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1 Sistemas operativos, bases de datos y servidores Web Susana Álvarez Rosado Sergio Bravo Martín Iván Álvarez Navia Departamento de Informática y Automática Universidad de Salamanca sar@usal.es ser@usal.es inavia@usal.es Febrero

2 Índice Introducción... 1 Algunas conceptos iniciales... 2 El Sistema Operativo... 4 Definición de Sistema operativo... 4 El sistema operativo como interfaz usuario/computador... 5 El sistema operativo como administrador de recursos... 6 Historia... 7 Prehistoria... 7 Primera etapa... 7 Segunda etapa... 8 Tercera etapa... 9 Cuarta etapa Sistemas operativos de mayor difusión MS Windows UNIX Funciones de un Sistema Operativo Módulos de un Sistema Operativo El Núcleo Gestor de Memoria Gestor de E/S Gestor de Ficheros Asignación de Recursos y Planificación Protección Interfaz Usuario/Sistema Operativo El gestor de Bases de Datos Introducción Componentes Datos Hardware Software Usuarios Definición Características Funcionalidades Independencia de los datos Arquitectura de los sistemas de bases de datos Niveles Transformaciones Servidores Web Introducción

3 Arquitectura de la Web Clientes Web Servidores Web Protocolo de comunicación HTTP Direccionamiento Servidores Web Funcionamiento de un Servidor Web Estructura del Servidor Web Información del Servidor Web Ejemplos Apache Web Server Internet Information Server

4 Introducción En este capítulo se presenta una visión general de los aspectos tecnológicos involucrados en un sistema e-learning. Si bien es cierto que el e-learning no se limita únicamente a un conjunto de herramientas informáticas, si resulta evidente que constituyen el esqueleto básico sobre el que se construye. Por ello resulta necesario comprender el funcionamiento de las herramientas que más habitualmente se encuentran en este tipo de sistemas. La Fig. 1 muestra el esquema simplificado de funcionamiento de un sistema e-learning típico. Navegador WWW (MS Internet Explorer, Firefox,...) Internet Gestor Base de Datos (MySQL, PosgresSQL,...) Código SQL Datos Generación dinámica páginas HTML Aplicación (PHP, Perl, Java,...) Solicitud páginas HTML Páginas HTML generadas Envío páginas HTML Servidor Web (Apache,...) Solicitud páginas HTML Sistema Operativo (MS Windows, GNU/Linux, Solaris, Mac OS X,...) Fig. 1: Esquema básico de funcionamiento sistemas e-learning Un usuario, el estudiante, utiliza un navegador Web para conectar con el sistema. Básicamente lo que hace el navegador es solicitar a un servidor Web una página HTML (HyperText Markup Language, lenguaje de marcas hipertextuales), y éste responde enviando la página solicitada. Entonces el navegador se encarga de mostrarla correctamente al usuario. Sin embargo, el aspecto más relevante de este tipo de sistemas es que la página enviada no es estática, es decir, no existía tal cual se envía, sino que se genera dinámicamente en función de la solicitud realizada y los contenidos a enviar, dicha respuesta está adaptada a la petición realizada y al contexto de navegación. El elemento encargado de generar la página es una aplicación Web, generalmente escrita algún lenguaje como PHP, Java,..., y que siguiendo unas pautas claramente establecidas, plantillas y tomando información necesaria construye la página solicitada y se la envía al Servidor Web. Generalmente, esta aplicación precisa información almacenada en un gestor de base de datos, para ello realiza una petición de dicha información mediante código SQL (Structured Query Language, lenguaje de consulta estructurado) al citado gestor y éste responde enviando los datos solicitados a la aplicación. 1

