Sistemas Operativos, su importancia y objetivos.
- 1. SISTEMAS OPERATIVOS 2025 Sistema operativo (so) en la computacion emilio sandoval parrales INSTITUTO TECNOLOGICO DE PISCO |
- 2. SISTEMAS OPERATIVOS Un sistema operativo (SO) es un conjunto de programas que gestionan los recursos de hardware y software de un ordenador. Actúa como intermediario entre los usuarios y el hardware, permitiendo la ejecución de aplicaciones y facilitando la interacción con el sistema. Los sistemas operativos son responsables de tareas fundamentales como la gestión de procesos, la administración de memoria, la gestión de archivos y la comunicación entre dispositivos. Importancia en la Computación Moderna Los sistemas operativos son esenciales en la computación moderna por varias razones: 1. Facilitan la Usabilidad: Proporcionan interfaces gráficas o de línea de comandos que permiten a los usuarios interactuar con el hardware de manera intuitiva. 2. Gestión de Recursos: Administran eficientemente los recursos del sistema (CPU, memoria, almacenamiento, etc.), optimizando el rendimiento y asegurando que múltiples aplicaciones puedan ejecutarse simultáneamente. 3. Seguridad y Protección: Implementan mecanismos de seguridad que protegen los datos y los recursos del sistema contra accesos no autorizados y ataques. 4. Compatibilidad: Permiten que diferentes aplicaciones y programas funcionen de manera coherente en diversas plataformas de hardware, promoviendo la interoperabilidad.
- 3. 5. Base para el Desarrollo de Software: Proporcionan herramientas y bibliotecas que permiten a los desarrolladores crear aplicaciones de manera más eficiente. Objetivos del Trabajo El objetivo de este trabajo es: 1. Explorar la Historia y Evolución: Analizar la evolución de los sistemas operativos desde sus inicios hasta la actualidad, destacando hitos importantes. 2. Clasificar Tipos y Componentes: Identificar y clasificar los diferentes tipos de sistemas operativos y sus componentes fundamentales, explicando sus funciones y características. 3. Comprender la Gestión de Recursos: Examinar cómo los sistemas operativos gestionan procesos, memoria y seguridad, y cómo estas funciones son críticas para el funcionamiento del sistema. 4. Analizar Tendencias Futuras: Investigar las tendencias emergentes en el desarrollo de sistemas operativos, como la virtualización y el uso de inteligencia artificial. 5. Proporcionar una Visión Integral: Ofrecer una comprensión amplia de los sistemas operativos y su impacto en la computación moderna y el futuro de la tecnología. Historia de los Sistemas Operativos Primeros Sistemas Operativos (Batch Processing) Los primeros sistemas operativos surgieron en la década de 1950 y estaban diseñados principalmente para realizar procesamiento por lotes (batch processing). En este enfoque, las tareas se agrupaban y se ejecutaban secuencialmente sin interacción del usuario. Características: Sin Interacción: Los usuarios enviaban trabajos al sistema, que los procesaba uno a uno. Eficiencia: Permitía maximizar el uso de la CPU, ya que se evitaban tiempos de inactividad. Ejemplos: Sistemas como el IBM 7094 y el OS/360 de IBM fueron pioneros en este tipo de procesamiento.
- 4. Este modelo, aunque eficiente en términos de uso de recursos, tenía limitaciones significativas en términos de usabilidad, ya que los usuarios no podían interactuar con el sistema durante la ejecución de sus tareas. Evolución Hacia Sistemas Interactivos La transición hacia los sistemas interactivos comenzó en la década de 1960 y 1970 con la introducción de computadoras que permitían la interacción en tiempo real. Características: Interacción Directa: Los usuarios podían interactuar con el sistema a través de terminales, lo que permitía un feedback inmediato. Multiprogramación: Permitió la ejecución de múltiples procesos simultáneamente, aumentando la eficiencia del sistema. Ejemplos: El desarrollo de sistemas como CTSS (Compatible Time-Sharing System) y MULTICS sentó las bases para los sistemas de tiempo compartido.
