC. Se garantiza permiso para copiar, distribuir y modificar este documento según los términos de la GNU Free Documentation License, Version 1.2 o cualquiera posterior publicada por la Free Software Foundation, sin secciones invariantes ni textos de cubierta delantera o trasera. Se dispone de una copia de la licencia en el apartado "GNU Free Documentation License" de este documento. ## Página 3 GNUFDL • PID_00169381 Introducción a los sistemas operativos Índice Introducción............................................................................................... 5 Objetivos....................................................................................................... 6 1. Clasificación del software. Definición de sistema operativo.. 7 2. Visión histórica de los sistemas operativos................................. 10 2.1. Los primeros sistemas computadores (la primera generación) ... 10 2.2. La segunda generación ................................................................ 11 2.3. La tercera generación .................................................................. 13 2.4. De la cuarta generación hasta ahora .......................................... 16 3. Los servicios que ofrece el sistema operativo............................. 19 3.1. Las llamadas al sistema ............................................................... 20 3.2. El intérprete de comandos .......................................................... 21 Resumen....................................................................................................... 22 Actividades.................................................................................................. 23 Glosario........................................................................................................ 24 Bibliografía................................................................................................. 25 ## Página 4 ## Página 5 GNUFDL • PID_00169381 5 Introducción a los sistemas operativos Introducción Un sistema computador está formado por los elementos siguientes: • El hardware, que hace referencia a la máquina física. • El software, que hace referencia al conjunto de programas que se ejecutan y que permiten sacar provecho de las prestaciones que ofrece el hardware. Sin software, el computador es prácticamente un objeto sin ninguna utilidad. El software permite almacenar información, procesarla y recuperarla. En gene- ral, también permite entablar una serie de actividades muy diversas que justi- fican la inversión económica en el sistema computador. Actualmente, un sistema computador consta de uno o más procesadores, me- moria, terminales, discos, impresoras y tarjetas de red, entre otros. Los disposi- tivos que contiene son de diversos tipos (magnético, mecánico, láser o inalám- brico, entre otros), tienen un funcionamiento muy variado y en poco tiempo se pueden convertir en obsoletos, por lo que serán sustituidos por nuevos tipos de dispositivos. Además, en general hay más de un usuario que utiliza a la vez el sistema computador. Así, si un usuario quiere utilizar el sistema computador de manera eficiente y con una cierta protección de su información respecto del resto de usuarios, difícilmente lo podrá conseguir sin ningún tipo de ayuda. Es evidente que tiene que haber alguna manera de conseguir que los usuarios puedan utilizar el sistema computador sin que tengan que ser conscientes de la complejidad del hardware. El problema se ha resuelto poniendo por encima del hardware una capa de Nota software con el objetivo de gestionar las diferentes partes del sistema compu- tador de forma eficiente y, al mismo tiempo, presentar al usuario una máqui- Utilizamos las siglas SO como abreviación de sistema operati- na virtual mucho más sencilla de comprender y utilizar. Esta capa de softwa- vo. re es el llamado software de sistema, cuya parte más importante es el sistema operativo (SO). ## Página 6 GNUFDL • PID_00169381 6 Introducción a los sistemas operativos Objetivos En los materiales didácticos de este módulo, presentamos los contenidos y las herramientas necesarias para alcanzar los objetivos siguientes: 1. Tener una visión cuanto más clara mejor de lo que es un sistema operati- vo. A causa de la complejidad del concepto, formulamos su definición a partir de la descripción de las funciones que cumple el sistema operativo dentro del sistema computador y a partir del proceso evolutivo que han experimentado los sistemas operativos a lo largo de la historia, desde los primeros computadores hasta nuestros días. 2. Comprender la visión externa del sistema operativo: desde el punto de vista del usuario que utiliza el sistema operativo para consultar, modifi- car, crear, destruir y almacenar información y desde el punto de vista del usuario como programador de aplicaciones que se ejecutarán sobre este sistema operativo. ## Página 7 GNUFDL • PID_00169381 7 Introducción a los sistemas operativos 1.Clasificación del software. Definición de sistema operativo En la figura 1, se muestra un esquema general del software que incluye un sistema computador: Figura 1. Esquema de un sistema computador en el que se muestra una clasificación de los tipos de softwares. La capa inferior corresponde al hardware del computador. Por encima de ésta, encontramos el sistema￿operativo. Es muy difícil dar una definición exacta y precisa del término sistema operativo, que generalmente se define a partir de las funciones que desarrolla. Básicamente, son las dos funciones que presentamos acto seguido: 1) Gestión eficiente de los recursos del sistema: El SO controla el acceso eficiente a los recursos del computador: la me- moria principal, la unidad central de proceso (CPU, procesador) y los dispositivos. Es decir, el SO se encarga principalmente de tareas de pro- tección y de utilización eficiente del sistema computador. En general, en un sistema computador tenemos muchos programas que se (1)El SO protege el acceso a