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Sistemas Operativos I
Tema 1
Introducción a los sistemas
operativos

Objetivos
1. Presentar el concepto de sistema operativo.
2. Describir las funciones que debe llevar a cabo cualquier sistema
operativo actual.
3. Dar una visión general de la historia de los sistemas operativos que
ayudará a entender cuándo y por qué se introdujeron estas funciones
en el sistema.

Un Sistema Operativo es un programa que actúa como intermediario entre el usuario y
el hardware de una computadora.

Propósito: Es ofrecer un ambiente en el que un usuario pueda ejecutar programas.
Objetivos:
Comodidad: Facilitar el uso de la máquina a los usuarios, proporcionando un
entorno cómodo para el desarrollo y
ejecución de programas y para el acceso a los recursos de la máquina.
Eficiencia: El s.o. debe administrar los recursos (hardware y software) de la
máquina de forma que se aprovechen de la manera más conveniente.

Cómo funciona un Sistema Operativo
Los sistemas operativos proporcionan una plataforma de software encima de la cual otros
programas, llamados aplicaciones, puedan funcionar. Las aplicaciones se programan para
que funcionen encima de un sistema operativo particular, por tanto, la elección del
sistema operativo determina en gran medida las aplicaciones que puedes utilizar.

Cómo se utiliza un Sistema Operativo
Un usuario normalmente interactúa con el sistema operativo a través de un sistema de
comandos, por ejemplo, el sistema operativo DOS contiene comandos como
copiar y pegar para copiar y pegar archivos respectivamente. Los comandos son aceptados y
ejecutados por una parte del sistema operativo llamada procesador de comandos o intérprete
de la línea de comandos. Las interfaces gráficas permiten que utilices los comandos
señalando y clickeando objetos que aparecen en la pantalla
.

Un sistema de computo puede dividirse en cuatro componentes:

Definen las formas en que estos
recursos se utilizan para resolver
problemas de computo de los
usuarios
Proporcionan los recursos
básicos de computo
El sistema operativo controla y coordina el uso del hardware entre los diversos programas
de aplicación para los diversos usuarios

Veamos que el S.O es un asignador de recursos (hardware y
software) que se requieren para resolver un problema : tiempo de
CPU, espacio de memoria, espacio de almacenamiento para
archivos, dispositivos de E/S etc. El S.O actúa como un
administrador de recursos y los asigna a programas y usuarios
específicos según sea necesario para la realización de tareas.

Generación Cero (década de 1940)
Los primeros sistemas computacionales no poseían sistemas operativos. Los usuarios tenían
completo acceso al lenguaje de la maquina. Todas las instrucciones eran codificadas a mano.

Primera Generación (década de 1950) SISTEMAS POR LOTES
Las computadoras eran fisicamente enormes máquinas que se operaban desde una
consola. Los dispositivos de entrada comunes eran los lectores de tarjetas y unidades de
cinta. Los dispositivos de salida eran impresoras de línea, unidades de cinta y
perforadoras de tarjeta. El usuario no interactuaba con el computador, mas bien
preparaba el trabajo que consistía en el programa, los datos y la información de control y
lo entregaba al operador de la máquina. En algún momento posterior (minutos, horas o
días)aparecía la salida que era el resultado del programa así como un vaciado de la
memoria y los registros en caso de errores en el programa.

El S.O era bien simple , su tarea era transferir automáticamente el control de un trabajo al
siguiente. El sistema operativo siempre estaba residente en memoria.
Para acelerar el procesamiento los operadores los agrupaban en lotes los trabajos con
necesidades similares y los ejecutaban en la Pc como un grupo

Segunda Generación (a mitad de la década de 1960)
La característica de los sistemas operativos fue el desarrollo de los sistemas compartidos o mutitarea con
multiprogramación, y los principios del multiprocesamiento.
Un Sistema operativo de tiempo compartido permite a varios usuarios compartir la computadora
simultáneamente. Debido a que cada acción o comando en un sistema de tiempo compartido tiende a
ser corta, se necesita un poco de tiempo de CPU para cada usuario. Como el sistema cambia rápido de
un usuario al siguiente , el usuario tiene la impresión de que todo el sistema de computo está dedicado a
el .
Un S.O de tiempo compartido hace uso de la planificación de la CPU y la multiprogramación para
proporcionar a cada usuario una pequeña porción de una computadora.

La gestión por parte del SO se centra en el concepto de proceso.
Un proceso es un programa en el que se ha iniciado su ejecución.
Por lo tanto un programa es un ente pasivo mientras que un proceso es un ente activo.