- 5. Impacto de UNIX y Linux El desarrollo de UNIX en 1969 por Ken Thompson, Dennis Ritchie y otros en los laboratorios Bell marcó un hito en la historia de los sistemas operativos. Características de UNIX: Portabilidad: Escrito en C, lo que facilitó su adaptación a diferentes plataformas. Multitarea y Multiusuario: Permitió que múltiples usuarios trabajaran en el mismo sistema al mismo tiempo, mejorando la eficiencia. Sistema de Archivos Jerárquico: Introdujo una estructura organizada para la gestión de archivos. Linux, desarrollado por Linus Torvalds en 1991, se basó en los principios de UNIX y se convirtió en un sistema operativo de código abierto. Importancia de Linux: Accesibilidad: Su naturaleza de código abierto permitió que Adopción en Servidores: Linux se convirtió en el sistema operativo preferido para servidores y sistemas embebidos debido a su estabilidad y flexibilidad. Comunidad y Soporte: La comunidad de usuarios y desarrolladores ha sido fundamental para su crecimiento y mejora continua. La evolución de los sistemas operativos desde el procesamiento por lotes hasta los sistemas interactivos y la influencia de UNIX y Linux ha transformado la manera en que interactuamos con la tecnología. Estos avances no solo han mejorado la eficiencia y la usabilidad, sino que también han sentado las bases para el desarrollo de software moderno y la innovación en la computación.
- 6. Tipos de Sistemas Operativos 1. Sistemas Operativos de Tiempo Compartido Los sistemas operativos de tiempo compartido permiten que múltiples usuarios accedan a los recursos de un sistema computacional al mismo tiempo. Esta tecnología se basa en la multiprogramación, donde el CPU alterna rápidamente entre diferentes tareas, proporcionando la ilusión de que cada usuario tiene acceso exclusivo al sistema. Características: Interactividad: Permiten la interacción en tiempo real con los usuarios. Planificación de Procesos: Utilizan algoritmos de planificación para gestionar la ejecución de procesos. Ejemplos: UNIX, Linux y sistemas de mainframe como IBM z/OS. 2. Sistemas Operativos en Tiempo Real Los sistemas operativos en tiempo real (RTOS) están diseñados para servir aplicaciones que requieren respuestas instantáneas y predecibles a eventos externos. Son críticos en entornos donde el tiempo de respuesta es esencial. Características:
- 7. Determinismo: Garantizan que las operaciones se realicen dentro de un tiempo específico. Prioridades: Los procesos tienen prioridades que determinan su ejecución. Ejemplos: VxWorks, FreeRTOS y QNX, utilizados en sistemas embebidos, robótica y control industrial. 3. Sistemas Operativos de Red Los sistemas operativos de red están diseñados para gestionar recursos y servicios en una red de computadoras. Permiten la comunicación y el intercambio de datos entre diferentes dispositivos conectados. Características: Gestión de Recursos Compartidos: Facilitan el acceso a impresoras, archivos y otros recursos en red. Protocolos de Comunicación: Implementan protocolos que permiten la comunicación entre dispositivos. Ejemplos: Novell NetWare, Microsoft Windows Server y Linux en entornos de servidor. 4. Sistemas Operativos Móviles Los sistemas operativos móviles están diseñados específicamente para dispositivos móviles como teléfonos inteligentes y tabletas. Se optimizan para el uso de recursos limitados y la interacción táctil. Características:
- 8. Interfaz Táctil: Diseñados para pantallas táctiles y navegación intuitiva. Gestión de Energía: Optimizan el uso de la batería para prolongar la vida útil del dispositivo. Ejemplos: Android, iOS y Windows Phone. Comparación de Características Tipo de SO Interactividad Tiempo de Respuesta Uso de Recursos Ejemplos Tiempo Compartido Alta Variable Moderado UNIX, Linux Tiempo Real Baja Crítico Bajo VxWorks, FreeRTOS Red Moderada Variable Variable Windows Server, Linux Móviles Alta Moderado Bajo Android, iOS Cada tipo de sistema operativo está diseñado para satisfacer necesidades específicas, desde la interacción en tiempo real hasta la gestión de redes y dispositivos móviles. Comprender estas diferencias es fundamental para seleccionar el sistema operativo adecuado para un entorno particular, optimizando así el rendimiento y la eficiencia en el uso de recursos. : Componentes de un Sistema Operativo 1. Núcleo (Kernel) El núcleo es la parte central del sistema operativo y tiene la responsabilidad de gestionar el hardware y los recursos del sistema. Actúa como un intermediario entre las aplicaciones y el hardware. Funciones del Núcleo: Gestión de Procesos: Controla la creación, ejecución y terminación de procesos. Gestión de Recursos: Asigna recursos del hardware (CPU, memoria, dispositivos de entrada/salida). Interrupciones: Maneja las interrupciones generadas por hardware, permitiendo una respuesta rápida a eventos externos.