5 Como se puede apreciar las herramientas informáticas que se encuentran involucradas en la construcción de un sistema e-learning, según la Fig 1, son cuatro: el servidor Web, la aplicación Web (realmente es el sistema e-learning propiamente dicho al ser la responsable de implementar la lógica de funcionamiento), el gestor de base de datos y, por último, el sistema operativo que proporciona el contexto adecuado para que las anteriores puedan realizar adecuadamente sus tareas. Por lo tanto, en este capítulo se realiza una descripción de estas herramientas. Se comenzará con una definición de conceptos básicos, como informática, hardware y software. Y a continuación se centrará en aquellas que están más directamente relacionadas con un sistema e-learning según la descripción anterior: sistema operativo, gestor de base de datos y servidor Web. Este software constituye el núcleo fundamental sobre el que se puede construir un sistema de este tipo, aunque no único. Otro tipo de tecnologías como lenguajes de programación, scripting, lenguajes de marcado, etc. constituyen herramientas poderosas también involucradas en esta tarea. Algunas conceptos iniciales El término informática es un vocablo que se deriva de la palabra francesa informatique, formada por la contracción de otras dos palabras información y automática. Se puede definir informática como el conjunto de conocimientos científicos y técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información por medio de ordenadores. Otra definición de informática puede ser el campo de conocimiento que abarca todos los aspectos del diseño y uso de los computadores [Prieto et al., 2002]. Existen otros términos para referirse a la informática, entre los cuales cabe destacar ciencia de la computación o ciencia de los computadores ya que es la traducción del término inglés Computer Science, el cual se utiliza con asiduidad en la bibliografía anglosajona para referirse a la informática. Si el objetivo final de la informática es el procesamiento automático de la información, se necesita la máquina capaz de realizar dicho tratamiento, esto es el ordenador o computador. Definiciones de ordenador que pueden encontrarse en la bibliografía son: Todo aparato o máquina destinada a procesar información, entendiéndose por proceso las sucesivas fases, manipulaciones o transformaciones que su%e la información para resolver un problema determinado. Máquina capaz de aceptar unos datos de entrada, efectuar con e)os operaciones lógicas y aritméticas, y proporcionar la información resultante a través de un medio de salida; todo e)o sin intervención de un operador humano y bajo el control de un programa de instrucciones previamente almacenado en el propio ordenador. Máquina electrónica digital para el tratamiento de la información. Respecto a esta última definición, aunque escueta, conviene hacer un repaso por el significado de cada uno de los términos que la componen. Así, la palabra electrónica implica que un ordenador se construye usando componentes electrónicos de estado sólido, conocidos por circuitos integrados, o más comúnmente por chips. La palabra digital hace referencia a que los ordenadores trabajan con datos en formato 2

6 digital; es decir, en códigos que representan las letras o los dígitos de los números. Cualquier otro tipo de datos, como puedan ser gráficos o sonido, se almacena también en formato digital. El formato digital significa que se emplea el sistema binario, esto es, los datos se almacenan en el ordenador por secuencias de ceros y unos. Esto es así porque el ordenador es un conjunto de sistemas físicos que sólo pueden entender dos estados. El término tratamiento de la información es un concepto general que da cabida a un enorme rango de actividades y trabajos que un ordenador puede llegar a realizar. Por último, la palabra máquina hace referencia a que los ordenadores están en la misma línea de sucesión que otras máquinas menos sofisticadas y, como una máquina que es, puede funcionar bien o mal, pero no es infalible Cualquier ordenador se apoya en dos pilares básicos que lo definen en sí mismo y le dan sentido a su existencia. Estos dos pilares son el soporte físico y el soporte lógico. El soporte físico, más conocido por hardware, es la máquina en sí, la parte física y tangible de un ordenador. Así pues, puede definirse el hardware como el conjunto de dispositivos físicos (cables, armarios...) y circuitos electrónicos (tarjetas de red, controladoras, circuitos integrados...) que constituyen un ordenador. El soporte lógico, que usualmente es conocido con el término software, es la parte que permite la explotación del hardware. El software se puede definir como el conjunto de programas que dirigen el funcionamiento del ordenador. El software y el hardware se encuentran íntimamente relacionados entre sí. El hardware establece la plataforma donde el software puede ejecutarse, y el software le da sentido a unos elementos físicos al ponerlos en explotación. Los programas que constituyen el software de un ordenador se pueden agrupar en: Software de control o sistema de explotación Es el software encargado de controlar el funcionamiento de los programas en ejecución, administrando los recursos hardware y facilitando la utilización del ordenador de la forma más eficiente posible. Dentro de esta categoría se encuentran: El sistema operativo El interprete de órdenes El software de diagnóstico y mantenimiento Utilidades Conjunto de programas de servicio que, en cierta medida, se pueden considerar como una extensión del sistema operativo. Incluye programas como editores de texto, traductores (compiladores, interpretes) y cargadores útiles en la creación de programas software por parte de los programadores y desarrolladores. Otro tipo de programas son: utilidades para la compresión de datos, compactadores de discos, copias de seguridad, recuperación de datos, antivirus,... Software de aplicación Son todos aquellos programas relacionados con alguna aplicación específica como pueden ser: 3

