Capas de un Sistema Operativo

Capas de un Sistema Operativo

• Un sistema operativo (SO) consta de programas y rutinas para controlar la computadora con mínima intervención humana.
• Los componentes del SO se organizan en capas para definir sus interconexiones.
• El SO contiene rutinas residentes en memoria, conocidas como Kernel o Núcleo, que se cargan al encender la máquina mediante Bootstrapping o IPL.
• El resto de los componentes se ubican en el disco del sistema.
• El núcleo es también llamado Residente, Monitor, Supervisor o Kernel, siendo uno de los programas centrales del SO.
• Normalmente, está compuesto por módulos o rutinas que gestionan los recursos físicos y lógicos de la computadora, como procesadores, memoria, datos y periféricos.
• Los compiladores, cargadores, debuggers y otros utilitarios no suelen ser considerados parte del SO.
• Los sistemas de administración de bases de datos y el software de control de comunicaciones tampoco se incluyen generalmente.
• El sistema de acceso de comunicaciones y los programas de servicios son estrechamente dependientes del SO y sus interfaces.
• El SO generalmente se divide en dos niveles de administradores.

Primer Nivel: Administrador de Pedidos

• Este nivel engloba los programas y rutinas responsables de la administración de los pedidos.
• El módulo Job Scheduler es responsable de cargar programas, crear procesos, administrar accesos de usuarios y establecer protecciones.
• Este módulo asigna el estado de "listo para la ejecución" a los trabajos.
• En algunos sistemas, se complementa con un lenguaje (Job Control Language) que permite programar las actividades de la computadora.

Segundo Nivel: Administrador de Recursos

• Se integra por cuatro o cinco módulos, dependiendo de los recursos a administrar.
• La Administración del Procesador consta de dos módulos.
• El Planificador de Procesadores y Procesos (Dispatcher) decide a qué procesador asignar cada proceso y le otorga el uso del procesador.
• El Controlador de Tráfico (Traffic Controller) crea, modifica y actualiza el contexto de un proceso para permitir su cambio entre diferentes estados.
• La Administración de Memoria asigna la memoria necesaria para la ejecución de los procesos.
• La Administración de Periféricos incluye todos los módulos para la utilización de periféricos como la asignación de dispositivos, spooler y controladores.
• La Administración de Información (File System) se relaciona con las rutinas que permiten manipular el sistema de archivos, permitiendo acceder, crear, destruir, copiar y renombrar archivos.
• La Administración de Comunicaciones (Communication Manager) se encarga de compartir los recursos distribuidos mediante una red de computadoras.

Funciones de los Administradores de Recursos

• Mantener un registro actualizado del estado y uso de los recursos.
• Cumplir con las demandas según la política implementada, decidiendo quién, cómo, cuándo y por cuánto tiempo se asigna un recurso.
• Asignar los recursos solicitados.
• Recuperar el recurso después de su utilización.

Tercer Nivel

• Presente en equipos grandes y medianos multiprogramados.
• Se encarga de las transacciones del Kernel, el Sistema de Acceso de Comunicaciones y el Sistema de Multiprocesamiento.

Requerimientos de un SO

• Simple
• Portable
• Estructurado (modular)
• Confiable
• Soporte de múltiples usuarios o procesos

Funciones de un Sistema Operativo

• Los objetivos centrales son la inicialización, la extensión de la máquina (interfaz) y la administración de recursos.

Inicialización

• El Kernel realiza esta tarea usando rutinas residentes en la memoria ROM o RAM y otras residentes en el disco duro.
• Su objetivo es preparar la máquina para ejecutar el primer trabajo.