RESUMEN
Los sistemas operativos se han desarrollado en los últimos 40 años por dos razones
principales:

1. Planificar las actividades computacionales y lograr un buen desempeño del sistema en si.
2. Proporcionar un ambiente adecuado para el desarrollo y ejecución de programas.

Los sistemas por lotes permitieron la ejecución secuencial automática de trabajos mediante
un S.O residente, la computadora ya no tenia que esperar mas la operación humana, sin
embargo la utilización de la CPU todavía era reducida, debido a la baja velocidad de los
dispositivos de E/S.
Para mejorar el desempeño global del sistema de computo, se introdujo la multiprogramación,
que permitía que varios trabajos se mantengan en memoria. La CPU se conmuta entre ellos
para incrementar la ocupación del procesador.

La multiprogramación se desarrolló para mejorar el rendimiento, también posibilita el tiempo
compartido, estos sistemas permiten que los usuarios utilicen al mismo tiempo un sistema de
computo de manera interactiva.

Los Pc son menos costosas que los mainframes , las computadoras personales se han
beneficiado del desarrollo de los Sistemas Operativos para equipos grandes , sin embargo,
debido a que un usuario puede usar en exclusivo una computadora, La utilización de la CPU ya
no es una preocupación principal y por lo tanto el diseño y consideraciones que se toman para
sistemas operativos mainframes no son apropiados para sistemas pequeños.

RESUMEN
Los sistemas paralelos tienen mas de una CPU en estrecha comunicación los mismas
que comparten memoria, bus y dispositivos de E/S.
Estos sistemas utilizan el multiprocesamiento simétrico en el que cada procesador
ejecuta una copia idéntica del S.O y además se le asigna una tarea específica y todos los
procesadores están al mismo nivel.
En otro esquema un procesador llamado maestro controla el sistema, los restantes
procesadores solicitan instrucciones , esta relación define una relación maestro-esclavo.
Los sistemas paralelos proporcionan un mayor rendimiento y una mejor confiabilidad.

Un sistema operativo estricto de tiempo real controla una aplicación dedicada y tiene
restricciones de tiempo fijas y bien definidas, esto implica que el procesamiento debe
realizarse dentro de estas restricciones, o de lo contrario el sistema fallará.

La Influencia del Internet ha impulsado el desarrollo de sistemas operativos modernos
que incluyen navegadores y software para redes y comunicación como características
integrales .

Se ha visto que avance lógico de los Sistemas Operativos impulsado por la inclusión de
características de hardware de la CPU Esta tendencia se puede ver hoy en la evolución
delas PC en donde se está mejorando un hardware de bajo precio de manera suficiente
para permitir, a su vez, características mejoradas.

Todo PC tiene, como parte fundamental de su
arquitectura, al menos un procesador. En su interior se
encuentran una serie de elementos básicos tales como
registros (capaces de almacenar pequeñas cantidades de
información), unidad aritmético-lógica o UAL (capaz de
realizar simples operaciones aritméticas), unidad de
control, etc. Este procesador se comunica con el resto del
ordenador a través de lo que denominaremos el bus del
sistema.

La comunicación entre el procesador y el resto del equipo se puede dividir a su vez en dos categorías: la
conexión con la memoria (también llamada memoria principal o memoria RAM), y la conexión con los
dispositivos de entrada salida (E/S). El circuito representado en esta figura por el nombre Puente E/S es
el encargado de separar los datos de estas categorías. La conexión con la memoria RAM se realiza a
través del bus de memoria. Esta memoria es capaz de almacenar información mientras el equipo esté
encendido. Al apagar el equipo, los datos almacenados en este dispositivo se pierden, por este motivo,
también se le conoce como memoria volátil.

Los datos dirigidos a los dispositivos de entrada/salida se
envían a través del bus de entrada/salida (o bus E/S). Este
bus se utiliza para conectar todos los dispositivos
auxiliares que necesita el ordenador para su
funcionamiento. Dichos dispositivos no se conectan
directamente el bus, sino a un circuito encargado de
gestionar su comunicación denominado “controlador”.

Una de las características que ha contribuido a que esta arquitectura haya alcanzado un nivel
tan alto de popularidad es la posibilidad de conectar de forma sencilla dispositivos
adicionales. El bus de entrada/salida está preparado para conectar más dispositivos y así
dotar al Pc de mayor capacidad. De esta forma, el Pc se puede completar con una impresora,
un scanner, discos duros adicionales, lector/grabador de DVDs, etc. La mayoría de estos
dispositivos se conectan al Pc a través de conectores específicamente incluidos a tal efecto
(tal es el caso de la conexión de una impresora al puerto paralelo) o a través de las clavijas de
expansión.

