¿Qué es un Sistema Operativo?

Un sistema operativo es un conjunto de programas que administra los recursos de una computadora y crea una interfaz para que puedas usar esos recursos. Actúa como intermediario entre tú y el hardware, permitiéndote ejecutar programas sin preocuparte por los detalles técnicos.

Cuando le pides al sistema operativo que ejecute un programa, éste reserva los recursos necesarios (memoria, procesador, etc.) y lo inicializa para que comience a funcionar. Además, cuando los programas necesitan leer del teclado, mostrar algo en pantalla o acceder al disco, deben solicitarlo al sistema operativo.

También ofrece servicios a diferentes tipos de usuarios. Los administradores del sistema pueden crear usuarios, definir privilegios y configurar dispositivos. Los programadores acceden a llamadas al sistema para desarrollar aplicaciones. Y los usuarios finales interactúan con interfaces amigables que les permiten utilizar sus aplicaciones favoritas.

💡 El sistema operativo es como un director de orquesta: no toca ningún instrumento pero coordina que todos funcionen en armonía.

Tipos de Usuarios y sus Necesidades

Los sistemas operativos están diseñados para satisfacer las necesidades de diferentes perfiles de usuarios:

Los administradores de sistema necesitan herramientas sencillas para agregar o quitar dispositivos, gestionar usuarios y sus privilegios, actualizar el sistema y acceder a herramientas de seguridad como firewalls. Ellos trabajan con una interfaz de nivel más bajo que les da mayor control sobre el sistema.

Los programadores de aplicaciones requieren mecanismos sencillos para que sus programas interactúen con el sistema operativo mediante llamadas al sistema. Necesitan una vista consistente del sistema y facilidades para usar servicios de alto nivel, como crear ventanas o conectarse a la red.

Los programadores de sistema necesitan acceso a un nivel más bajo de abstracción porque desarrollan software que interactúa directamente con el hardware. Ellos requieren facilidad tanto para crear programas correctos como para mantenerlos y expandirlos.

Los usuarios finales buscan sistemas fáciles de usar y aprender, que se adapten a su estilo personal, ofrezcan respuestas rápidas, proporcionen indicaciones visuales claras, no tengan sorpresas desagradables y cuenten con formas uniformes y alternativas de realizar las mismas tareas.

🔍 Un buen sistema operativo debe equilibrar las necesidades de todos estos usuarios, aunque a veces tengan requerimientos contradictorios.

Vistas del Sistema Operativo

El sistema operativo maneja dos tipos de vistas que facilitan su interacción con usuarios y hardware:

La vista del usuario es una abstracción de alto nivel que muestra los recursos de manera accesible. Por ejemplo, en vez de ver bits en el disco, ves archivos y carpetas organizadas jerárquicamente. En Windows, los discos aparecen como letras (C, D, F), mientras que los programas aparecen como iconos que puedes ejecutar con un doble clic.

La vista del sistema es una perspectiva de bajo nivel que permite al SO interactuar directamente con el hardware para administrar los recursos. Cuando realizas una operación simple como copiar un archivo de un CD a un disco, el sistema realiza múltiples operaciones complejas: verifica si el archivo existe en ambas ubicaciones, crea un nombre en el directorio, busca espacio en el disco, lee sectores del CD, escribe datos en el disco y actualiza información del directorio.

¿Qué hace un Sistema Operativo?

Un sistema operativo proporciona una interfaz de alto nivel para que usuarios y programas interactúen con el hardware. El nivel de esta interfaz varía según el dispositivo y el tipo de usuario al que está dirigido.

Además, administra tanto los recursos físicos $CPU, memoria, dispositivos de entrada/salida$ como los recursos lógicos (archivos y directorios) de la computadora. Esta gestión eficiente de recursos permite que múltiples aplicaciones y usuarios puedan compartir el sistema sin interferir unos con otros.

🛠️ El sistema operativo actúa como un puente entre el mundo de los bits y bytes del hardware y las necesidades prácticas de los usuarios.

Recursos Gestionados por el Sistema Operativo

Los sistemas operativos modernos gestionan una amplia variedad de recursos tanto físicos como lógicos:

El procesador es administrado mediante algoritmos de planificación que deciden qué programa se ejecuta en cada momento. La memoria principal y cachés se gestionan para asignar espacio a los programas en ejecución y optimizar el acceso a datos frecuentes.

Los dispositivos de entrada/salida son controlados a través de interfaces que permiten agregar, eliminar y usar estos dispositivos. El sistema también gestiona el almacenamiento secundario, permitiendo particionarlo o formatearlo según las necesidades del usuario.

Los sistemas de archivos son administrados para organizar la información almacenada, mientras que las interfaces de usuario proporcionan medios para interactuar con el sistema. El acceso a redes es facilitado mediante mecanismos para conectarse a diferentes redes y recursos remotos.