la me- ejecutan al mismo tiempo, son programas que pueden pertenecer a uno o a moria entre diferentes usuarios y entre usuarios y el mismo SO. Esto varios usuarios, que compiten por los diferentes recursos del sistema (disco o se estudiará con detalle en el mó- memoria, por ejemplo). El sistema operativo reparte el tiempo de CPU entre los dulo 3. diferentes programas y consigue una ejecución concurrente, protege el acceso a la memoria1 y coordina el acceso a los dispositivos (ya sean discos, memoria o impresora). ## Página 8 GNUFDL • PID_00169381 8 Introducción a los sistemas operativos 2) Presentación a los usuarios de una máquina virtual mucho más sencilla de utilizar: El sistema operativo proporciona un entorno de trabajo al usuario y a los programas de aplicación que permite utilizar el computador (ejecutar programas) de manera más fácil e intuitiva. Desde este punto de vista, el sistema operativo proporciona al usuario una máquina virtual mucho más fácil de entender y utilizar por el hecho de esconder la complejidad del hardware. Lectura de un fichero Por ejemplo, si no existiera el sistema operativo, a la hora de leer un fichero, el usuario necesitaría comprender y ocuparse de los detalles técnicos del disco: cómo ha sido for- mateado (por ejemplo FAT, NTFS o EXT2), la geometría del disco (como el número de caras, pistas o sectores), el posicionamiento de los cabezales y la lectura, entre otros. El sistema operativo nos permite hacer la lectura de datos de un fichero con una operación mucho más sencilla e intuitiva, que no exige al usuario ningún conocimiento detallado del funcionamiento del disco. Con la operación read(nombre_fichero,pos,reg) se indica que se quiere leer del fichero nombre_fichero del registro reg, que está en la posición pos. Más adelante, veremos que estas operaciones reciben el nombre de llamadas al sis- tema (system calls) y el conjunto de llamadas al sistema ofrecidas por el sistema operativo constituyen la API (application programming interface) del sistema operativo. Por encima del sistema operativo tenemos el￿resto￿de￿software￿de￿sistema, Bibliotecas de rutinas que consta de bibliotecas de rutinas y de aplicaciones de sistema como el in- térprete de comandos (shell), compiladores, editores y, en general, programas En algunos textos escritos en catalán o en castellano, se uti- que facilitan la comunicación entre el sistema operativo y el usuario. liza el término librería en lugar del término biblioteca a causa de una traducción incorrecta Un usuario puede tener la sensación de que el intérprete de comandos y las del término inglés original (li- brary). Una biblioteca de ru- demás aplicaciones del sistema también forman parte del sistema operativo tinas es un conjunto de ruti- nas de uso común y que se en- porque estas aplicaciones se instalan junto con el sistema operativo. Además, cuentra disponible para todos los usuarios. muchos usuarios no tienen que ser conscientes de la existencia de las llamadas al sistema porque interaccionan con el sistema operativo de forma indirecta utilizando estas aplicaciones. Es importante darse cuenta de la diferencia entre el sistema operativo y el resto de software de sistema: 1) Una manera de darse cuenta de la frontera existente dentro del software de sistema es que un usuario cualquiera de un sistema computador no tendría que estar obligado a utilizar las aplicaciones de sistema disponibles; si quiere, tendría que poder utilizar otras o incluso implementarlas él mismo, sin necesi- tar ninguna autorización especial. Por ejemplo, el usuario puede seleccionar el intérprete de pedidos, editor, compilador, etc. que quiere utilizar. En cambio, todos los usuarios están obligados a utilizar el software que forma parte del sistema operativo; únicamente usuarios autorizados pueden introducir modi- ficaciones dentro del código del sistema operativo. ## Página 9 GNUFDL • PID_00169381 9 Introducción a los sistemas operativos 2) Otra diferencia entre el sistema operativo y el resto de software es que, al Software y lenguaje fin y al cabo, todo el software se ejecuta sobre el procesador como instruccio- máquina nes de lenguaje máquina. Para garantizar que los sistemas operativos puedan Encontraréis más información hacer su trabajo correctamente, es necesario que el procesador sea consciente sobre el software y su ejecu- ción sobre el procesador como de cuándo está ejecutando el código propio del sistema operativo. Eso es de- instrucciones de lenguaje má- bido al hecho de que el código propio del sistema operativo tendría que po- quina en el módulo 2. der llevar a cabo operaciones privilegiadas, mientras que el resto del software no. Los procesadores disponen de diversos modos de ejecución: un modo de ejecución privilegiado para ejecutar código propio del sistema operativo y un modo no privilegiado (usuario) para ejecutar cualquier otro código (bibliote- cas, aplicaciones de sistema, aplicaciones de usuario). 3) Sin embargo, es posible que en algún documento encontréis que se hable de sistema operativo para referirse a todo el software de sistema presentado en la figura 1. En este caso, se acostumbra a utilizar el término núcleo o kernel del sistema operativo para referirse a la capa que se encuentra inmediatamente encima del hardware del sistema computador. Finalmente, sobre el software de sistema está el software￿de￿aplicación. Una parte de este software la utiliza el usuario sobre todo para resolver problemas específicos. En este nivel encontramos hojas de cálculo, procesadores de tex- tos, navegadores web, lectores de correo electrónico y juegos, entre otros. ## Página 10 GNUFDL • PID_00169381 10 Introducción a los sistemas operativos 2.Visión histórica de los sistemas operativos Para entender bien qué es un sistema operativo y para qué sirve nos puede ayudar a conocer su evolución. A continuación, explicamos cómo han evolu- cionado los sistemas operativos desde las versiones más primitivas (monitores residentes y sistemas operativos por lotes), pasando por los sistemas operati- vos multiprogramados y con tiempo compartido, hasta los sistemas operati- vos distribuidos y los sistemas operativos en red, los sistemas operativos en tiempos reales y para dispositivos empotrados (embedded). No es fácil separar el desarrollo de la arquitectura de los computadores de la evolución de los sistemas operativos, esencialmente porque los sistemas ope- rativos han evolucionado en función de los cambios tecnológicos para inten- tar sacar el máximo provecho de las nuevas tecnologías. A su vez, éstas han dado soluciones a muchos problemas que han ido surgiendo en los sistemas operativos. 