- 9. Tipos de Núcleos: Núcleo Monolítico: Todo el sistema operativo se ejecuta en modo kernel. Ejemplo: Linux. Núcleo Micro: Solo las funciones esenciales se ejecutan en modo kernel, mientras que otros servicios funcionan en espacio de usuario. Ejemplo: MINIX. 2. Gestor de Procesos El gestor de procesos es responsable de la creación, planificación y terminación de procesos. Un proceso es una instancia de un programa en ejecución. Funciones del Gestor de Procesos: Creación y Terminación de Procesos: Permite a los usuarios iniciar y finalizar procesos. Planificación: Asigna tiempo de CPU a los procesos en función de algoritmos de planificación (FIFO, Round Robin, Prioridades). Sincronización y Comunicación: Facilita la comunicación entre procesos y asegura que los accesos a recursos compartidos sean seguros. 3. Gestor de Memoria El gestor de memoria se encarga de la gestión de la memoria principal, asegurando que cada proceso tenga acceso a la memoria que necesita sin interferir con otros procesos. Funciones del Gestor de Memoria: Asignación de Memoria: Asigna bloques de memoria a procesos en ejecución. Paginación y Segmentación: Utiliza técnicas para dividir la memoria en páginas o segmentos, facilitando la gestión. Memoria Virtual: Permite que los sistemas operativos utilicen más memoria de la que físicamente está disponible, utilizando espacio en disco como memoria adicional. 4. Gestor de Archivos
- 10. El gestor de archivos es responsable de la organización, almacenamiento y acceso a los archivos en el sistema. Proporciona una estructura jerárquica para el almacenamiento de datos. Funciones del Gestor de Archivos: Organización: Permite la creación de directorios y subdirectorios para organizar archivos. Acceso y Seguridad: Controla el acceso a archivos y establece permisos para usuarios. Operaciones de Archivo: Facilita operaciones como crear, leer, escribir y eliminar archivos. 5. Interfaz de Usuario La interfaz de usuario (UI) es el componente que permite a los usuarios interactuar con el sistema operativo. Puede ser gráfica (GUI) o de línea de comandos (CLI). Tipos de Interfaz: Interfaz Gráfica (GUI): Proporciona elementos visuales como ventanas, iconos y menús. Ejemplo: Windows, macOS. Interfaz de Línea de Comandos (CLI): Permite la interacción mediante comandos de texto. Ejemplo: terminal de Linux. Funciones de la Interfaz de Usuario: Facilitar la Interacción: Proporciona herramientas para que los usuarios realicen tareas de manera intuitiva. Personalización: Permite a los usuarios personalizar su entorno de trabajo. Acceso a Funciones del Sistema: Facilita el acceso a las funcionalidades del sistema operativo y las aplicaciones. Procesos y Hilos 1. Definición de Proceso y Hilo Proceso: Un proceso es una instancia de un programa en ejecución que incluye el código del programa, sus datos, y su estado de ejecución. Cada proceso tiene su propio espacio de
- 11. direcciones, lo que significa que no puede interferir directamente con otros procesos. Hilo: Un hilo (o thread) es la unidad más pequeña de procesamiento que puede ser ejecutada de manera independiente por un sistema operativo. Un hilo se ejecuta dentro de un proceso y comparte su espacio de direcciones, lo que permite una comunicación más rápida y eficiente entre hilos que entre procesos. 2. Estado de los Procesos Los procesos pueden estar en diferentes estados durante su ciclo de vida. Los estados más comunes son: Nuevo: El proceso está siendo creado. Listo: El proceso está esperando para ser asignado a la CPU. Ejecutando: El proceso está siendo ejecutado por la CPU. Bloqueado: El proceso está esperando por un evento externo, como la finalización de una operación de entrada/salida. Terminado: El proceso ha finalizado su ejecución. Estos estados son parte de un ciclo continuo, donde los procesos cambian de estado en función de las acciones del sistema operativo y las circunstancias externas. 3. Planificación de Procesos La planificación de procesos es el mecanismo que el sistema operativo utiliza para decidir qué procesos se ejecutan y en qué orden. Existen varios algoritmos de planificación, cada uno con sus ventajas y desventajas: FIFO (First In, First Out): Los procesos se ejecutan en el orden en que llegan. Round Robin: Cada proceso recibe un tiempo fijo de CPU en un ciclo repetitivo. Prioridad: Se asigna tiempo de CPU a los procesos según su prioridad, donde los procesos de mayor prioridad se ejecutan primero. Planificación de Tiempo Real: Asegura que los procesos críticos se ejecuten dentro de plazos específicos.