El sistema operativo también proporciona protección y seguridad. La protección asegura que los programas no interfieran entre sí, mientras que la seguridad implementa mecanismos de autenticación (quién es cada usuario) y autorización (qué puede hacer cada usuario).

Los componentes de un sistema operativo están organizados en módulos de diferentes niveles. Los módulos de nivel superior incluyen la gestión de procesos, archivos, interfaces gráficas y seguridad. Los módulos de nivel inferior manejan la programación de la CPU, gestión de memoria, entrada/salida y redes.

El concepto de proceso es fundamental: un proceso es un programa en ejecución. Para ser considerado proceso, un programa debe haber sido iniciado por el sistema operativo, aunque no necesariamente esté ejecutándose todo el tiempo.

Estados de un Proceso

Un proceso pasa por diferentes estados durante su ciclo de vida, siguiendo un flujo que puede visualizarse como una máquina de estados:

El ciclo comienza cuando el programa es cargado desde el almacenamiento secundario a la memoria principal. En este momento, el proceso está en estado "nuevo" mientras el sistema operativo le asigna los recursos necesarios para ejecutarse.

Una vez que tiene todo lo que necesita, pasa al estado "listo", donde solo espera que le asignen tiempo de CPU. Cuando el sistema operativo le concede la CPU, pasa al estado "ejecución", donde sus instrucciones son procesadas activamente.

Durante la ejecución pueden ocurrir tres cosas: si el programa termina o el usuario lo cierra, pasa al estado "salir" donde permanece mientras el sistema libera sus recursos. Si necesita algo (como leer un archivo), se inserta una instrucción trampa que lo envía al estado "espera" mientras el sistema operativo le consigue lo solicitado.

Si el sistema operativo decide darle la CPU a otro programa, el proceso regresa al estado "listo" para esperar su próximo turno.

🔄 La transición entre estos estados es continua y permite que el sistema operativo administre eficientemente los recursos, dando la impresión de que múltiples programas se ejecutan simultáneamente incluso en computadoras con un solo procesador.

Información del Proceso

Para administrar los procesos, el sistema operativo mantiene información detallada sobre cada uno en una estructura llamada Bloque de Control de Proceso. Esta contiene datos esenciales como:

El identificador único de proceso, generalmente un número entero, que permite distinguirlo de otros procesos. La información sobre prioridad ayuda al sistema a decidir qué proceso atender primero en caso de conflicto.

El estado del procesador incluye el contenido de los registros de la CPU y la ubicación actual de instrucciones. Esta información se guarda cuando el proceso deja de ejecutarse para que pueda continuar exactamente desde donde quedó.

Los apuntadores a estructuras de datos permiten acceder a la memoria del proceso (como tablas de páginas) y a sus archivos abiertos, mientras que la información de seguridad y autorización define qué privilegios tiene según su dueño y grupo.

Tipos de Sistemas Operativos

Los sistemas operativos se clasifican según sus capacidades y propósitos:

Los SO Monotarea y Monousuario ejecutan un solo programa para un único usuario, comunes en las primeras computadoras. Los SO Multitarea y Monousuario permiten ejecutar varios programas pero para un solo usuario.

Los SO de Tiempo Compartido sirven a muchos usuarios ejecutando muchos programas simultáneamente, mientras que los SO de Red y Distribuidos se enfocan en conectar dispositivos y sistemas.

Los SO de Tiempo Real cumplen estrictos requerimientos de temporización, y los SO para Dispositivos Móviles buscan maximizar la duración de la batería.

⚙️ La elección del tipo de sistema operativo depende de las necesidades específicas del usuario y las características del hardware disponible.

Enfoques Arquitectónicos para Construir un SO

Los sistemas operativos pueden construirse siguiendo diferentes enfoques arquitectónicos, cada uno con sus ventajas y desventajas:

El enfoque con Núcleo Único y Monolítico implementa todo el sistema operativo como un único programa grande. Es eficiente en rendimiento pero más difícil de mantener y extender.

El enfoque de Micronúcleo mantiene el kernel pequeño, implementando la mayoría de los servicios como procesos a nivel de usuario. Aunque puede ser menos eficiente, ofrece mayor modularidad y estabilidad.

El enfoque por capas organiza el sistema con diferentes niveles de abstracción, donde cada capa solo interactúa con las inmediatamente superiores e inferiores. Esto facilita el diseño pero puede introducir sobrecarga de rendimiento.

El enfoque cliente-servidor divide la funcionalidad en servicios que se comunican mediante mensajes, permitiendo mayor flexibilidad y posibilidad de distribuir componentes.