7 El Sistema Operativo procesadores de texto (MS Word, OpenOffice,...), programas para resolver problemas estadísticos (SPSS), cálculo matemático (MATEMÁTICA, MATLAB), gestores de bases de datos (MySQL, PostgresSQL, MS ACCESS, ORA- CLE,...), hojas de cálculo (MS Excel, OpenOffice), agendas electrónicas y gestores de correo electrónico (MS Outlook, Evolution), navegadores Web (MS Ineternet Explorer, Firefox, Safari, Opera,...), mensajería (MSN, YAHOO, GTALK,...) A la vista de las definiciones de software y hardware puede parecer que son dos conceptos claramente delimitados, pero esta frontera se diluye con el concepto de firmware, que se puede definir como el conjunto de microprogramas empotrados en memorias de sólo lectura y destinados a resolver un proceso o problema particular y frecuente. Por lo tanto el firmware es un soporte para programas que no se pueden alterar, siendo un estadio intermedio entre hardware y software. Un Sistema Operativo es un programa o conjunto de programas que actúa como interfaz entre el usuario de un computador y el hardware del mismo, ofreciendo el entorno necesario para que el usuario pueda ejecutar programas de aplicación. Los dos objetivos fundamentales son: Eficiencia: Un sistema permite que se utilicen los recursos de forma eficiente Comodidad o facilidad de uso: Un sistema operativo hace que un computador sea más fácil y cómodo de usar Estos objetivos no son fácilmente compatibles, si se consiguen, se logra un buen sistema operativo. En los sistemas operativos modernos el objetivo fundamental es gestionar y administrar eficientemente los recursos hardware, permitiendo que se ejecuten concurrentemente varios programas, sin que haya conflictos en el acceso de cada uno de ellos a cada uno de los recursos que necesite, y sin que ningún programa monopolice alguno de ellos. Definición de Sistema operativo Se puede definir un sistema operativo como un programa (o conjunto de programas) de control que tiene por objeto facilitar el uso del ordenador y conseguir que ésta se utilice eficientemente. El sistema operativo es un programa de control, ya que se encarga de gestionar y asignar los recursos hardware que requieren los programas. Los recursos son: el procesador (UCP), la memoria, los dispositivos o periféricos de entrada/salida. Por ejemplo, si varios usuarios están utilizando la misma computadora, han de asignarse los recursos y evitar los conflictos que puedan surgir cuando dos programas requieran los mismos elementos (la misma unidad de disco o la impresora, por ejemplo). Esta es una de las funciones del sistema operativo. Además de esta función de asignar los recursos a cada programa, el sistema operativo se encarga de 4