- 12. La elección del algoritmo de planificación impacta en el rendimiento general del sistema y en la experiencia del usuario. 4. Ejemplos de Manejo de Hilos El manejo de hilos permite la ejecución concurrente de tareas dentro de un proceso, lo que puede mejorar la eficiencia y la capacidad de respuesta. Algunos ejemplos incluyen: Aplicaciones de Servidor: En un servidor web, cada solicitud de cliente puede ser manejada por un hilo separado, permitiendo que múltiples usuarios interactúen con el servidor simultáneamente sin retrasos significativos. Interfaces Gráficas: En aplicaciones de escritorio, un hilo puede manejar la lógica de la aplicación mientras otro se encarga de la interfaz de usuario, asegurando que la interfaz permanezca receptiva durante procesos de larga duración. Procesamiento de Datos: En aplicaciones que procesan grandes volúmenes de datos, los hilos pueden dividir el trabajo en partes más pequeñas que se ejecutan en paralelo, acelerando el tiempo de procesamiento total. . .Gestión de Memoria 1. Memoria Física vs. Memoria Virtual Memoria Física: Se refiere a la cantidad real de RAM instalada en un sistema. Es la memoria que está físicamente disponible para el sistema operativo y las aplicaciones. La memoria física es limitada y puede influir en el rendimiento general del sistema. Memoria Virtual: Es una técnica que permite a un sistema operativo utilizar espacio en disco duro como si fuera memoria RAM adicional. Esto permite que los programas que requieren más memoria de la que está disponible físicamente puedan ejecutarse. La memoria virtual se gestiona mediante un mecanismo de paginación o segmentación.
- 13. Ventajas de la Memoria Virtual: Permite ejecutar programas más grandes que la memoria física disponible. Aislamiento de procesos, lo que mejora la seguridad y estabilidad del sistema. 2. Técnicas de Gestión de Memoria Las técnicas de gestión de memoria son fundamentales para optimizar el uso de la memoria y garantizar que los procesos funcionen de manera eficiente. Las dos técnicas más comunes son: Paginación: La memoria se divide en bloques de tamaño fijo llamados páginas. La memoria física se divide en marcos de página del mismo tamaño. Cuando un proceso necesita acceder a una página que no está en la memoria física, se produce un fallo de página, y el sistema operativo la carga desde el disco. Ventajas: Simplifica la gestión de memoria y evita la fragmentación externa. Segmentación: Divide la memoria en segmentos de tamaño variable, que pueden representar diferentes partes de un programa (como código, datos, pila). Cada segmento tiene una dirección base y un límite que define su tamaño. Ventajas: Proporciona una representación más lógica de la memoria, facilitando la gestión de estructuras de datos complejas. 3. Ejemplo de un Sistema de Gestión de Memoria Un ejemplo práctico de un sistema de gestión de memoria es el sistema operativo Windows. Utiliza un mecanismo de paginación para gestionar la memoria virtual: Funcionamiento:
- 14. Cada aplicación en Windows se ejecuta en su propio espacio de direcciones virtuales, lo que asegura que no interfiera con otras aplicaciones. Cuando un programa necesita más memoria de la disponible, Windows utiliza su archivo de paginación (Page file) en el disco duro para almacenar temporalmente datos que no se utilizan activamente. Si un dato en la memoria física no se utiliza durante un tiempo, puede ser movido al archivo de paginación para liberar espacio. Efectos en el Rendimiento: Este sistema permite que múltiples aplicaciones se ejecuten simultáneamente, incluso si el total de su memoria excede la memoria física disponible. Sin embargo, un uso excesivo del archivo de paginación puede llevar a un rendimiento más lento, conocido como "thrashing", donde el sistema pasa más tiempo moviendo datos entre la memoria y el disco que ejecutando aplicaciones. Seguridad y Protección en Sistemas Operativos