Estructura de un sistema operativo
A continuación se analizan cinco estructuras que han sido llevadas a la práctica en los SO.
Sistemas monolíticos
La estructura monolítica es la más utilizada en los SO. En general, es posible decir que dentro de esta estructura de sistema no hay una estructura definida. En otras palabras, cuando el SO es creado se escribe como una colección de procesos que cumplen con diversas funciones, donde cada uno de ellos puede ser llamado por el sistema cuando sea necesario.
Para ayudar a identificar cada proceso, estos son generados con una interfaz perfectamente determinada que recibe una serie de valores-parámetro bien definidos y entrega un resultado o salida única. Adicionalmente, estos procesos pueden llamar a otros procesos de su secuencia de instrucciones cuando sea necesario, lo que los vuelve complementarios.
Cuando un SO es creado con estructura monolítica, su programa objeto procesa y compila todos los procedimientos de forma individual para, posteriormente, de acuerdo a las instrucciones contenidas en cada procedimiento, llamar a los procedimientos complementarios y realizar el enlace entre ellos, generando un fichero objeto único. Por otro lado, los procedimientos contenidos en la estructura monolítica pueden ver a todos los demás procedimientos, lo que permite un alto grado de trasparencia en la información, en comparación con otras estructuras, como la modular o por paquetes, donde cada módulo o paquete contiene su propia información y no es posible ver la de otros, a menos que sea solicitada por un procedimiento dentro de ellos (en cuyo caso sólo se podrá visualizar la información de entrada del procedimiento).
Pese a lo anterior, los sistemas monolíticos cuentan con una estructura a nivel básico; esto se puede observar cuando los servicios o llamadas al sistema son realizados. Al ocurrir lo anterior, los parámetros necesarios para la ejecución del servicio son colocados en la pila y posteriormente se ejecuta una instrucción denominada TRAP, que realiza un cambio de modo, al pasar de modo usuario a modo núcleo y transferir el control al sistema operativo para que efectúe la operación. Así, el sistema operativo obtiene los parámetros y determina la llamada al sistema o servicio que debe ejecutar. Posteriormente, utiliza el número de llamada al sistema como un valor de índice para almacenar dicha llamada en una tabla de registro de llamadas al sistema, y como parámetro para un apuntador que lo asocia al procedimiento que ejecuta esa llamada.
De modo general, se puede resumir la estructura monolítica de la siguiente manera:
Estructura monolítica
Por cada llamada realizada al sistema, en el modelo monolítico debe existir un procedimiento de servicio encargado de atenderla. Los procedimientos auxiliares o de utilidad reúnen la información necesaria para la correcta ejecución del procedimiento de servicio; por ejemplo, obtener datos de los programas ejecutados por el usuario.
Esta división de los procedimientos en tres capas se muestra en la figura siguiente:
Modelo de estructuración simple para un sistema monolítico
Sistemas estructurados en capas
Como su nombre lo indica, consiste en la organización de las diversas funciones del sistema en una estructura jerárquica de capas, construidas a partir de una capa base encargada de la administración del procesador. El primer sistema operativo (SO) conocido con esta estructura fue construido por E. W. Dijkstra y sus estudiantes, en 1968, el THE (Technische Hogescholl Eindhoven), en los Países Bajos.
El sistema de Dijkstra era relativamente sencillo: procesaba la información por lotes para un ordenador holandés, el Electrologica X8, con una capacidad de 32 Kb de memoria de 27 bits.
La siguiente figura describe las seis capas del sistema THE. La capa 0 era encargada de administrar al procesador, efectuando la conmutación de procesos conforme se realizaban las interrupciones o expiraba el tiempo asociado a cada proceso (timer). Por encima de la capa 0 se ejecutaba una serie de procesos secuenciales independientes, que podían ser programados en cualquier momento sin importar el número de procesos que se estuvieran operando en ese momento, lo que permitía hacer una programación múltiple de procesos en el procesador.
Capas del sistema THE
Ahora veamos cómo funcionaba cada una de estas capas:
Funcionamiento de capas
Máquina virtual
El concepto de máquina virtual se utiliza mucho actualmente en un contexto diferente: la ejecución de programas MS-DOS antiguos en un Pentium u otra CPU Intel de 32 bits. Al diseñar el Pentium y su software, tanto Intel como Microsoft se percataron de que podría haber una gran demanda de gente queriendo ejecutar su software antiguo sobre el hardware nuevo. Por ese motivo, Intel incluyó un modo 8086 virtual en el Pentium. Así, la máquina actúa como un 8086 (idéntico a un 8088 desde el punto de vista del software), con el direccionamiento de 16 bits con un límite de 1 MB.
Exokernels
Los exokernels o exonúcleos son sistemas creados con fines de investigación científica en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, con el objetivo de crear una capa de software para sistemas virtuales. Están situados en la capa más baja de los sistemas operativos, ejecutándose en modo de núcleo, y su función principal es administrar y asignar recursos para los sistemas que dan soporte a las máquinas virtuales. Éstas tienen la capacidad de ejecutar de forma independiente su propio sistema operativo, como lo hacen los procesadores Icore de Intel y la VM/370, limitados por los recursos asignados por el exokernel.
Modelo cliente-servidor
Al paso del tiempo, observando las ventajas de mover procesos y códigos de programación a modelos de capas, se han generado sistemas cliente-servidor. Estos consisten en ir quitando procesos ejecutados en modo núcleo y pasarlos a las capas superiores del sistema, dejando un modo de ejecución (microkernel) con solamente los procesos esenciales para el funcionamiento base del sistema. La intención de este modelo es destinar la mayor parte de los recursos del sistema operativo en la ejecución de los procesos de usuario.
En el esquema cliente-servidor, los procesos de usuario (denominados procesos de cliente en este esquema) envían una solicitud a un proceso servidor, que al recibirla ejecuta las tareas solicitadas, regresando el resultado al proceso cliente.
Funcionamiento de capas
Como se observa en la figura anterior, la función del núcleo se reduce a la administración de la comunicación entre los procesos cliente y servidor, dividiendo el sistema en partes, las cuales se encargan de una fase específica que realiza el sistema, como el servicio de procesos, terminal de procesos y proceso de archivos. Por otro lado, la división del sistema permite tener un sistema con estructura modular más pequeña y manejable, con la ventaja de que, al ser ejecutados los procesos en modo usuario, no se tiene acceso directo al hardware, lo que previene fallas en el mismo.
Asimismo, los sistemas desarrollados con el esquema cliente-servidor presentan mayor adaptabilidad para ser empleados con un esquema de sistemas distribuidos, donde diversos ordenadores proveen de distintos servicios, evitando concentrarlos en uno solo. Con este esquema distribuido, los usuarios pueden emplear diversas peticiones de servicios a la vez, atendidas en varios equipos; el resultado es un tiempo de respuesta menor.