8 contabilizarlos y de la seguridad (de que un usuario no pueda acceder sin autorización a la información de otro, por ejemplo). Si consideramos el segundo objetivo, el sistema operativo facilita el uso del ordenador. Por ejemplo, cada dispositivo de E/S, para ser utilizado, requiere varias instrucciones máquina que establezcan un diálogo entre las unidades centrales y el periférico, enviando o captando el dato de salida o de entrada, respectivamente. Estas instrucciones dependen considerablemente de las características concretas del periférico. Si se trata, por ejemplo, de una unidad de disco, hay que considerar el ancho de los buses, el tamaño de su memoria intermedia, el arranque (y parada) de los motores de la unidad, el código identificador de la posición a donde hay que acceder, etc. Por otra parte, estas instrucciones u operaciones son comunes para grabar o leer cual tipo de información (programas o datos), sea cual sea su naturaleza. El sistema operativo, con objetivo de facilitar el trabajo de los programadores, contiene módulos de gestión de entradas/salidas que evitan a los usuarios tener que incluir esas instrucciones cada vez que hacen una operación de entrada o salida. Se puede decir que estos programas del sistema operativo hacen transparente al usuario las características hardware concretas de los dispositivos. Y por último, El sistema operativo también hace que el ordenador se utilice de forma eficiente. Para poner de manifiesto cómo el sistema operativo puede incrementar la eficiencia considérese un ejemplo sencillo. Los programas tradicionalmente se ejecutan secuencialmente, es decir, hasta que no concluye la ejecución de una instrucción no se ejecuta la siguiente. Supongamos que dentro de un programa hay una instrucción que implica la escritura de una página en una impresora láser. Hasta que no acabe de imprimirse dicha página el programa no puede continuar ejecutándose. Para mejorar la eficiencia del sistema en estas situaciones el sistema operativo se encargará de gestionar y asignar recursos a los diferentes procesos que se tengan ejecutando para optimizar el rendimiento. Así pues un Sistema Operativo es el soporte lógico (software) que controla el funcionamiento del equipo físico (hardware); eficiencia, fiabilidad, facilidad de mantenimiento, y un pequeño tamaño serían las características deseables de este software. Un sistema operativo es un conjunto de programas que supervisan y controlan los programas de usuario para evitar errores y el uso inadecuado del computador. El sistema operativo controla, así mismo, las operaciones de E/S; podemos pues, entender por sistema operativo, una colección de programas cuya principal misión es gestionar los recursos del computador, y en consecuencia será el soporte lógico que controla el funcionamiento del equipo físico (hardware). El sistema operativo como interfaz usuario/computador El sistema operativo oculta los detalles del hardware a los usuarios y programadores y proporciona una interfaz adecuada para utilizar el sistema. Actúa como mediador (ver Fig. 2), facilitando al usuario y a los programas de aplicación el acceso y el uso de los medios y servicios del sistema. Un sistema informático engloba los cinco puntos siguientes: el hardware (UCP o Unidad Central de Proceso o simplemente procesador, memoria, dispositivos de E/S) 5

9 el sistema operativo software de utilidad los programas de aplicación (compiladores, sistemas de bases de datos, utilidades, videojuegos, programas de gestión... etc..) los usuarios (personas, Máquinas u otros computadores) Los recursos básicos de un sistema informático, son el hardware, el software y los datos. El sistema operativo facilita los medios para la utilización adecuada de estos recursos durante las operaciones en el sistema informático. Usuario final Programador Programas de aplicación Utilidades Sistema operativo Diseñador del sistema operativo Hardware Fig. 2: El sistema operativo como interfaz de servicios Proporciona servicios en las siguientes áreas: Creación de programas: Conjunto de utilidades que ayudan al programador en sus tareas de elaboración de programas (editores, compiladores, etc...). Ejecución de programas: Para ejecutar un programa es preciso realizar una serie de tareas. Las instrucción y los datos deben cargarse en memoria principal, se deben iniciar los dispositivos de E/S y los ficheros, y deben prepararse otros recursos. Acceso a los dispositivos de E/S: Cada dispositivo de E/S necesita su propio conjunto de instrucción y señales para poder operar. El S.O. aísla al usuario de estas particularidades, convirtiéndolas en simples operaciones de lectura/escritura. Acceso controlado a los ficheros: Además de las particularidades del dispositivo que se trate (disco, cinta) se debe controlar el formato del fichero y el medio de almacenamiento. Además, en el caso de sistemas multiusuario deben existir mecanismos de seguridad. Acceso al sistema: En el caso de sistema compartido o público, el sistema operativo controla el acceso al sistema como un todo y a los recursos específicos del sistema. El sistema operativo como administrador de recursos El ordenador es un conjunto de recursos para transferir, almacenar, y procesar datos y para controlar esas funciones. El sistema operativo es el responsable de administrar esos recursos. Sin embargo, el control lo realiza de una forma muy particular: 6