2.1. Los primeros sistemas computadores (la primera generación) Al principio, sólo existía el hardware del computador. La tecnología utilizada en la construcción de los primeros computadores eran las válvulas de vacío, que obligaban a construir unos aparatos monstruosamente grandes. En esta primera época, no había sistema operativo y el usuario interaccionaba directamente con el hardware del computador. Para programar estos aparatos había que configurar manualmente una serie de interruptores y de cuadros de conexión. Evidentemente, la programación de la máquina a este nivel era muy poco productiva, tanto para el usuario como para el hardware. El proceso de introducción de programas, que era largo y complicado, hacía inviable la ejecución de programas medios y grandes en este entorno. Estos primeros computadores se utilizan para efectuar cálculos matemáticos en cuestiones militares, por ejemplo, para calcular trayectorias balísticas y tablas de senos y cosenos. ## Página 11 GNUFDL • PID_00169381 11 Introducción a los sistemas operativos Hacia el final de esta época empiezan a aparecer dispositivos como las impre- soras de cintas de papel y los lectores de tarjetas perforadas. Eso permitió co- dificar los programas utilizando tarjetas perforadas y almacenar el resultado en cintas de papel o bien en tarjetas perforadas. 2.2. La segunda generación Figura￿2 La aparición del transistor en la década de 1950 permitió construir compu- El ENIAC, Electronic Numerical Integrator and Computer (computador e integrador numérico tadores mucho más pequeños y más fiables, de manera que ya se podían fa- electrónico), pesaba aproximadamente 30 toneladas, ocupaba 150 m2 y consumía una bricar con la idea de venderlos. Eran máquinas muy caras y sólo estaban al potencia de 150 kW. alcance de las grandes corporaciones, instituciones como el ejército, las uni- versidades y el gobierno. Paralelamente, constatamos los hechos siguientes: • Aparecen dispositivos de entrada/salida nuevos: los lectores de tarjetas per- foradas y las impresoras. • También se inventan dispositivos de almacenamiento nuevos: las unida- des de disco y las cintas magnéticas. • Se desarrolla el primer software de sistema, que incluye ensambladores, (2)Algol, Cobol o Fortran compiladores de lenguajes de programación de alto nivel2, cargadores, (3)Impresoras, monitores y tarjetas montadores (linkers), bibliotecas de funciones matemáticas y rutinas es- perforadas tándar de entrada/salida de los diferentes dispositivos que pueden utilizar los programas3. Con este nuevo entorno, se mejora considerablemente el proceso de progra- mación y ejecución de programas respecto de la etapa inicial. En esta etapa, el proceso tiene lugar siguiendo los pasos siguientes: 1) Los programas se escriben en lenguajes ensambladores o de alto nivel; una vez creados se llaman código fuente (source code). 2) Los programas se traducen de manera automática mediante los compilado- res/traductores (aplicaciones de sistema) a lenguaje máquina: • Si hay errores de sintaxis, hay que corregirlos y volver a hacer la traduc- ción. Figura￿3 Las tarjetas y las cintas perforadas se utilizaban • Si no hay errores sintácticos, el código objeto producido a partir del código para programar los computadores y para recibir los resultados de sus cálculos mediante fuente por el traductor/compilador se puede cargar en memoria y ejecutar. máquinas lectoras-perforadoras de tarjetas. 3) Otra aplicación de sistema, el cargador, automatiza el proceso de cargar el programa en memoria para ejecutarlo. ## Página 12 GNUFDL • PID_00169381 12 Introducción a los sistemas operativos 4) Después de transferir el control al programa cargado por medios manuales o automáticos, empieza la ejecución del programa. Una vez cargado en memoria, el programa se puede reejecutar con diferentes datos y los resultados se sacan por la impresora o en cinta de papel. Si se de- tectan errores en los tiempos de ejecución, es posible determinar dónde se han producido mediante un vertido de la memoria y de los registros del compu- tador o bien utilizando el programa depurador (debugger). En este sistema, las rutinas de entrada/salida, junto con el programa cargador, se pueden considerar una primera versión muy rudimentaria del sistema ope- rativo. Los traductores de lenguaje de alto nivel, los editores y los depurado- res son aplicaciones de sistema que se incluyen en los diferentes servicios que ofrece el sistema operativo, pero generalmente se considera que no forman parte del mismo. A pesar de todas estas mejoras, el modo de operación seguía siendo poco eficaz a causa de las diversas operaciones manuales que había que efectuar y que comportaban una utilización baja de los recursos del sistema. Como el coste económico del sistema computador era elevado, no es extraño que se buscaran maneras de aprovechar el tiempo perdido y aumentar la utilización de los recursos del sistema con el fin de eliminar los tiempos muertos generados por las operaciones manuales. El primer objetivo fue automatizar al máximo todas las operaciones utilizando (4)Uso de cintas magnéticas en lu- hardware. Pero, a pesar de la automatización de estas operaciones y la mejora gar de tarjetas perforadas de los dispositivos4, la velocidad de las operaciones de