Conceptos y fundamentos de sistemas operativos, evolución y tendencias

Astic

Asociación Profesional del Cuerpo Superior de Sistemas y Tecnologías de la Información de la Administración del Estado

Temas Específicos para la preparación de la Oposición al Cuerpo Superior de Sistemas y Tecnologías de la Información de la Administración del Estado.

Temas Específicos II: Tecnología Básica

Tema 59. Conceptos y fundamentos de sistemas operativos. Evolución y tendencias

AUTOR: Juan Guevara Escudero Actualización 2015

Índice

ÍNDICE 1 INTRODUCCIÓN 4 2 COMPONENTES DEL SISTEMA OPERATIVO 6 2.1 ADMINISTRACIÓN DE PROCESOS 7 2.1.1 EL CONCEPTO DE PROCESO 7 2.1.2 SUBPROCESOS 8 2.1.3 PLANIFICACIÓN DEL PROCESADOR 9 2.1.4 PROBLEMAS DE CONCURRENCIA. 10 2.2 ADMINISTRACIÓN DE MEMORIA 12 2.2.1 MANEJO DE MEMORIA EN SISTEMAS MONOUSUARIO SIN INTERCAMBIO. 12 2.2.2 MULTIPROGRAMACIÓN EN MEMORIA REAL 13 2.3 ADMINISTRACIÓN DE ENTRADA / SALIDA 20 2.3.1 DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SALIDA 20 2.3.2 CONTROLADORES DE DISPOSITIVOS (TERMINALES Y DISCOS DUROS) 20 2.3.3 ACCESO DIRECTO A MEMORIA (DMA) .21 2.3.4 PRINCIPIOS DEL SOFTWARE DE ENTRADA/SALIDA 21 2.3.5 RELOJES 22 2.3.6 PLUG AND PLAY 22 2.3.7 LA INTERFAZ DE USUARIO 23 2.4 SISTEMAS DE ARCHIVOS 24 2.4.1 ALMACENAMIENTO FÍSICO DE DATOS .24 2.4.2 ASIGNACIÓN DEL ESPACIO DE ALMACENAMIENTO 25 2.4.3 MÉTODOS DE ACCESO EN LOS SISTEMAS DE ARCHIVOS 26 2.4.4 OPERACIONES SOPORTADAS POR EL SUBSISTEMA DE ARCHIVOS 26 2.5 CONCLUSIÓN 27 3 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS OPERATIVOS 28 3.1 SISTEMAS OPERATIVOS POR SU CAPACIDAD 29 3.2 SISTEMAS OPERATIVOS POR SU ESTRUCTURA 30 3.2.1 ESTRUCTURA MONOLÍTICA 30 3.2.2 ESTRUCTURA JERÁRQUICA O EN CAPAS 31 3.2.3 MÁQUINA VIRTUAL 32 3.2.4 CLIENTE-SERVIDOR (MICROKERNEL) 32 3.2.5 HÍBRIDO 33 3.3 SISTEMAS OPERATIVOS POR LA FORMA DE OFRECER SUS SERVICIOS. 33 3.3.1 SISTEMAS OPERATIVOS DE RED. 33 3.3.2 SISTEMAS OPERATIVOS DISTRIBUIDOS. 33 3.4 SISTEMAS OPERATIVOS POR EL ENTORNO HARDWARE EN EL QUE SE EJECUTAN 35 3.4.1 SISTEMAS OPERATIVOS DE MAINFRAME 35 3.4.2 SISTEMAS OPERATIVOS DE SERVIDOR 35 3.4.3 SISTEMAS OPERATIVOS MULTIPROCESADOR 35 3.4.4 SISTEMAS OPERATIVOS DE PC 35 3.4.5 SISTEMAS OPERATIVOS DE TIEMPO REAL 36 3.4.6 SISTEMAS OPERATIVOS INTEGRADOS 36 3.4.7 SISTEMAS OPERATIVOS MÓVILES 36 3.4.8 SISTEMAS OPERATIVOS DE TARJETA INTELIGENTE 36 2 Tema 59. Conceptos y fundamentos de sistemas operativos. Evolución y tendencias