10 Historia El sistema operativo funciona de la misma forma que el software ordinario del computador, es decir, se trata de un programa ejecutado por la UCP El sistema operativo frecuentemente cede el control y depende de la UCP para recuperarlo Por lo tanto, el sistema operativo es un programa más, pero con la diferencia de su objetivo: dirigir a la UCP en el uso de otros recursos del sistema y en la temporización de la ejecución de otros programas. En este apartado se va a presentar la evolución histórica de los sistemas operativos, haciendo especial hincapié en los avances tecnológicos más relevantes y agrupando dichos avances en las etapas tiempo más significativas. Se terminará haciendo un repaso a los sistemas operativos más populares. En la bibliografía se suele agrupar la evolución en el tiempo de los avances de los sistemas operativos en cuatro etapas o generaciones. Prehistoria Durante esta etapa, que cubre los años cuarenta, se construyen los primeros ordenadores. Como ejemplo se puede citar el ENIAC (Electronic Numerical Integrator Analyzer and Computer), financiado por el Laboratorio de Investigación Balística de los EEUU. La principal característica de estos primeros ordenadores era que no existían los sistemas operativos. La UCP sólo podía ejecutar un programa de cada vez (es lo que se conoce como monoprogramación), que se introducía mediante tarjetas perforadas. Todos los trabajos se realizaban en serie; se introducía un programa en el ordenador (manualmente), se ejecutaba y se imprimían los resultados, y se volvía repetir el mismo proceso con el siguiente trabajo. Una de las mejoras que se introdujo fue el manejo de la máquina por un especialista en operación (operador), cuya misión era: controlar el sistema cargar el programa que creaba el programador obtener resultados Estas operaciones no utilizaban toda la capacidad de proceso de la UCP, pues dejaban tiempos de UCP sin ocupar, aun cuando se agrupaban los trabajos con una necesidad común de recursos (físicos y lógicos), y se ejecutaban como si fueran un bloque. Primera etapa En los años cincuenta se observa que gran parte del trabajo que realizaba un operador era bastante mecánico y podía ser automatizado, ganando tiempo. Se desarrolló un pequeño programa que permanecía constantemente en memoria (residente), y que transfería automáticamente el control de un trabajo a otro. A este programa se le denominó monitor y es considerado como el primer sistema operativo. La forma de trabajar del monitor era la siguiente: En el momento de encender la computadora se daba el control al monitor El monitor preparaba la carga y ejecución del primer trabajo o tarea a ejecutar El monitor cedía el control al trabajo cargado 7