entrada/salida de datos seguía siendo demasiado lenta en comparación con la velocidad del procesa- dor y la de la memoria. Como no era posible reducir el coste temporal de las operaciones de entra- da/salida, se intentó al menos efectuarlas el mínimo número de veces posible. La idea era agrupar los trabajos de manera que las operaciones auxiliares tan sólo se ejecutaran una vez para todos los trabajos del grupo. Este sistema se llama sistema￿por￿lotes (sistema batch). El sistema por lotes podría funcionar, por ejemplo, de esta forma: agrupando en un lote (5)Las siglas JCL provienen de la todos los programas escritos en lenguaje de alto nivel Fortran sólo se tiene que cargar una abreviación de la expresión inglesa vez el compilador de Fortran y los trabajos que se hacen dentro del lote se pueden procesar job control language. el uno detrás del otro con un secuenciamiento automático. Para que sea posible este secuenciamiento automático, se tiene que poder indicar al sistema operativo al menos cuándo empieza y cuándo finaliza un programa dentro del lote. En este punto, hay que introducir el concepto de lenguaje de control de trabajos (JCL5). Con este lenguaje, se podía indicar al sistema operativo el inicio y la finalización de un trabajo, dar órdenes de carga y ejecución y solicitar ciertos recursos del computador (como el tiempo de CPU o la cantidad de memoria). En los computadores de la segunda generación, la ejecución de los programas era totalmente secuencial. Cuando un programa se detenía para esperar la fi- nalización de una operación de entrada/salida (de una unidad de cinta o de ## Página 13 GNUFDL • PID_00169381 13 Introducción a los sistemas operativos cualquier otro dispositivo), la unidad central de proceso (CPU) sencillamente se detenía y también se esperaba que la operación de entrada/salida acabara. En el caso de programas científicos, en los que domina el cálculo de operacio- nes en coma flotante (que se efectúa en la CPU) y las operaciones de entra- da/salida son poco frecuentes, este sistema de trabajo ya era bastante eficiente. A pesar de esta automatización, la CPU seguía estando mucho tiempo para- da. El problema principal era la diferencia de velocidades entre la CPU y los dispositivos: las CPU en este periodo eran lentas, pero los lectores de tarjetas todavía lo eran más. Por lo tanto, la CPU estaba mucho tiempo detenida es- perando que finalizara una operación de entrada/salida. Para intentar reducir al máximo estas diferentes velocidades de trabajo, apareció el trabajo￿fuera de￿línea (off-line). Con este sistema, se intentaba solapar las operaciones de entrada/salida con la ejecución de programas. Mientras los programas escritos en tarjetas se leían y se pasaban a cinta en una máquina, en otra máquina se podían ejecutar otros programas que ya habían sido cargados anteriormente en otra unidad de cinta. Posteriormente, se idearon otras técnicas de solapamiento como el almace- naje￿en￿la￿memoria￿intermedia (buffering), que consiste en solapar las ope- raciones de entrada/salida de un programa con las operaciones de cálculo del mismo programa. La aparición del disco, dispositivo de acceso directo, proporcionó una nueva técnica de trabajo: la gestión￿de￿colas (spooling), que permitía solapar las ope- raciones de entrada/salida de diferentes trabajos mientras se estaban ejecutan- do otras operaciones. 2.3. La tercera generación La tercera generación de computadores surge a mediados de la década de 1960 y tecnológicamente se basa en los circuitos integrados. Estas máquinas nuevas son mucho más pequeñas que las de la segunda generación y también son mucho más rápidas. Con la aparición de computadores más pequeños y fiables gracias a las nuevas tecnologías y a la posibilidad de incrementar la producción de computadores, los costes de fabricación se abaratan y así nace un sector informático comercial muy importante. Los computadores se ponen al alcance de empresas media- namente grandes y empieza el uso comercial de la informática. Figura￿4 La serie IBM 360. El primer grupo de computadores construidos con circuitos integrados fue el de la serie 360 de IBM. Otro aspecto muy importante de esta nueva generación es el hecho de que se introducen mecanismos nuevos, como interrupciones, protección o búsqueda de una concurrencia máxima de operación. Paralelamente, se desarrollan el hardware y el software, que dieron lugar a los elementos siguientes: ## Página 14 GNUFDL • PID_00169381 14 Introducción a los sistemas operativos • periféricos más eficaces y rápidos; • terminales remotos (con los que se puede acceder a bases de datos y actua- lizar cuentas corrientes, entre otros); • lenguajes de programación de uso general, pensados para que pudieran ser utilizados por diferentes computadores con características de hardwa- re muy diversas. Se estandarizan los lenguajes de alto nivel ya existentes (Fortran, Algol, Cobol, PL/1) y aparecen otros, como el Basic y el Pascal. Una de las técnicas más innovadoras de esta generación es la multiprograma- ción, que permite solapar la ejecución de diversos programas. En el procesamiento de datos comerciales, el tiempo de espera en razón de operaciones de entrada/salida puede representar el 90% del tiempo total de ejecución. Si nuestro computador está ejecutando únicamente un programa, estaremos desperdiciando el procesador todo este tiempo de espera. La solu- ción del problema será la introducción de la multiprogramación, es decir, la capacidad de multiplexar la utilización del procesador entre diversos progra- mas de manera que, aparentemente, el procesador esté ejecutando diversos programas de forma simultánea. Durante la ejecución de un programa, generalmente podemos distinguir entre fases de cálculo intensivo y fases en las que se efectúan operaciones de entra- da/salida de manera intensiva. Eso se ilustra en la figura 5, en la que las fa- ses de cálculo intensivo se indican mediante rectángulos grises y las de