No se puede comenzar a abordar el tema de los sistemas operativos sin revisar
brevemente su desarrollo histórico. Esto no sólo permitirá comprender por
qué fueron apareciendo determinadas características y patrones de diseño que
se siguen empleando décadas más tarde, sino (como resulta particularmente
bien ejemplificado en el discurso de recepción del premio Turing de Fernando
Corbató, Acerca de la construcción de sistemas que fallarán, (Corbató 2007)), adecuar
un sistema a un entorno cambiante, por mejor diseñado que éste estuviera,
lleva casi inevitablemente a abrir espacios de comportamiento no previsto
—el espacio más propicio para que florezcan los fallos. Conocer los factores
que motivaron a los distintos desarrollos puede ayudar a prever y prevenir
problemas.
1.3.1. Proceso por lotes (batch processing)
Los antecedentes a lo que hoy se conoce como sistema operativo pueden
encontrarse en la automatización inicial del procesamiento de diferentes programas,
surgida en los primeros centros de cómputo: cuando en los años cincuenta
aparecieron los dispositivos perforadores/lectores de tarjetas de papel,
el tiempo que una computadora estaba improductiva esperando a que estuviera
lista una tarea (como se designaba a una ejecución de cada determinado
programa) para poder ejecutarla disminuyó fuertemente ya que los programadores
entregaban su lote de tarjetas perforadas (en inglés, batches) a los operadores,
quienes las alimentaban a los dispositivos lectores, que lo cargaban
en memoria en un tiempo razonable, iniciaban y monitoreaban la ejecución, y
producían los resultados.
En esta primer época en que las computadoras se especializaban en tareas
de cálculo intensivo y los dispositivos que interactuaban con medios externos
eran prácticamente desconocidos, el papel del sistema monitor o de control era
básicamente asistir al operador en la carga de los programas y las bibliotecas
requeridas, la notificación de resultados y la contabilidad de recursos empleados
para su cobro.
Los sistemas monitores se fueron sofisticando al implementar protecciones
que evitaran la corrupción de otros trabajos (por ejemplo, lanzar erróneamente
la instrucción leer siguiente tarjeta causaría que el siguiente trabajo encolado
perdiera sus primeros caracteres, corrompiéndolo e impidiendo su ejecución),
o que entraran en un ciclo infinito, estableciendo alarmas (timers) que interrumpirían
la ejecución de un proceso si éste duraba más allá del tiempo estipulado.
Estos monitores implicaban la modificación del hardware para considerar dichas
características de seguridad —y ahí se puede hablar ya de la característica
básica de gestión de recursos que identifica a los sistemas operativos.
Cabe añadir que el tiempo de carga y puesta a punto de una tarea seguía
representando una parte importante del tiempo que la computadora dedicaba
al procesamiento: un lector de cintas rápido procesaba del orden de cientos de
caracteres por minuto, y a pesar de la lentitud relativa de las computadoras
de los años cincuenta ante los estándares de hoy (se medirían por miles de
instrucciones por segundo, KHz, en vez de miles de millones como se hace hoy,
GHz), esperar cinco o diez minutos con el sistema completamente detenido
por la carga de u
1.3.2. Sistemas en lotes con dispositivos de carga (spool)
ismo de entrada/salida que permitía que una computadora de propósito
específico, mucho más económica y limitada, leyera las tarjetas y las fuera convirtiendo
a cinta magnética, un medio mucho más rápido, teniéndola lista para
que la computadora central la cargara cuando terminara con el trabajo anterior.
Del mismo modo, la computadora central guardarba sus resultados en
cinta para que equipos especializados la leyeran e imprimieran para el usuario
solicitante.
La palabra spool (bobina) se tomó como acrónimo inverso hacia Simultaneous
Peripherial Operations On-Line, operación simultánea de periféricos en línea.
1.3.3. Sistemas multiprogramados
A lo largo de su ejecución, un programa normalmente pasa por etapas con
muy distintas características: durante un ciclo fuertemente dedicado al cálculo
numérico, el sistema opera limitado por el CPU (CPU-bound), mientras que al leer o escribir resultados a medios externos (incluso mediante spools) el límite es impuesto
por los dispositivos, esto es, opera limitado por entrada-salida (I-O bound).