11 Cuando el trabajo en ejecución terminaba, el monitor tomaba de nuevo el control, dando paso al segundo de los trabajos, y así sucesivamente El programa monitor contenía las siguientes partes: El secuenciador automático de trabajos El intérprete de tarjetas de control Controladores software de entrada/salida (drivers) Tanto la introducción de las instrucciones de los programas, como los datos con lo que debían trabajar y como las secuencias de control del monitor se realizaba mediante tarjetas perforadas. Existían tres tipos de tarjetas: Programa: introducción de instrucciones del programa a ejecutar. Datos: introducción de datos del programa. Control (JCL, Job Control Language): sirven para controlar e instruir al programa monitor. Segunda etapa Durante los años 60 se comienza a estudiar mejoras de rendimiento atendiendo a los periodos de tiempo en que el procesador está inactivo. Cuando un procesador está trabajando, los dispositivos de E/S están inactivos, y cuando un dispositivo de E/S está actuando el resto de las unidades, incluido el procesador, permanecían inactivos. Esta circunstancia suponía un importante desaprovechamiento de prestaciones. Se plantearon entonces las siguientes mejoras: Operaciones OFF-LINE Para realizar la comunicación con los periféricos se desarrollaron los procesadores satélites, que descargaban el trabajo del procesador central, optimizando el tiempo de UCP. Los procesadores satélites se encargaban de grabar una imagen de las tarjetas perforadas en cintas magnéticas (de acceso secuencial, pero mucho más rápidas que las lectoras de tarjetas), de donde las cargaba la UCP. Memorias intermedias o buffers El Buffering trata de mantener permanentemente ocupados tanto la UCP, como los dispositivos de E/S, para ello se utiliza una zona de memoria intermedia, denominada buffer, en la propia memoria principal del computador. Los datos que se transmiten de memoria al periférico, y viceversa, son volcados en el buffer donde están disponibles para ser utilizados. Por ejemplo, para la salida de datos a un dispositivo de salida: La UCP vuelca los datos al buffer (memoria intermedia) hasta que el dispositivo de salida pueda aceptarlos. Cuando el dispositivo de salida vacíe el buffer, reclamará tiempo de UCP mediante un línea de interrupción habilitada para tal efecto, la UCP dejará la tarea que esté haciendo para atender la interrupción, que en este caso consistirá en volver a llenar el buffer e instruir al dispositivo para que inicie la lectura de los datos. Dependiendo de lo rápido que sea el dispositivo periférico existen dos tipos de dispositivos: los que transfieren información carácter a carácter (la pantalla y el teclado) 8

12 los que lo hacen por bloques de caracteres (los discos, tanto fijos como los extraibles Por último, hay dispositivos de E/S que realizan acceso directo a memoria, sin necesidad de ocupar tiempo de UCP, son los dispositivos con DMA (Direct Access Memory, Acceso Directo a Memoria). Son dispositivos de E/S de velocidad con transferencia de datos próxima a la de memoria, y que no necesitan de la UCP para realizar la transferencia de información con la memoria. Spooling La idea es la misma que en los sistemas off-line pero se sustituye la cinta (acceso secuencial, una vez escrita hay que rebobinarla antes de poder leerla) por el disco (acceso directo, más rápido). El funcionamiento es el siguiente: Las tarjetas perforadas se leen directamente sobre el disco desde la lectora de tarjetas. La posición de las imágenes de las tarjetas se registra en una tabla mantenida por el sistema operativo. En la tabla se anota cada trabajo una vez leído. Cuando se ejecuta un trabajo sus peticiones de entrada desde la lectora de tarjetas se satisfacen leyendo el disco. Análogamente, cuando el trabajo solicita la salida de una línea por la impresora, esta línea se copia en el buffer del sistema y se escribe en el disco. Cuando la tarea se ha completado, la salida se imprime realmente buscando los datos en el disco. Las diferencias entre buffering y spooling son que el buffering solapa la E/S de un trabajo con su propio tratamiento (procesamiento), y el spooling solapa la E/S de un trabajo con el procesamiento de otro. Se trabajaba con sistemas de colas simples o sistemas en batch, es decir, los trabajos se colocan en una cola y se van ejecutando uno tras otro, de forma secuencial. Comenzaron a aparecer distintas aproximaciones para conseguir un mayor rendimiento del sistema, evitando la situación en que la UCP se quedaba sin trabajo. Tercera etapa Finales de los 60 y década de los 70. Se comienza a utilizar el concepto de multiprogramación como remedio para incrementar el rendimiento. Un programa en ejecución en un ordenador se denomina proceso. Desde el punto de vista de ocupación de tiempo de procesador y de los dispositivos periféricos, se puede diferenciar dos tipos básicos: Procesos limitados por procesamiento. Son aquellos que consumen la mayor parte de su tiempo en el tratamiento de la información y muy poco en operaciones de entrada/salida. Procesos limitados por operaciones de E/S. Son aquellos que dedican la mayor parte del tiempo a operaciones de E/S, haciendo poco uso de el procesador, que se mantiene inactivo durante grandes períodos de tiempo. Obviamente un proceso particular puede estar decantado hacia un lado u otro, o bien situado en una situación intermedia. 9