Índice de Contenidos

3.5 CONCLUSIÓN 36 4 EVOLUCIÓN Y TENDENCIAS DE LOS SISTEMAS OPERATIVOS 37 4.1 INTRODUCCIÓN 37 4.2 GENERACIONES DE LOS SISTEMAS OPERATIVOS 37 4.2.1 PRIMERA GENERACIÓN (1945-1955): TUBOS DE VACÍO Y TABLEROS ENCHUFABLES. 37 4.2.2 SEGUNDA GENERACIÓN (1955-1965): TRANSISTORES Y SISTEMAS DE LOTES. 37 4.2.3 TERCERA GENERACIÓN (1965-1980): CIRCUITOS INTEGRADOS (CI) Y MULTIPROGRAMACIÓN. 37 4.2.4 CUARTA GENERACIÓN (1980-HASTA HOY): ORDENADORES PERSONALES. 38 4.3 TENDENCIAS DE LOS SISTEMAS OPERATIVOS EN LA ACTUALIDAD 38 4.3.1 SISTEMAS DE 32BITS Y DE 64 BITS 38 4.3.2 SISTEMAS OPERATIVOS MÓVILES 39 4.4 CONCLUSIÓN 43 3 Tema 59. Conceptos y fundamentos de sistemas operativos. Evolución y tendencias

Contenido

1 Introducción

El Sistema Operativo es el software más importante de un ordenador, ya que es el que controla todos los recursos físicos del ordenador y el encargado de ofrecer las bases y servicios sobre los que se ejecutarán el resto de aplicaciones software. El Sistema Operativo es el software más cercano al propio hardware del ordenador y sobre él se desarrollan las aplicaciones, cuyo objetivo principal es el de resolver problemas de los usuarios.

Los Sistemas Operativos responden a dos funcionalidades principales, en función del punto de vista:

• Desde el punto de vista del usuario, el sistema operativo tiene como función presentar una máquina virtual o máquina ampliada más fácil de programar y manejar que el hardware asociado. Permite la Creación de programas (edición, compilación, enlazado de librerías), su Ejecución (carga, inicialización de dispositivos de E/S, inicialización de ficheros), Acceso a los dispositivos de E/S (instrucciones propias y señales de control de cada dispositivo a través de drivers), Acceso al sistema de ficheros (naturaleza del dispositivo, formato de ficheros, protección frente a múltiples usuarios), Acceso al sistema (sistemas compartidos, gestión de acceso de cada usuario).
• Desde el punto de vista de la máquina, el sistema se presenta como un administrador de recursos cuya función es controlar todos los elementos que forman un ordenador. Resolviendo los conflictos que se generan por el uso concurrente de los recursos únicos del sistema entre los diferentes programas y usuarios.

Un ordenador moderno consta de multitud de componentes, entre los que destacan: uno o más procesadores, memoria, relojes, discos, interfaces de redes, etc. En conjunto se trata de un sistema complejo y el Sistema Operativo es la capa que abstrae a los desarrolladores de aplicaciones de la complejidad de comunicarse directamente con esos componentes hardware. Si los desarrolladores tuvieran que desarrollar su aplicación teniendo en cuenta los componentes Hardware con los que quieren que se comunique su aplicación, dichos desarrollos serían inviables y muy costosos.

A continuación se muestra una figura muy representativa de las diferentes capas Software existentes entre el Hardware de la máquina y las aplicaciones finales:

Sistema bancario Reservaciones en una línea aérea Juegos Programas de aplicación Compiladores Editores Intérprete de comandos Programas de sistema Sistema Operativo Lenguaje de máquina Microprogramación Hardware Dispositivos físicos

Figura 1: Las diferentes capas Software existentes entre el Hardware de la máquina y las aplicaciones finales

Aunque gran parte del software del sistema es proporcionado por el fabricante del Sistema Operativo, no se considera parte del mismo. El sistema operativo es la parte del software que se ejecuta en modo kernel o modo supervisor.

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Contenido del Sistema Operativo

Todos los Sistemas Operativos incorporan ciertos conceptos básicos, que son fundamentales para entenderlos. A modo de introducción, citaremos los más importantes:

• Procesos: el proceso es básicamente, un programa en ejecución. Cada proceso lleva asociada la información referida a su estado y recursos asignados, necesaria para su gestión por parte del sistema operativo.
• Administración de memoria: todo ordenador tiene una memoria principal que contiene los programas en ejecución. En los sistemas más simples solamente hay un programa a la vez en la memoria, y para ejecutar un segundo programa es preciso desalojar el primero. Los Sistemas Operativos más avanzados permiten que haya varios programas en la memoria al mismo tiempo, precisando de algún mecanismo de control y administración que gestione adecuadamente su correcta utilización.
• Entrada/Salida: todo ordenador cuenta con dispositivos físicos para obtener entradas y producir salidas. Existen muchos tipos de dispositivos diferentes, como teclados, monitores, impresoras, discos, etc., que deben ser administrados por el sistema operativo, labor que se lleva a cabo en el subsistema de E/S.
• Archivos: a fin de contar con un medio de guardar la información, casi todos los Sistemas Operativos manejan el concepto de sistema de archivos, como una organización del almacén de la información, y el concepto de archivo como la unidad básica de almacenamiento.
• Seguridad: los ordenadores contienen grandes cantidades de información que los usuarios a menudo consideran confidencial. Corresponde al sistema operativo controlar la seguridad del sistema para que los diferentes usuarios y procesos puedan acceder únicamente a la información para la que están autorizados.