Tipos de Inicialización

• Inicialización Total (cold start):
  • Proceso conocido como Bootstrapping o Initial Program Loader (IPL).
  • Se ejecuta al encender la máquina.
  • Se carga el resto del SO desde el disco a la memoria RAM, completando el IPL.
  • La máquina queda lista para ejecutar la primera tarea bajo el control del SO.
  • Alrededor del 1% de las tareas del sistema se dedican a la inicialización.
• Pasos del Proceso:
  • Verificación de recursos
    • Crea las tablas de recursos disponibles para su administración.
  • IPL (Initial Program Loader o Booteo).
    • Se carga el resto del SO desde el disco a la RAM.
    • Presenta un símbolo (Prompt) y espera comandos por teclado o mouse.

Inicialización Parcial (Warm Start)

• No se crean ni inicializan las tablas de recursos.
• La recuperación depende del evento que causó la interrupción y del trabajo a reiniciar.
• Los eventos pueden ser errores de hardware, violaciones de seguridad, fallos eléctricos o finalización del tiempo de uso de la CPU.
• Este proceso es importante en sistemas de tiempo real, multiusuario y tolerantes a fallos.

Proceso de Carga del SO en una PC

• Cuando se enciende el ordenador, se ejecutan rutinas del BIOS almacenadas en la memoria ROM, EPROM o EEPROM.
• Estas rutinas, denominadas firmware, no necesitan de un sistema operativo para funcionar (stand alone).
• Una de las rutinas del BIOS, POST (Power On Self Test) efectúa un autodiagnóstico al encender.
• La rutina SetUp (Configurador) mantiene y actualiza en la CMOS la tabla de configuración .
• Si el POST no encuentra problemas, se ejecuta la rutina IPL (Initial Program Loader).
• El IPL busca en el MBR (Master Boot Record) la Tabla de Particiones para encontrar la partición activa.
• Con estos datos, el IPL encuentra el Booter, una rutina que no pertenece al BIOS pero sí al sistema operativo.

Características del Booter

• Es software, no firmware
• Es Stand alone
• Cada SO tiene un Booter propio
• El Booter carga en la RAM una copia de los archivos que conforman el Kernel y el Shell.
• Una vez que el sistema operativo básico entra en funcionamiento, toma el control del sistema.
• El proceso de carga se llama BOOTING.
• SYSTEM DISK o BOOT DISK es el disco que contiene el sistema operativo.

Máquina Extendida o Interfase Hombre-Máquina

• El módulo Shell o Intérprete de Comandos facilita la comunicación entre el usuario y el hardware.
• Este módulo transforma la computadora en un entorno más accesible para el usuario.
• Dedica entre el 7% y el 9% de las tareas del sistema.

Funciones Principales de la Máquina Extendida

• Separa la complejidad del hardware del usuario.
• Actúa como interfaz de entrada/salida y controla los dispositivos de E/S.
• Permite la comunicación con el usuario a través de Shell, JCL, iconos o intérpretes de comandos.
• Acepta entradas de nuevos trabajos.
• La Shell es la parte del SO que interactúa directamente con el usuario.
• Las interfaces con la máquina dependen del hardware, y las instrucciones del SO (System Calls) se realizan mediante primitivas.

Visiones del SO por parte de Shell

• Usuario Común (User):
  • El SO provee una visión global y abstracta del computador, ocultando su complejidad interna.
  • Protege el uso de los recursos entre los usuarios y el sistema.
  • Implementa un conjunto de comandos para tareas como copiar o ejecutar archivos.
  • La interacción se realiza a través de la Shell, y en algunos sistemas se utiliza un Administrador de Trabajos o Job Scheduler.
• Administrador del Sistema de Cómputo (System Manager o Super-User):
  • El SO administra los recursos ofrecidos por el hardware (procesadores, memoria, E/S, información y comunicaciones) para un rendimiento eficaz.
  • El System Manager configura el SO para que el sistema funcione eficientemente y los usuarios puedan compartir los recursos de forma segura.

Tipos de Shell

• CLI (Command Line Interface):
  • Interfaz basada en comandos.
  • Ejemplo: Shell del D.O.S.
• GUI (Graphical User Interface):
  • Interfaz con iconos o gráficos.
  • Ejemplo: Escritorio de Windows.