La arquitectura en capas es una implementación común que ordena los componentes desde el nivel más bajo (controladores de dispositivos) hasta el más alto (shell e interfaz de usuario). Esta estructura facilita el desarrollo y mantenimiento al separar claramente las responsabilidades de cada componente.

🏗️ La elección de arquitectura determina cómo el sistema operativo equilibrará factores como rendimiento, estabilidad, modularidad y facilidad de desarrollo.

Arquitectura de Micronúcleo

La arquitectura de micronúcleo representa un enfoque distinto para construir sistemas operativos, basado en mantener el núcleo lo más pequeño posible. Esta estructura divide el sistema en dos modos principales:

En el modo del núcleo se ejecuta el micronúcleo, que contiene solo las funcionalidades esenciales del sistema: gestión básica de memoria, comunicación entre procesos, y programación de CPU. Este núcleo mínimo opera con privilegios completos sobre el hardware.

En el modo del usuario se ejecutan componentes que en sistemas monolíticos estarían dentro del núcleo: gestión de archivos, planificador de procesador, y memoria. También aquí funcionan las utilidades, el shell y las aplicaciones de usuario.

La comunicación entre estos componentes se realiza mediante un mecanismo de paso de mensajes, que permite que los servicios interactúen de manera segura y controlada. Esta separación tiene varias ventajas: si un componente falla, no compromete todo el sistema; es más fácil actualizar componentes individuales; y facilita la creación de sistemas distribuidos.

Esta arquitectura, aunque introduce cierta sobrecarga en rendimiento por el paso de mensajes, ofrece mayor estabilidad y modularidad. Sistemas como Minix, HURD y algunas versiones de macOS han implementado variantes de este enfoque.

🛡️ La arquitectura de micronúcleo sacrifica algo de rendimiento a cambio de mayor estabilidad y seguridad, siguiendo el principio de mínimo privilegio.

Ejecución de Programas en Sistemas Monótarea

La función primordial de un sistema operativo es la ejecución de programas, que experimentan una transformación al pasar de estado estático a dinámico:

Un programa es código estático, como una receta diseñada para cumplir un objetivo. Sin embargo, cuando comienza a ejecutarse, interactúa con datos y usuarios, generando distintos resultados. Esta entidad dinámica se conoce como proceso.

El sistema operativo carga el programa en memoria y mantiene control sobre su estado durante toda su ejecución. Este estado incluye información crucial como los registros de la CPU (que deben guardarse cuando el proceso deja de ejecutarse), los punteros de pila y heap (que manejan la interrupción del ciclo de instrucción y la memoria dinámica), y los archivos abiertos con sus posiciones.

Para gestionar esta información, el sistema operativo utiliza una estructura llamada Bloque de Control de Proceso (BCP). Cada proceso tiene su propia entrada en esta estructura, que se actualiza cuando el proceso deja de correr.

El BCP almacena datos esenciales: identificación del proceso, punteros a otros BCP, información de gestión de memoria, tabla de archivos abiertos, estado de la CPU, estado actual del proceso, lista de procesos hijos y referencia al proceso padre.

📊 El Bloque de Control de Proceso es como la "hoja de vida" del programa en ejecución, manteniendo toda la información necesaria para que pueda pausarse y reanudarse sin perder su contexto.

Planificación de Procesos

Para decidir qué proceso recibe tiempo de CPU, los sistemas operativos utilizan varios criterios de planificación:

La planificación FCFS (First Come, First Served) atiende los procesos en el orden exacto en que llegan, sin interrupciones. Es simple pero puede hacer esperar mucho a procesos pequeños si están detrás de uno grande.

La planificación por prioridades asigna la CPU a los procesos más importantes primero. Por ejemplo, los procesos del sistema operativo suelen tener mayor prioridad que los de usuario. Un problema es la inanición: procesos de baja prioridad podrían nunca ejecutarse si constantemente llegan procesos de alta prioridad. Para solucionarlo, muchos sistemas implementan envejecimiento, aumentando gradualmente la prioridad de los procesos que llevan mucho tiempo esperando.

La planificación garantizada busca una distribución equitativa de CPU, penalizando a los procesos que ya la han usado mucho para dar oportunidad a los más pequeños o recientes.

El algoritmo SRTF (Shortest Remaining Time First) prioriza los procesos que necesitarán menos tiempo de CPU para completarse, lo que minimiza el tiempo de espera promedio pero requiere estimaciones precisas de tiempo de ejecución.

La planificación HRRN (Highest Response Ratio Next) considera el tiempo de espera en la cola y el tiempo de ejecución estimado, favoreciendo a los procesos que han estado bloqueados más tiempo.

⏱️ La elección del algoritmo de planificación afecta directamente la experiencia del usuario y el rendimiento del sistema, con diferentes algoritmos optimizando diferentes métricas.