FUNCIONES

Las funciones clásicas en un sistemas Operativo se
agrupan en tres categorías:
1. Gestión de los recursos de la computadora
2. Ejecución de los servicios para los programas
3. Ejecución de los mandatos de los usuarios

El S.O está formado por tres capas.
Núcleo (kernel) Que es la que gestiona los recursos de hardware del sistema y la que suministra la funcionalidad
básica del sistemas operativo.
Servicios o llamadas al Sistema Ofrece a los programas unos servicios en forma de interfaz API , desde el punto de
vista de los programas , esta capa extiende la funcionalidad de la computadora , por lo que se dice que el S.O
ofrece una máquina virtual extendida a los programas.
Interprete de Comandos Shell Suministra una interfaz a través de la cual el usuario puede dialogar de forma
interactiva con la computadora. Esta capa recibe los mandatos de usuario, los interpreta y, si puede los ejecuta .

FUNCIONES DEL SISTEMA OPERATIVO

1.- Gestor de recursos: En un computador los programas
en ejecución deben compartir los recursos disponibles que
sonlimitados (CPU, memoria, dispositivos de E/S, etc.). El
s.o.establece la política que determina a quién, cuándo,
cuánto tiempo y la cantidad de recurso que asigna.

EL S.O. COMO GESTOR DE RECURSOS

ASIGNACIÓN DE RECURSOS Para este propósito debe mantener estructuras que le permitan saber
que recursos están libres y cuáles están asignados a cada programa. La asignación se realiza según
la disponibilidad de los mismos y la prioridad de los programas.
También hace la recuperación de recursos cuando ya no son necesitados. Una mala recuperación
puede hacer que el sistema operativo considere por ejemplo que ya no le quede memoria
disponible cuando en realidad si la tiene.

Protección Ha de garantizar la protección entre los usuarios del sistema, para esto impide que
algunos programas accedan a los recursos asignados a otros programas.

Contabilidad Mide la cantidad de recursos que, a lo largo de su ejecución utiliza cada programa.
De esta forma se puede conocer la carga de utilización que tiene cada recursos y se puede imputar
a cada usuario los recursos que ha utilizado.

FUNCIONES DEL SISTEMA
OPERATIVO

2.- Máquina extendida: Los recursos hardware son
difíciles de manejar y programar (especialmente la E/S).
El s.o. debe ocultar la complejidad del hardware y
proporcionar una interfaz sencilla de utilizar.

EL SISTEMA OPERATIVO COMO MAQUINA EXTENDIDA

El S.O ofrece a los programas un conjuntos de servicios o llamadas del sistema que pueden solicitar cuando lo
necesiten, proporcionando a los programas una visión de máquina extendida..
Los servicios se pueden agrupar en 4 clases:

1. Ejecución de programas..- Existen servicios para lanzar la ejecución asi como para pararla y abortarla,
también existen servicios para conocer y modificar las condiciones de ejecución, para sincronizar comunicar
unos programas con otros.
La ejecución de programas da lugar al concepto de proceso, que puede ser definido como un programa en
ejecución. Para que un programa pueda ser convertirse en un proceso ha de estar traducido a código de
máquina y almacenado en un dispositivo de almacenamiento.
Es importante diferenciar entre proceso y programa:
• Programa: Lista de instrucciones. Ente pasivo. Se almacena en ficheros.
• Proceso: Ejecución de un programa. Ente activo. La ejecución de un programa requiere que éste se
cargue, previamente, en memoria.

EL SISTEMA OPERATIVO COMO MAQUINA EXTENDIDA

2. Ordenes de E/S.- Estos servicios ofrecen una gran comodidad y protección al proveer a los
programas de operaciones de lectura, escritura y modificación del estado de los periféricos.
Las operaciones de E/S son complejas y dependiente del hardware específico del periférico.
3. Operaciones sobre archivos.- Los archivos ofrecen un mayor nivel de abstracción que las
ordenes de E/S permitiendo operaciones como creación, borrado, renombrado, apertura,
escritura y lectura de archivos.
4. Detección y tratamiento de errores.- Además de analizar todas las ordenes que recibe, para
comprobar que se pueden realizar, el S.O se encarga de tratar todas las condiciones de error
que detecte el hardware. Entre las condiciones de error d que pueden aparecer podemos
mencionar los siguientes:
a) Errores en las operaciones de E/S
b) Errores de paridad en los accesos a memoria o en los buses
c) Errores de ejecución en los programas como desbordamientos, violaciones de memoria,
códigos de instrucción prohibidas, etc.