Administrador de Recursos

• El SO dedica más del 90% de sus tareas a esta función.
• Objetivos:
  • Facilita compartir y proteger recursos entre usuarios.
  • Optimiza el uso de los recursos disponibles.

Implementación del SO

• Implementa una política al asignar prioridades de uso.
• Implementa una estrategia para ordenar los accesos y resolver conflictos.
• Ejerce como autoridad al recuperar los recursos y ordenar su uso.
• Provee protección al brindar seguridad entre usuarios y preservar la integridad de los recursos.
• Mantiene una contabilidad del uso y disponibilidad de los recursos.
• Ofrece facilidades para crear, manipular y eliminar objetos, gestionar la información, ejecutar trabajos y compartir recursos entre usuarios.

Características Comunes de los SO

• Gestión y reparto del conjunto de recursos:
  • El término recurso incluye tiempo de CPU, E/S, reloj, memoria central, datos, variables y archivos.
• Clasificación de los recursos según su naturaleza:
  • Físicos: CPU, memoria.
  • Lógicos: tiempos, variables.
• Clasificación de los recursos según su uso:
  • No Compartibles: Uso exclusivo a un proceso (impresora).
  • Compartibles: Uso concurrente por varios procesos (CPU, archivos).
• Objetivos de las políticas de asignación de recursos:
  • Mejor uso del hardware.
  • Satisfacer a los usuarios (optimizar tiempo de respuesta)

Gestión de la Información

• Objetivos:
  • Enlace (Binding):
    • Asocia un objeto a los espacios físicos direccionables por un procesador.
  • Asignación de Descriptores (Delay Binding Time):
    • Permite aplazar la elección de un recurso.
  • Manejo de Direcciones (Virtuales o Reales):
    • Traslación estática o dinámica (segmentación).

Cooperación entre los Procesos

• Los procesos interactúan generando conflictos por:
  • Competencia por el uso de recursos.
  • Cooperación para ejecutar las tareas de un usuario.
  • Compartir de objetos.
  • Comunicación.
• Solución: Herramientas de sincronización y comunicaciones provistas por el SO.

Protección

• Objetivo: Garantizar la integridad de recursos y procesos.
• Mecanismos:
  • Ejecución dual de instrucciones (maestro-esclavo).
  • Mutua exclusión (asegurar acceso controlado a recursos compartidos).

Arquitectura (Estructura) de un SO

• Se refiere a la forma en que se organizan los módulos en estratos o niveles.
• Básicamente, los SO tienen dos interfaces:
  • Una con el hardware (Kernel o Núcleo).
  • La otra con los usuarios y sus programas (Shell).

Estructura Tradicional o Monolítica

• Los primeros SO, formados por un único programa compuesto por rutinas entrelazadas.

Características de la Estructura Monolítica

• Interfaces y niveles de funcionalidad no separados.
• Aplicaciones pueden acceder directamente a rutinas básicas de E/S.
• El SO es un conjunto de rutinas que se llaman libremente.
• Carece de modularización u ocultamiento de la información.
• Difícil de reconfigurar y actualizar.
• Carece de protecciones y privilegios.
• Servicios del sistema a través de llamadas especiales (supervisor call o system call).
• El Kernel proporciona la planificación de la CPU y funciones del SO.
• Ejemplos: MS-DOS, Primeras versiones de UNIX.

Estructura en Estratos o Jerárquica

• Se organizan los módulos en una jerarquía de niveles.
• El módulo de nivel N utiliza los servicios del nivel N-1.
• Cada módulo solo conoce la interfaz del nivel inferior, no su implementación.
• El SO mantiene un mayor control sobre las computadoras y aplicaciones.
• Se utiliza un enfoque descendente para determinar funciones y características globales y dividirlas en los componentes.
• Se divide el sistema en módulos o capas, construyendo cada capa sobre las inferiores.