La programación multitareas o los sistemas multiprogramados buscaban maximizar
el tiempo de uso efectivo del procesador ejecutando varios procesos al
mismo tiempo.
El hardware requerido cambió fuertemente. Si bien se esperaba que cada
usuario fuera responsable con el uso de recursos, resultó necesario que apareciera
la infraestructura de protección de recursos: un proceso no debe sobreescribir
el espacio de memoria de otro (ni el código, ni los datos), mucho menos
el espacio del monitor. Esta protección se encuentra en la Unidad de Manejo de
Memoria (MMU), presente en todas las computadoras de uso genérico desde los
años noventa.
El hardware requerido cambió fuertemente. Si bien se esperaba que cada
usuario fuera responsable con el uso de recursos, resultó necesario que apareciera
la infraestructura de protección de recursos: un proceso no debe sobreescribir
el espacio de memoria de otro (ni el código, ni los datos), mucho menos
el espacio del monitor. Esta protección se encuentra en la Unidad de Manejo de
Memoria (MMU), presente en todas las computadoras de uso genérico desde los
años noventa.
Ciertos dispositivos requieren bloqueo para ofrecer acceso exclusivo/único:
cintas e impresoras, por ejemplo, son de acceso estrictamente secuencial, y
si dos usuarios intentaran usarlas al mismo tiempo, el resultado para ambos se
corrompería. Para estos dispositivos, el sistema debe implementar otros spools
y mecanismos de bloqueo.
1.3.4. Sistemas de tiempo compartido
El modo de interactuar con las computadoras se modificó drásticamente
durante los años sesenta, al extenderse la multitarea para convertirse en sistemas
interactivos y multiusuarios, en buena medida diferenciados de los anteriores
por la aparición de las terminales (primero teletipos seriales, posteriormente
equipos con una pantalla completa como se conocen hasta hoy).
En primer término, la tarea de programación y depuración del código se
simplificó fuertemente al poder hacer el programador directamente cambios y
someter el programa a la ejecución inmediata. En segundo término, la computadora
nunca más estaría simplemente esperando a que esté listo un progama: mientras
un programador editaba o compilaba su programa, la computadora seguía
calculando lo que otros procesos requirieran.
Multitarea cooperativa o no apropiativa (Cooperative multitasking).
La implementaron
los sistemas multiprogramados: cada proceso tenía control del
CPU hasta que éste hacía una llamada al sistema (o indicara su disposición
a cooperar por medio de la llamada yield: ceder el paso).
Un cálculo largo no era interrumpido por el sistema operativo, en consecuencia
un error de programador podía congelar la computadora completa.
Multitarea preventiva o apropiativa (Preemptive multitasking).
En los sistemas de tiempo compartido, el reloj del sistema interrumpe periódicamente a
los diversos procesos, transfiriendo forzosamente el control nuevamente al
sistema operativo. Éste puede entonces elegir otro proceso para continuar
la ejecución.
Además, fueron naciendo de forma natural y paulatina las abstracciones
que se conocen hoy en día, como los conceptos de archivos y directorios, y el có-
digo necesario para emplearlos iba siendo enviado a las bibliotecas de sistema y,
cada vez más (por su centralidad) hacia el núcleo mismo del, ahora sí, sistema
operativo.
Un cambio importante entre los sistemas multiprogramados y de tiempo
compartido es que la velocidad del cambio entre una tarea y otra es mucho
más rápido: si bien en un sistema multiprogramado un cambio de contexto podía
producirse sólo cuando la tarea cambiaba de un modo de ejecución a otro, en
un sistema interactivo, para dar la ilusión de uso exclusivo de la computadora,
el hardware emitía periódicamente al sistema operativo interrupciones (señales)
que le indicaban que cambie el proceso activo (como ahora se le denomina a una
instancia de un programa en ejecución).
Diferentes tipos de proceso pueden tener distinto nivel de importancia —ya
sea porque son más relevantes para el funcionamiento de la computadora misma
(procesos de sistema), porque tienen mayor carga de interactividad (por
la experiencia del usuario) o por diversas categorías de usuarios (sistemas con
contabilidad por tipo de atención). Esto requiere la implementación de diversas
prioridades para cada uno de éstos.