EL SISTEMA OPERATIVO COMO INTERFAZ DE USUARIO

Cuando un usuario introduce una orden en un ordenador, ésta es captada por el intérprete de comandos (shell). El
intérprete se encarga de traducir o descomponer la orden en llamadas al sistema.
El Shell se comporta como un bucle infinito que está repitiendo constantemente la siguiente secuencia:
• Espera una orden del usuario. En el caso de interfaz textual el shell está pendiente de lo que escribe el usuario.
En las interfaces gráficas está pendiente de los eventos del apuntador (mouse).
• Analiza la orden y, en caso de ser correcta la ejecuta para lo cual emplea los servicios del S.O.

Casi todos los interpretes de ordenes pueden ejecutar archivos de mandatos llamados shell scripts , estos
archivos incluyen varios mandatos totalmente equivalentes a los mandatos que se introducen en le terminal.
Además para realizar funciones complejas pueden incluir mandatos especiales de control de flujo de ejecución
como por ej, el goto, for e el if .

ARRANQUE DE LA COMPUTADORA
El arranque de una computadora tiene 2 fases: la de arranque hardware y la del sistema operativo.
Arranque Hardware
Las computadoras antiguas tenían una serie de conmutadoras que permitían introducir una a una palabras en la
memoria principal en los registros. El usuario debía introducir a mano y en binario un primer programa que permitiese
cargar otros programas almacenados en algún soporte, como la cinta de papel.

En la figura podemos observar que una parte del mapa de memoria está construido con memoria ROM no volátil en
esta se encuentra un programa de arranque está siempre disponible le, puesto que la ROM no pierde su contenido.
Lo que le llamaremos Iniciador ROM
Al encender la computadora o presionar RESET se genera una señal eléctrica para cargar valores predefinidos en los
registros, esta señal carga en el CP (contador de programa) la dirección de comienzo del iniciador ROM
FUNCIONES DEL INICIADOR ROM
1. Hacer una comprobación del sistema que sirve para detectar sus características, memoria, dispositivos
conectados, etc, una vez pasada la comprobación entra a la fase de:
2. Lectura y almacenamiento en memoria del programa cargador del S.O
3. Da el control a este programa, bifurcando a la dirección de memoria en la que lo ha almacenado.

Nota.- Para tener una mayor flexibilidad se hace que el Iniciador Rom sea independiente del sistema operativo

ARRANQUE DEL SISTEMA OPERATIVO

Boot del sistema que está almacenado en una en una
zona predefinida del disco

El programa cargador del S.O tiene por misión traer a memoria principal algunos de los componentes del Sistema
Operativo. Una vez en memoria se pasa a la fase de iniciación que incluye las siguientes operaciones: :
• Comprobación del Sistema Completamiento del hardware realizados por el ………… y se comprueba que el sistema
de archivos tengan coherencia.
• Se establece las estructuras de información propias del S.O tales como tablas de procesos, tablas de memoria y las
de E/S
• Se carga a memoria aquella parte del S.O que ha de estar siempre en memoria , a la que se le denomina Sistema
Operativo Residente
• Se crea un proceso de inicio o LOGIN para cada terminal definido en el sistema.

COMPONENTES Y ESTRUCTURA DE UN SISTEMA OPERATIVO
interfaz de servicios en la que los programas deben elegir
con cual quieren ejecutar

El Núcleo es el que interacciona directamente con el hardware, las funciones de este se centran en la gestión de
recursos como el procesador, tratamiento de interrupciones y las funciones básicas del manipulación de memoria.
Los Servicios se suelen agrupar de acuerdo a su funcionalidad:
Gestión de Procesos.- Encargada de la creación, planificación y destrucción de procesos
Gestión de Memoria.- Encargada de saber que partes de memoria están libres y cuales ocupadas, así como la
asignación y liberación según la necesiten los recursos.
Gestión de E/S.- Facilitar el uso de los dispositivos periféricos
Gestión de Archivos.- Manejo de archivos y directorios y de la administración del almacenamiento secundario
Comunicación y Sincronización entre procesos.- Encargada de ofrecer mecanismos para que los procesos puedan
comunicarse y sincronizarse.
Seguridad y Protección.- Se encargará de garantizar la identidad de los usuarios y de definir lo que pueden hacer
cada uno de ellos con los recursos del sistema.