entra- da/salida, con rectángulos blancos. La ejecución secuencial de dos programas se muestra en el punto a. Ejecución secuencial. Para simplificarlo, supondremos que los programas tienen un comportamiento idéntico. Figura 5 Rectángulos oscuros: fases de cálculo intensivo. Rectángulos claros: fases de entrada/salida. ## Página 15 GNUFDL • PID_00169381 15 Introducción a los sistemas operativos Tal como se puede deducir de la figura 5, durante la ejecución secuencial de los dos programas, la CPU o bien los dispositivos de entrada/salida están inac- tivos en algún momento. Una manera de solucionar este problema es asignar alguna otra tarea a la CPU o a los dispositivos de entrada/salida cuando, por algún motivo, estén inactivos. Si es posible ejecutar los programas de mane- ra concurrente, éstos pueden proporcionar trabajo tanto a la CPU como a los dispositivos en cualquier momento durante la ejecución de los dos programas. En el punto b. Ejecución concurrente de la figura 5 se muestra un posible escena- rio de la ejecución concurrente de los dos programas. El procesador empieza ejecutando el primer proceso, el proceso A, y, cuando éste lleva a cabo una operación de entrada/salida, el procesador, en lugar de quedarse inactivo, pasa a ejecutar el segundo proceso, el proceso B, que se supone que se encuentra en la memoria esperando a ser ejecutado. Cuando este segundo proceso se acaba o bien solicita una operación de entrada/salida, el procesador vuelve a ejecu- tar el proceso A. El proceso sigue alternando la ejecución de los dos procesos hasta que finalizan los dos. Tal como se puede ver en el esquema de la figura 5, con la ejecución concu- rrente, o multiprogramada, se puede incrementar considerablemente el ren- dimiento del computador: el tiempo de ejecución de los dos programas que- da reducido de diez unidades en la ejecución secuencial a seis unidades en la ejecución concurrente y la utilización del sistema en este segundo caso es de un 100%. El ejemplo que hemos presentado, aunque es muy representativo, no es real, ya que generalmente la distribución de las fases de cálculo y pro- gramación son más variables, de manera que no siempre se consigue que el procesador y los dispositivos estén activos. Para aumentar la utilización de los recursos del sistema computador, los siste- mas multiprogramados permiten la ejecución concurrente de más de dos pro- gramas, de los que se dice que están compitiendo por los recursos del sistema. El número de programas que están activamente en competencia por los recur- sos del sistema determina el grado￿de￿multiprogramación. La aparición de la multiprogramación permite desarrollar sistemas con múl- tiples usuarios conectados simultáneamente mediante terminales a un siste- ma computador. En este caso, el sistema multiprogramado puro no es muy eficiente, ya que, tal como hemos explicado anteriormente, la CPU deja de ejecutar un programa y pasa a ejecutar otro que esté pendiente de ejecución siempre que el programa que se está ejecutando establece una operación de entrada/salida o bien cuando finaliza. A causa de este funcionamiento, el tiem- po de respuesta que tiene un usuario que está conectado en modo interactivo puede ser considerablemente largo. ## Página 16 GNUFDL • PID_00169381 16 Introducción a los sistemas operativos Para solucionar este problema, se propone un nuevo mecanismo llamado (6)En el sistema operativo Linux, la tiempo￿compartido (time sharing). Con este mecanismo, los diferentes pro- duración del cuanto es un paráme- tro de configuración que se puede gramas que compiten por los recursos del sistema, entre los cuales está la CPU, escoger entre los valores 1 ms, 4 tienen asignada la CPU durante un periodo de tiempo limitado, llamado quan- ms y 10 ms. tum6. Así, cuando un programa deja de ejecutarse, libera la CPU por alguno de los tres motivos siguientes: • porque el programa finaliza, • porque el programa inicia una operación de entrada/salida, • porque ha pasado un cuanto de tiempo en ejecución. El cuanto de tiempo es lo bastante pequeño para que los programas de los diferentes usuarios que están conectados al sistema progresen de forma con- currente y cada usuario tenga la impresión de que es el único que utiliza el sistema. En esta generación, podemos enmarcar el nacimiento del sistema operativo UNIX, precursor del sistema operativo Linux. Ken Thompson, un científico de los laboratorios Bell, decidió implementar una versión simplificada de un ambicioso –pero sin éxito– proyecto de sistema operativo llamado MULTICS. Las buenas críticas de la primera versión del UNIX le animaron a escribir una nueva versión para una de las máquinas más populares de la época (PDP-11) y, por primera vez en la historia de los sistemas operativos, utilizando un lengua- je de alto nivel (el lenguaje C, creado para la ocasión). Como AT&T (propieta- ria de los laboratorios Bell) no estaba autorizada a hacer negocio en el sector informático, hacia 1974 empezó a distribuir el código fuente del UNIX a las universidades que lo pedían. A partir de ese momento, muchas universidades empezaron a utilizar, estudiar y mejorar el UNIX. Hacia 1984, AT&T recibió la autorización para operar en el sector informático y empezó a comercializar el UNIX System III y, posteriormente, el UNIX System V. Ahora bien, la Uni- versidad de Berkeley también distribuyó su versión del UNIX (BSD), que en- tre otras mejoras incorporaba el protocolo de comunicaciones TCP/IP, que ha resultado clave en el desarrollo de la red Internet. Además, muchas empresas comercializaron sus versiones del UNIX (como HP-UX, AIX, Solaris, Sun-OS o Ultrix). Esta gran familia de sistemas operativos no era totalmente compatible, por lo que se iniciaron diversos esfuerzos para estandarizar el sistema operativo UNIX. El esfuerzo más destacado fue POSIX (portable operating system interface). 