Estructura del Sistema Operativo
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Estructura del Sistema Operativo. Los sistemas operativos surgen desde finales de los ´50 con una arquitectura bastante obsoleta comparada con la de la actualidad.
Sumario
Introducción
Qué aspecto tienen los sistemas operativos por fuera (es decir, la interfaz con el programador), ha llegado el momento de dar una mirada al interior. En las siguientes secciones examinaremos cuatro estructuras distintas que se han probado, a fin de tener una idea de la variedad de posibilidades. Éstas no son de ninguna manera las únicas estructuras posibles, pero nos darán una idea de algunos diseños que se han llevado a la práctica. Los cuatro diseños son los sistemas monolíticos, los sistemas por capas,los sistemas de Micronúcleo y los sistemas cliente-servidor.
Arquitectura más comunes
Definir una arquitectura para el Sistema Operativo; esta estará influida en alguna medida por el hardware que manejará. Sin embargo es posible identificar algunos componentes comunes como el núcleo y las llamadas al sistema. El núcleo contiene, básicamente, todo el código e información necesaria para la gestión de procesos y memoria y en la mayoría de los sistemas operativos también se incluye buena parte de la gestión de entrada/salida. Según la arquitectura que tengamos así es como el usuario se comunica con el sistema operativo y el sistema operativo o el núcleo con los componentes del hardware, por tanto cada sistema operativo tiene una arquitectura específica en dependencia de las necesidades de este.
Sistemas monolíticos
En los sistemas monolíticos, todos los componentes de gestión y programas del sistema están escritos en un solo código o espacio lógico. Pueden decirse que el núcleo es el Sistema Operativo. La división más evidente que puede hacerse es entre procesos de aplicación o usuario y procesos del sistema.
Los sistemas monolíticos son los más comunes puesto que su implementación y diseño son los menos complejos. La desventaja es que como todo el sistema se ejecuta en el mismo nivel de privilegio que el núcleo (el Sistema Operativo es el núcleo) es muy probable que haya problemas (el sistema se apague, se bloquee o se cuelguen procesos, por ejemplo) si ocurre algún fallo del hardware o existe algún error sin depurara en el código del sistema. GNU/Linux es monolítico, aunque con éste se introdujo una variante interesante. A pesar de ser monolítico, es modular, lo que significa que es posible quitar o añadir componentes al núcleo incluso en caliente (o sea, en pleno funcionamiento). Así, si un módulo tiene problemas se puede reemplazar, arreglar o eliminar sin afectar al resto de funcionalidades. Otra ventaja interesante de los sistemas monolíticos es su velocidad. Ya que todos los componentes del Sistema Operativo comparten los privilegios y direcciones y la separación funcional solo se hace entre procesos del sistema y los de aplicación, la demora para ejecutar las llamadas al sistema es mínima.
Sistemas por capas o niveles de privilegio
En la medida que el hardware se desarrolló para incorporar mecanismos de protección para la gestión de procesos, memoria y entrada/salida, los Sistemas Operativos se adaptaron a este diseño. El objetivo de la arquitectura por capas o niveles de privilegio, es separar la acción del código de los procesos del sistema, del núcleo y de los procesos de usuario. Idealmente se separa en el nivel de máximo privilegios o protección, al código base del núcleo.
En el siguiente nivel de privilegios se ubica a los procesos del sistema para la gestión de procesos y memoria; en otro nivel a los procesos de gestión de entrada salida incluyendo los drivers y en el nivel de menos privilegio, se ejecutan el resto de los procesos de aplicación. Esto por supuesto, no siempre es así y pueden existir muchísimas variantes en la implementación. Una práctica común es ubicar los procesos y componentes de entrada/salida en los dos primeros niveles, para acelerar su ejecución. Lo relevante en esta arquitectura es que se necesitan realizar restricciones en cuanto a las llamadas al sistema que puedan ejecutar los procesos de determinados niveles. Por ejemplo, se ha de evitar que un proceso pueda efectuar una llamada al sistema que requiera la atención de un componente de menor privilegio o tal vez evitar que los programas de aplicación hagan llamadas directamente sobre el núcleo. Así puede obligarse a utilizar como mediadores a otros niveles.
Sistemas de Micronúcleo
La posibilidad de separar funcionalmente los programas del sistema de los programas de aplicación y asegurar protección adicional con el hardware, origina otra arquitectura, la de micronúcleo. En esta, se trata de combinar el rendimiento y sencillez de la arquitectura monolítica con la protección y organización de la arquitectura por capas. La idea fundamental es obtener un núcleo lo más pequeño y rápido posible y tratar el resto de las funciones y componentes como procesos de aplicación. En esta nueva concepción, es usual que el núcleo solo contenga lo necesario para la gestión de memoria y procesos.
El resto se ejecutan como aplicaciones de usuario; es decir, con el nivel mínimo de privilegios. En la práctica es un poco difícil conseguir esto sin una pérdida apreciable de rendimiento. En alguna medida deben incluirse en el núcleo otras funciones como el manejo de hardware y algunos drivers.
Sistemas cliente-servidor
Separar funcionalmente el núcleo, los procesos del sistema y los procesos de aplicación, induce una idea interesante: ¿Se podrán separar físicamente los procesos del sistema y/o los de aplicación? La arquitectura dónde cada proceso se ejecuta de manera independiente, es una de las más difíciles de lograr. Esta independencia implica que los procesos podrían ser ejecutados en sistemas (no solo CPU, sino todo el hardware) diferentes y distantes geográficamente. En cada sistema independiente solo estarían presentes el núcleo y los componentes mínimos para la ejecución de uno o algunos procesos. En esta arquitectura, se manifiesta con mayor peso la necesidad de establecer llamadas al sistema robustas, para la comunicación entre procesos. Se escoge el modelo cliente - servidor para esta comunicación, porque se establece que cada proceso (independiente o no) actúa como servidor del resto. En esta arquitectura, el objetivo fundamental del núcleo es garantizar la comunicación entre procesos. Esta filosofía propició la creación de los Sistemas Operativos distribuidos que son, básicamente, implementaciones basadas en el modelo clienteservidor. Aunque los Sistemas Operativos distribuidos no serán estudiados en este curso, explotan un mecanismo interesante de la comunicación entre procesos, que es el paso de mensajes. La tendencia actual es desarrollar aplicaciones distribuidas en vez de Sistemas Operativos distribuidos, aprovechando las redes de computadoras.
Fuentes
- Sistemas Operativos. William Stallings
- SO_Diseno_e_Implementacion_Tanenbaum