ESTRUCTURA DEL SISTEMA OPERATIVO
SISTEMAS OPERATIVOS MONOLITICOS
No tienen una estructura bien clara definida , todos sus componentes se encuentran integrados en un único
programa que ejecuta en un único espacio de direcciones , todas las funciones que ofrece el sistema operativo se
ejecutan en modo núcleo.
El problema que plantean es en lo complicado que es modificar el S.O para añadir nuevas funcionalidades y
servicios, lo que implica la modificación de un gran programa compuesto por miles de líneas de código fuente y
funciones, cada una de las cuales puede invocar a otra cuando así lo requiera.

SISTEMAS OPERATIVOS ESTRUCTURADOS

Capa 5 Programa de usuario
Capa 4 Gestión de la E/S
Capa 3 Controlador de consola
Capa 2 Gestión de memoria
Capa 1 Planif. CPU y multiprogramac.
Capa 0 Hardware

El S.O se organiza como una jerarquía de capas , donde cada capa ofrece una interfaz clara y bien definida a la capa
superior y solamente utiliza los servicios que le ofrece la capa inferior.
Su principal ventaja es la modularidad y la ocultación de la información , la capa superior no necesita conocer como se
ha implementado la capa anterior, solo conoce la interfaz que ofrece, lo que facilita que las capas se pueden ir
construyendo y depurando por separado

CLIENTE SERVIDOR

Este tipo de modelo consiste en implementar la mayor parte de los servicios y funciones del S.O en procesos de
usuario, dejando solo una pequeña parte del sistema operativo ejecutando en modo núcleo conocido a esto como
micro núcleo y a los procesos que ejecutan el resto de funciones se les denomina Servidores

La gran ventaja de este modelo es la gran flexibilidad que presenta. Cada proceso servidor solo se ocupa de una
funcionalidad concreta, lo que hace que cada pate pueda ser pequeña y manejable Este tipo a su vez facilita el
desarrollo y depuración de cada uno de los procesos servidores.
En cuanto a la desventaja se pueden citar que estos sistemas presentan una mayor sobrecarga en el tratamiento de
los servicios que los sistemas monolíticos. Esto se debe a que los distintos componentes de un sistema operativo de
este tipo ejecutan en espacios de direcciones distintos, lo que hace que su activación requiera mas tiempo.

Un programa no es mas que un conjunto de instrucciones , mientras que el proceso surge cuando un programa se pone
en ejecución. Esto hace que varios procesos puedan ejecutar al mismo programa ala vez. Ej. Varios usuarios estén
ejecutando el mismo editor de textos.

Un solo usuario no puede por lo general mantener a la CPU o a los dispositivos de E/S
ocupados en todo momento . La Multiprogramación incrementa el uso de la CPU
organizando los trabajos de tal manera que la CPU siempre tenga alguno por ejecutar .

La idea es que el S.O mantiene simultáneamente varios trabajos en la memoria

El sistema operativo toma y
comienza a ejecutar uno de los
trabajos que están en la memoria .
En ocasiones el trabajo tiene que
esperar a que se complete alguna
tarea entonces el S.O simplemente
cambia a otro trabajo, con el tiempo
el primer trabajo termina su espera
y vuelve de nuevo a la CPU

ELEMENTOS DE UN PROCESO

Al contenido de los segmentos de de
memoria en los que reside el código y los
datos del proceso se le denomina:
IMAGEN DE MEMORIA

Durante la ejecución el proceso va modificando los registros del modelo
de programación de la computadora de acuerdo a las instrucciones de
máquina presentes.. A este contenido de los registros del modelo de
programación se lo conoce como ESTADO DEL PROCESADOR

El S.O mantiene por cada proceso una serie de estructuras de información que permite identificar las características de
éste así como los recursos asignados Una parte muy importante de esta estructura es el BLOQUE DE CONTROL DEL
PROCESO (BCP)

El sistema operativo debe encargarse también de ofrecer una serie de servicios para la gestión de procesos y de
gestionar los posibles interbloqueos que surgen cuando los procesos acceden a diferentes recursos.
Dependiendo del numero de procesos y de usuarios que pueden ejecutar simultáneamente, un Sistema Operativo
puede ser :
Monotarea
Multitarea
Monousuario
Multiusuario

También llamado Monoproceso permiten que exista un proceso en cada instante

O Multiproceso , permite que exista varios procesos a la vez . El S.O
se encarga de ir repartiendo el tiempo del procesador entre estos
procesos

Está previsto para soportar a un solo usuario

Soporta varios usuarios trabajando simultáneamente desde varias
terminales . A su vez cada usuario puede tener activo más de 1
proceso , por lo que debe ser también el sistema Multitarea .
También reciben el nombre de Tiempo Compartido porque ha de
repartir el tiempo de la computadora entre los usuarios para procesar
cada una de las tareas de los usuarios

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