2.4. De la cuarta generación hasta ahora Con la aparición de la integración a gran escala (LSI/VLSI), se inicia la era de los computadores personales (1974), a los que se aplican todos los mecanis- mos desarrollados hasta ahora (tanto de hardware como de software). Segura- mente, la aportación más importante de esta nueva generación son las redes de computadores (Internet e intranet). ## Página 17 GNUFDL • PID_00169381 17 Introducción a los sistemas operativos A partir de este momento y hasta nuestros días, los computadores se utilizan en cualquier ámbito: los usuarios en su casa (computador personal) o en la calle (PDA, teléfonos móviles), electrodomésticos, las pequeñas y grandes em- presas (software de gestión), las corporaciones, las universidades y los centros de investigación (supercomputadores y multicomputadores). En general, hay una explosión de recursos: nuevos dispositivos cada vez más avanzados (como impresoras láser o comunicaciones inalámbricas) y CPU cada vez más rápidas, sistemas con más memoria y discos con más capacidad. Surgen los sistemas￿operativos￿en￿red￿y￿los￿distribuidos, que permiten utili- zar recursos de máquinas remotas (como discos, CPU o software) con diferen- tes niveles de abstracción. También se introduce el concepto de sistema￿operativo￿en￿tiempo￿real referi- do a los sistemas que tienen que procesar datos, que generalmente se obtienen Figura 6. Interior del procesador 80486 de del exterior (sensores), en un tiempo limitado y dentro de periodos de tiempo Intel. determinados. Es importante ver que estos sistemas operativos se centran en Aplicaciones conseguir un tiempo de respuesta efectivo, mientras que la utilización adecua- da de recursos (gestión eficiente de la memoria) y la perspectiva del usuario Los sistemas operativos en tiempo real se utilizan en en- quedan en un segundo plano. tornos industriales, en equipos de conmutación telefónica, en control de vuelo en aviones En esta generación, podemos situar la aparición de los sistemas￿operativos y en simulaciones en tiempo real. encajados (embedded). Estos sistemas operativos se utilizan en computadores que controlan aparatos como televisores, reproductores de MP3, reproducto- res de DVD, lavadoras o teléfonos móviles sencillos. Estos dispositivos están diseñados para un uso muy concreto y el usuario difícilmente podrá instalar nuevo software. El hecho de que estos sistemas no tengan un propósito gene- ral permite simplificar el diseño de sus sistemas operativos. También podemos situar la aparición de los sistemas￿operativos￿para￿compu- tadores￿de￿bolsillo (handheld computers). Aquí, podemos incluir una serie de sistemas computadores prácticamente de propósito general, como PDA, telé- fonos móviles o consolas. Estos sistemas operativos cada vez son más sofisti- cados porque cada vez incorporan más prestaciones, permiten que el usuario instale nuevo software y tienen que controlar periféricos como pantallas grá- ficas, pantallas táctiles, cámaras de fotos, GPS o comunicaciones inalámbricas. Además, a diferencia de otros entornos, tienen que gestionar la energía de for- ma eficaz para aumentar el tiempo de autonomía de los equipos. Hay que señalar que, según qué uso se haga del sistema computador, interesa que el sistema operativo proporcione herramientas específicas a los usuarios que lo tienen que utilizar. Así, pues, se tienen que conseguir los objetivos si- guientes: • Los sistemas en red o los distribuidos tienen que desarrollar gestores de comunicación eficientes. ## Página 18 GNUFDL • PID_00169381 18 Introducción a los sistemas operativos • Los sistemas multiprogramados/multiusuario se tienen que centrar en conseguir tiempos de respuesta aceptables. • Los sistemas en tiempo real interesa que sean cuanto más sencillos mejor para poder procesar datos del exterior tan rápido como sea posible. En esta generación, podemos enmarcar el nacimiento de dos de los sistemas operativos más utilizados en el ámbito doméstico: la versión 1.0 del sistema operativo MS-DOS y el Linux. La versión￿1.0￿del￿sistema￿operativo￿MS-DOS fue introducida en 1981 por una modesta compañía de software llamada Microsoft. El MS-DOS era mono- usuario y tenía bastantes limitaciones y problemas de estabilidad debido a la falta de dos modos de ejecución (usuario y privilegiado) del hardware en el que se ejecutaba (el procesador 8088 de Intel). El MS-DOS fue evolucionan- do para adaptarse a los nuevos dispositivos de almacenamiento e incorporar nuevas prestaciones. Hacia 1990 apareció el Windows 3.0, una interfaz gráfi- ca para el MS-DOS, pero el sistema operativo seguía teniendo bastantes pro- blemas de estabilidad (la fatídica pantalla azul). Hacia 1993 apareció la línea Windows NT, seguida del Windows XP (2001), Windows Vista (2006) y Win- dows 7 (2009). Estos últimos sistemas ya eran multiproceso y multiusuario y consiguieron alcanzar grados muy altos de estabilidad porque aprovechaban las características avanzadas de los procesadores Intel. Para poder desarrollar aplicaciones portátiles entre las últimas versiones del Windows, Microsoft ha definido una interfaz estándar llamada Win32. El Linux nació en 1991 cuando un estudiante de informática finés, Linus Torvalds, decidió implementar una versión del UNIX que siguiera el estándar POSIX para procesadores 80386. Linus utilizó Internet para buscar una comu- nidad de voluntarios que le ayudara a mantener y mejorar el sistema operati- vo. El Linux se ofrece con una licencia de software libre, de manera que el có- digo fuente está disponible para todo el mundo. Ahora bien, para hacer usable el sistema operativo hay que disponer de software de sistema (como intérpre- tes de comandos, compiladores y editores). Las distribuciones del Linux (De- bian, Red Hat, Fedora, Knoppix, Ubuntu, entre otras) van acompañadas por las aplicaciones desarrolladas por la comunidad GNU. Por lo tanto, algunos hablan de distribuciones GNU/Linux para referirse a todo el software de sis- tema utilizado en las instalaciones del Linux. Este sistema está en evolución constante, se adapta a