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Componentes del Sistema Operativo

Un Sistema Operativo tiene cuatro cometidos principales:

• La gestión de procesos.
• La gestión de memoria.
• El sistema de archivos.
• La gestión de la Entrada/Salida.

Los componentes encargados de llevar a cabo estos cometidos dentro del Sistema Operativo son:

• Administrador de procesos: encargado de crear y eliminar procesos, de suspender y reanudar su ejecución y de proporcionar mecanismos de sincronización, de comunicación de procesos y de manejo de bloqueos.
• Administrador de memoria principal: controla las zonas de memoria utilizadas y quien las utiliza. Decide qué procesos se cargarán en memoria si queda espacio disponible. Asigna y recupera espacio no necesitado.
• Administrador del sistema de E/S: encargado de gestionar los dispositivos de hardware específico, y de presentar una interfaz general común para interactuar con los diferentes manejadores.
• Administrador de archivos: es el encargado de la gestión del espacio de almacenamiento en disco. Se ocupa de los procesos relacionados con la creación y borrado de archivos, el establecimiento de la correspondencia entre archivos y almacenamiento secundario, la gestión de directorios y la gestión de copias de seguridad.
• Sistema de protección: encargado de controlar el acceso a los recursos, garantiza el acceso con la debida autorización y evita accesos no permitidos.
• Sistema de comunicación: encargado de gestionar los accesos a la red, facilita la conexión a través de la red de los distintos procesadores (en sistemas multiordenador). Facilita el acceso a los recursos compartidos.

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Administración de Procesos

2.1.1 El concepto de proceso

Un proceso no es más que un programa en ejecución que necesita utilizar recursos del ordenador para realizar su tarea: tiempo de CPU, memoria, archivos y dispositivos de E/S.

El Sistema Operativo es el responsable de:

• Crear y destruir procesos.
• Parar y reanudar procesos.
• Ofrecer mecanismos para que los procesos puedan comunicarse y se sincronicen.

Los ordenadores modernos son multitarea, es decir, pueden hacer varias cosas al mismo tiempo. Los recursos del ordenador son únicos, pero la CPU cambia de un programa a otro, ejecutando cada uno durante unas decenas o centenas de milisegundos, provocando al usuario la ilusión de paralelismo.

La diferencia entre un proceso y un programa es sutil, pero crucial. El programa es el conjunto de instrucciones que indican cómo realizar algún cometido; un proceso es una actividad de algún tipo: tiene un programa, entradas, salidas y un estado. Varios procesos pueden compartir el mismo programa, también pueden compartir un único procesador, empleándose algún algoritmo de planificación para determinar cuándo hay que dejar de trabajar en un proceso y atender otro.

Para implementar el modelo de procesos, el Sistema Operativo mantiene una tabla llamada tabla de procesos, con una entrada por proceso. Esta entrada contiene información acerca del estado del proceso y otra información necesaria para restituir el proceso en el punto donde se interrumpió y proseguir su ejecución.

Hay cuatro sucesos principales que provocan la creación de procesos:

• Inicialización del sistema: el arranque de un sistema operativo conlleva la creación de varios procesos, algunos son interactivos o en primer plano, otros son procesos en segundo plano que no están asociados con un usuario en particular y desarrollan alguna función específica.
• Ejecución de una llamada al sistema por parte de un proceso en ejecución: el sistema operativo proporciona llamadas para la creación de procesos que pueden ser invocadas por otros procesos.
• Solicitud de un usuario para crear un proceso: en los sistemas interactivos, los usuarios pueden iniciar un programa, tecleando un comando o pulsando un icono. Ambas acciones inician un nuevo proceso donde se ejecuta el programa seleccionado.
• Inicio de un trabajo por lotes: aplicable a los mainframes con sistemas por lotes. Los usuarios envían una lista de trabajos y el sistema operativo crea los procesos necesarios para ejecutarlos adecuadamente.

Los procesos terminan en algún momento, debido a una de las siguientes condiciones:

1. Terminación normal (voluntaria).
2. Terminación por error (voluntaria).
3. Error fatal (involuntaria).
4. Terminado por otro proceso (involuntaria).

La mayoría de procesos termina porque ya realizó su trabajo, o porque el usuario les pide que finalicen (caso de procesos interactivos). Puede que el proceso descubra que se ha producido un error y decida terminar la ejecución por su cuenta, o puede que se produzca un error que el proceso no controle y, en ese caso, es el sistema operativo el que decide su cancelación. Por último, contando

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