Ventajas de la Estructura Jerárquica

• Facilita la protección asegurando que cada rutina puede ser invocada.
• Permite implementar el principio de ocultación de la información.
• Facilita la sustitución y verificación de los componentes (modularización).

Desventajas de la Estructura Jerárquica

• Dificultad para definir niveles.
• Posibles entorpecimientos en las comunicaciones.
• Mayor lentitud.
• Ejemplos: OS/2 descendiente directo del MS-DOS

Anillos Concéntricos (Rings)

• Forma jerárquica similar a la anterior.
• Cada ring tiene una apertura (trap) para acceder a las capas inferiores.
• Las capas internas son más privilegiadas que las externas (protegidas).
• La solución actual es diseñar menos capas pero con mayor funcionalidad y evitar la dificultad de interacción de las capas.

Estructura Cliente / Servidor

• El Kernel y los Procesos presentan grandes diferencias en la forma de distribuir los trabajos.
• Se intenta remover la mayor cantidad posible de código del SO dejando un Kernel mínimo.
• Las funciones del SO son implementadas como programas de usuario.
• Los servicios se implementan mediante la técnica de message passing.
• El Proceso Cliente envía un mensaje solicitando un servicio
• El Kernel recibe el mensaje, toma decisiones de planificación y lo envía al Proceso Servidor
• El Proceso Servidor recibe el mensaje y ejecuta la función solicitada
• El Proceso Servidor devuelve un mensaje al Kernel con el resultado de la operación
• El Kernel recibe el mensaje de respuesta y lo envía al Proceso Cliente indicando que el servicio se ha cumplido.
• El Kernel realiza tratamiento de interrupciones, multiprogramación y la sincronización de mensajes.

Ventajas de la Estructura Cliente / Servidor

• El sistema es altamente modular con componentes más pequeños y manejables.
• Los módulos no tienen acceso directo al hardware; un error en un servidor no afecta a todo el sistema.
• Son especialmente útiles en ambientes distribuidos.

Desventajas de la Estructura Cliente / Servidor

• Algunos módulos del SO no pueden implementarse como procesos de usuario.
• Ejemplos: QNX (diseñado en Canadá), Mach
  • Drivers de Dispositivos
  • Algunas partes del Administrador de Memoria (Memory Manager)

Máquinas Virtuales

Características de Máquinas Virtuales

• Se basa en los principios de las estructuras en estratos.
• En lugar de una visión simplificada del hardware, el SO crea máquinas virtuales, copias idénticas al hardware base.
• Cada máquina virtual tiene todas las características de la CPU real (memoria, interrupciones, puertos de E/S, etc.)
• A cada proceso se le otorga una copia virtual de la computadora.
• En cada máquina virtual se puede ejecutar cualquier SO que funcione en el hardware real.
• El núcleo se denomina monitor virtual y realiza la multiprogramación para presentar las máquinas virtuales.
• Separa la multiprogramación y la máquina extendida.
• Objetivo: Integrar distintos SO dando la sensación de ser varias máquinas diferentes.

Ventajas de Máquinas Virtuales

• Cada usuario del sistema puede usar un SO distinto.
• Ofrece un alto nivel de protección: Todas las máquinas virtuales son independientes.
• Útiles para el diseño y desarrollo de Sistemas Operativos.

Desventajas de Máquinas Virtuales

• Difícil Implementación: Se necesita un duplicado exacto del hardware subyacente.
• La simulación del hardware real es costosa.
• Las máquinas virtuales son más lentas.
• La CPU se multiprograma entre varias máquinas virtuales, lo que las hace más lentas.
• Ejemplo: El SO V.M. de IBM

Conclusiones

• Ningún tipo de SO es mejor que otro; cada uno tiene un servicio especial.
• Para cubrir los distintos trabajos en un centro de cómputos se debería requerir distintos Sistemas Operativos, o uno solo que ofrezca una amplia gama de servicios.
• Los SO de propósitos generales son habitualmente más complejos y extensos que los especializados.