nuevas arquitecturas y cada vez es más amigable para usuarios no expertos y para usuarios acostumbrados a los sistemas Windows. ## Página 19 GNUFDL • PID_00169381 19 Introducción a los sistemas operativos 3.Los servicios que ofrece el sistema operativo El sistema operativo ofrece una gran variedad de servicios que iremos amplian- do en los siguientes módulos. Si nos fijamos en su función, los servicios se pueden clasificar en gestión de procesos, señalización de procesos, gestión de dispositivos de entrada/salida, gestión directa de los recursos del sistema, gestión del sistema de archivos, protecciones y funciones de tiempo. A continuación, describimos algunas de estas clases: 1)￿Gestión￿de￿procesos: el concepto de proceso es uno de los más importantes de la asignatura, engloba todos los recursos necesarios para ejecutar un pro- grama. En este apartado, englobamos los servicios que hacen referencia a la creación y eliminación de procesos, pero también podemos encontrar otros servicios, como la suspensión y la reanimación de procesos. También podemos modificar atributos de ejecución, como es la prioridad o el tiempo de cuota de CPU asignado. 2)￿Señalización￿entre￿procesos: en un sistema multiproceso, el nexo natural de unión entre todos los procesos es el sistema operativo. Éste ofrece servicios para comunicar y sincronizar procesos. 3)￿Gestión￿de￿dispositivos￿de￿entrada/salida: los servicios relacionados con el sistema de entrada/salida tienen como funciones principales crear, abrir y cerrar canales de entrada/salida, así como escribirlos y leerlos. 4)￿Gestión￿directa￿de￿los￿recursos￿del￿sistema: este grupo de servicios es muy específico de cada sistema operativo, pero un ejemplo común es la gestión de la memoria. Algunas de las operaciones que se efectúan con la memoria del sistema son asignar, liberar, proteger y compartir. 5)￿Gestión￿del￿sistema￿de￿archivos: junto con el bloque de servicios de en- trada/salida, también es un grupo de servicios muy utilizado. La gestión del sistema de ficheros incluye funcionalidades como crear y eliminar ficheros y directorios o cambiar de directorio. Para poder solicitar estos servicios hay que utilizar las llamadas￿al￿sistema que ofrece el sistema operativo. Ahora bien, aunque las llamadas al sistema resultan un mecanismo muy cómodo para los usuarios programadores, no es así para los usuarios finales del sistema operativo. Por lo tanto, mientras que los usuarios programadores solicitarán estos servicios directamente utilizando ## Página 20 GNUFDL • PID_00169381 20 Introducción a los sistemas operativos llamamientos al sistema, los usuarios finales solicitarán estos servicios de for- ma indirecta, utilizando el intérprete de órdenes o de otras aplicaciones de sistema. 1) Las llamadas￿al￿sistema permiten realizar peticiones directas al sistema operativo. Las llamadas al sistema son la visión que tiene un programador de los servicios que puede ofrecer el sistema operativo. Los lenguajes de alto nivel en última instancia hacen una llamada al sistema. 2) A un nivel más próximo al usuario, el software de sistema ofrece un pro- grama, el llamado intérprete￿de￿comandos, gracias al cual el usuario puede dialogar con el sistema operativo sin necesidad de escribir ningún programa. 3.1. Las llamadas al sistema Ved también Las llamadas al sistema (system calls) ofrecen las funciones básicas para poder utilizar todos los recursos del sistema de manera correcta y con- En la figura 1 del apartado 1, las llamadas al sistema corres- trolada. ponderían a los diversos pun- tos de entrada a la caja del sis- tema operativo. Desde el punto de vista del programador, una llamada al sistema no es más que una rutina con una serie de parámetros de entrada, una serie de parámetros de salida y una semántica asociada. Cada sistema operativo ofrece un repertorio de llamadas al sistema (como referencia, la versión 2.6.32 del sistema operativo Linux ofrece 337 llamadas al sistema). Este repertorio de llamadas al sistema constituye la API (application programming interface) del sistema operativo. Los diseñadores de cada sistema operativo han decidido qué repertorio de lla- madas al sistema ofrecen y qué semántica asocian. Comparando el repertorio de llamadas al sistema de diferentes sistemas operativos, podemos encontrar semejanzas y diferencias significativas. Tanto el UNIX como el Win32 ofrecen una llamada al sistema para leer datos de un canal de E/S. En el caso del UNIX, la interfaz es ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); en el caso del Win32, la interfaz es BOOL ReadFile(HANDLE hFile, LPVOID lpBuffer, DWORD nNumberOfBytesToRead, LPDWORD lpNumberOfBytesRead, LPOVERLAPPED lpOverlapped). En cambio, la llamada al sistema UNIX que permite crear un proceso tiene la in- terfaz pid_t fork(void); mientras que el equivalente Win32 tiene la interfaz BOOL CreateProcess(LPCTSTR lpApplicationName, LPTSTR lpCommandLi- ne, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes, LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes, BOOL bInheritHandles, DWORD dwCreationFlags, LP- VOID lpEnvironment, LPCTSTR lpCurrentDirectory, LPSTARTUPINFO lpStar- tupInfo, LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation). ## Página 21 GNUFDL • PID_00169381 21 Introducción a los sistemas operativos 3.2. El intérprete de comandos Ved también El intérprete de comandos (o shell) es un programa encargado de inter- pretar y comunicar al SO lo que quiere hacer el usuario del sistema. Este En la figura 1 del apartado 1, el intérprete de comandos co- programa reconoce un conjunto limitado de órdenes que, básicamen- rrespondería a una de las apli- te, permiten al usuario ejecutar programas y acceder, modificar, crear y caciones que encontramos dentro del software de siste- proteger la información. Se implementa mediante llamadas al sistema. ma. Mientras los terminales no disponían de prestaciones gráficas, los intérpretes de comandos trabajaban en modo texto; actualmente, también hay intérpretes de comandos que trabajan en modo gráfico. Figura 7. Intérprete de órdenes en modo texto Figura 8. Intérprete de órdenes en modo gráfico ## Página 22 GNUFDL • PID_00169381 22 Introducción a los sistemas operativos Resumen Los sistemas operativos han evolucionado durante las últimas décadas, orien- tados hacia dos objetivos principales: 1) Gestionar de manera eficiente los recursos del sistema computador. 