Importancia de la Seguridad La seguridad en los sistemas operativos es fundamental para proteger la integridad, confidencialidad y disponibilidad de los datos y recursos del sistema. Con el aumento de ciberataques y amenazas, garantizar la seguridad se ha convertido en una prioridad para usuarios y organizaciones. Un sistema operativo seguro previene accesos no autorizados, protege contra malware y asegura que los datos sensibles permanezcan a salvo. Métodos de Protección Existen varios métodos de protección que los sistemas operativos utilizan para salvaguardar la información y los recursos: Control de Acceso:
- 15. Define quién puede acceder a qué recursos y en qué condiciones. Se implementa a través de: Listas de Control de Acceso (ACL): Especifican los permisos de acceso para usuarios y grupos en archivos y recursos. Roles de Usuario: Asignan permisos basados en el rol del usuario dentro de la organización, limitando el acceso a funciones necesarias. Autenticación: Proceso que verifica la identidad de un usuario o sistema. Métodos comunes incluyen: Contraseñas: El método más básico, donde los usuarios deben ingresar una contraseña correcta para acceder. Autenticación Multifactor (MFA): Combina dos o más métodos de autenticación (por ejemplo, contraseña y un código enviado a un dispositivo móvil) para aumentar la seguridad. Ejemplos de Vulnerabilidades A pesar de las medidas de seguridad implementadas, los sistemas operativos pueden ser vulnerables a diversos ataques: Malware: Software malicioso que puede dañar o comprometer un sistema. Ejemplos incluyen virus, troyanos y ransomware. Exploits de Seguridad: Ataques que aprovechan fallos en el software o configuraciones incorrectas. Por ejemplo, un exploit que permite la ejecución de código arbitrario. Phishing: Técnicas que engañan a los usuarios para que revelen información sensible, como contraseñas, a través de correos electrónicos o sitios web falsos. Tendencias Futuras en Sistemas Operativos 1. Virtualización y Contenedores La virtualización permite crear múltiples entornos virtuales en un solo hardware físico, lo que optimiza el uso de recursos y mejora la flexibilidad. Los contenedores, como Docker, ofrecen un enfoque más ligero que las máquinas virtuales, permitiendo empaquetar aplicaciones y sus dependencias en un solo entorno que puede ejecutarse en cualquier lugar.
- 16. Beneficios: Eficiencia: Menor uso de recursos en comparación con las máquinas virtuales tradicionales. Portabilidad: Las aplicaciones en contenedores pueden trasladarse fácilmente entre diferentes entornos. Desarrollo Ágil: Facilitan la integración continua y el despliegue continuo (CI/CD), acelerando el ciclo de vida del desarrollo de software. 2. Sistemas Operativos en la Nube Los sistemas operativos en la nube están diseñados para operar en entornos de nube, ofreciendo escalabilidad y accesibilidad desde cualquier lugar. Ejemplos como Google Cloud OS y AWS Lambda permiten una gestión eficiente de recursos en la nube. Características: Escalabilidad Dinámica: Capacidad para aumentar o disminuir recursos según demanda. Modelo de Pago por Uso: Los usuarios solo pagan por los recursos que consumen. Acceso Remoto: Facilitan el acceso y la colaboración desde diferentes dispositivos y ubicaciones. 3. Inteligencia Artificial en la Gestión de Sistemas Operativos La inteligencia artificial (IA) está comenzando a integrarse en la gestión de sistemas operativos para mejorar la eficiencia y la seguridad. Aplicaciones: Automatización de Tareas: La IA puede automatizar tareas de mantenimiento, como la gestión de actualizaciones y la monitorización de sistemas. Seguridad Proactiva: Algoritmos de IA pueden identificar patrones de comportamiento anómalos, ayudando a prevenir ataques antes de que ocurran. Optimización de Recursos: La IA puede analizar el uso de recursos y ajustar dinámicamente la asignación para optimizar el rendimiento.