2) Proporcionar un entorno que facilite el desarrollo y la ejecución de progra- mas. Inicialmente, se trabajaba con lenguaje máquina, pero la aparición de lenguajes de alto nivel, compiladores y cargadores han facilitado la tarea de programación. Por otra parte, la evolución del hardware (dispositivos cada vez más rápidos) determina en cada momento los métodos de trabajo y las técnicas que se desa- rrollan. Inicialmente existían los sistemas por lotes (batch) y las operaciones fuera de línea (off-line) que permitían solapar operaciones de entrada/salida con ope- raciones de cálculo. Con los sistemas operativos multiprogramados, diversos programas se cargan en la memoria y la CPU hace una ejecución concurrente para intentar conseguir estar siempre ocupada. Finalmente, tenemos el tiempo compartido, que hace que diversos usuarios puedan utilizar un computador interactivamente al mismo tiempo. Otros sistemas operativos incluyen los conceptos de red, distribución de re- cursos y tiempo real. Finalmente, hemos introducido los servicios que suele ofrecer un sistema ope- rativo. Estos servicios se pueden solicitar utilizando llamadas al sistema. Para facilitar el trabajo a los usuarios finales del sistema operativo, dentro del soft- ware de sistema encontramos una aplicación, el intérprete de órdenes, que esconderá al usuario final la complejidad inherente a las llamadas al sistema. ## Página 23 GNUFDL • PID_00169381 23 Introducción a los sistemas operativos Actividades 1. ¿Cuáles son las dos funciones principales de un sistema operativo? 2. ¿Qué es la multiprogramación? ¿Cuál es su ventaja principal? 3. ¿El concepto de multiprogramación tiene sentido en sistemas operativos en tiempo real? ¿Por qué? ¿Y el concepto de tiempo compartido? ¿Por qué? 4. Buscad en Internet más información sobre las diversas versiones del MS-DOS/Windows. 5. Buscad en Internet más información sobre la historia del UNIX y del Linux. Intentad obtener un diagrama en el que aparezcan los sistemas operativos de la familia UNIX. 6. Buscad en Internet el mensaje que Linus Torvalds envió el 25 de agosto de 1991 anuncian- do que estaba trabajando en un sistema operativo (Linux). Leed las reacciones que provocó. 7. Buscad en Internet información sobre los sistemas operativos utilizados por los compu- tadores Apple. ## Página 24 GNUFDL • PID_00169381 24 Introducción a los sistemas operativos Glosario almacenaje en la memoria intermedia  m Almacenaje que permite solapar el procesa- miento de un trabajo con su propia entrada/salida. en buffering buffering  Ved almacenaje en la memoria intermedia. gestión de colas  f Gestión que permite solapar la entrada/salida de un trabajo con la en- trada/salida de otro. en spooling sistema monousuario  m  Software que permite utilizar y gestionar el ordenador. Com- prende el sistema operativo (núcleo o kernel), que se ejecuta en modo de ejecución privile- giado, y las bibliotecas, los editores, el intérprete de órdenes, los compiladores, etc., que se ejecutan en modo de ejecución no privilegiado (usuario). sistema multiprogramado  m  Sistema que permite que diversos procesos compartan el procesador. Cuando un proceso deja de ejecutarse (al finalizar o bien al establecer una petición de entrada/salida), el procesador pasa a ejecutar otro proceso. sistema multiusuario  m  Sistema que distingue entre diferentes usuarios (grupos de usua- rios) y permite controlar el acceso a la información por parte de los diferentes grupos de usuarios que se puedan definir. sistema operativo distribuido  m  Sistema que está conectado en red y permite compartir recursos. Un usuario no tiene que saber necesariamente dónde se ejecutan sus procesos o qué recurso concreto de la red está utilizando. El sistema gestiona todos los recursos de manera transparente para el usuario. sistema operativo en red  m  Sistema que está conectado por una red de interconexión. El usuario sabe en todo momento en qué máquina de la red se ejecutan sus procesos. sistema operativo en tiempo real  m  Sistema operativo que tiene que ser capaz de reac- cionar en un tiempo máximo determinado ante acontecimientos externos. sistema por lotes  m  Manera de utilizar un computador en el que la ejecución de los trabajos no es interactiva. La ejecución de los trabajos suele ser secuencial. software de sistema  m  Software que permite utilizar y gestionar el computador. Com- prende el sistema operativo (núcleo o kernel, que se ejecuta en modo de ejecución privilegia- do, y las bibliotecas, los editores, el intérprete de órdenes y los compiladores, entre otros que se ejecutan en modo de ejecución no privilegiado (usuario). spooling  Ved gestión de colas. tiempo compartido  m  Sistema en que diversos procesos pueden compartir el procesador. En este caso, cada proceso tiene asignado el procesador por un tiempo máximo, un quantum. El procesador se asigna a otro proceso cuando el proceso actualmente en ejecución llega al final de su ejecución, realiza una operación de entrada/salida o agota su quantum. trabajo fuera de línea  m  Trabajo que se efectúa en un dispositivo fuera de línea. Un dispositivo está fuera de línea si está desconectado del computador y, por lo tanto, no puede llevar a cabo ningún tipo de transferencia directa. ## Página 25 GNUFDL • PID_00169381 25 Introducción a los sistemas operativos Bibliografía Silberschatz, A.; Galvin; Gagne, G. (2008). Operating Systems Concepts (8.ª ed.). John Wiley & Sons. Tanembaum, A. (2009). Modern Operating Systems. Prentice Hall. ## Página 26