13 El segundo tipo de proceso dio lugar a una nueva técnica denominada multiprogramación, que consiste en aprovechar la inactividad del procesador durante la ejecución de una operación de E/S de un proceso, atendiendo a otro proceso. En estas condiciones nos encontraremos con varios problemas: Se deben realizar una serie de tareas que permitan la concurrencia de procesos: cambio de contexto Se hace necesario algún tipo de administración de la memoria, ya que ésta tiene que ser compartida por los distintos procesos Es necesaria una política de asignación de recursos, para evitar situaciones de abrazo mortal 1 cuando dos procesos intentan acceder simultáneamente a dos recursos bajo determinadas condiciones. Con el uso de la multiprogramación, el procesamiento en colas puede ser bastante eficiente. Sin embargo, en alguno casos es necesario un modo interactivo. Igual que la multiprogramación permite que el procesador ejecute varios procesos de la cola en un intervalo de tiempo. Sin embargo, en este caso el cambio entre procesos ocurre tan frecuentemente que el usuario puede interactuar con cada programa mientras se está ejecutando. Un sistema operativo de tiempo compartido utiliza una planificación de la UCP y multiprogramación para proporcionar a cada usuario una pequeña porción de tiempo de procesamiento, denominado cuantum (habitualmente 100 ms). El proceso se ejecuta realmente durante un corto periodo de tiempo antes de que, o bien se termine su cuantum, o bien necesite realizar una operación de E/S. La operación de E/S puede ser interactiva (suele ser habitual), es decir, se llevará a cabo a velocidad humana, lo que implica que puede llevar un tiempo largo su finalización. La responsable de interrumpir la ejecución de un proceso cuando termina su cuantum es la UCP, dándole el control al S.O. que se encargará de realizar el correspondiente cambio de contexto. Si consideramos dos dimensiones podemos establecer la clasificación de la tabla 1: La primera dimensión especifica si se trata de un sistema de colas (batch) o interactivo: Sistema de colas: El programa de usuario se introduce en una cola junto con programas de otros usuario, enviados todos por el operador del computador. Sistema interactivo: El usuario/programador interactúa directamente con el computador para solicitar la ejecución de un trabajo o incluso, dependiendo de la aplicación, comunicarse con la misma. La segunda dimensión especifica si un sistema es multiprogramado o no: Sistema multiprogramado: Varios programas está cargados en memoria principal del computador. Sistema monoprogramado: Sólo un programa en memoria principal, sólo se ejecuta un programa en cada momento. 1 Del inglés deadlock 10

14 Atendiendo a estas dos dimensiones se pueden clasificar los sistemas operativos según esta tabla: Sistema de colas Interactivo Monoprogramado Simple Sistema dedicado Multiprogramado Sofisticado Tiempo compartido Tabla 1: Clasificación de sistemas operativos. También aparecen otras aproximaciones de sistemas operativos multiprogramados como los sistemas de tiempo real. En este tipo de sistemas se necesita un tiempo de respuesta pequeño ante cualquier petición. Suele emplearse en aplicaciones dedicadas a sistemas de control con sensores como elementos de entrada, donde es necesaria una respuesta rápida sobre el sistema a controlar. Podemos decir que un sistema trabaja en tiempo real si el tiempo de respuesta permite controlar y regular el medio sobre el que opera. Cuarta etapa Aproximadamente desde los años 80 hasta la actualidad, se caracteriza por el desarrollo de sistemas operativos para ordenadores personales (CP/M, MacOS, MS- DOS, OS/2,...) y para estaciones de trabajo (UNIX, MS Windows NT,...) y, en los últimos años, un avance muy significativo en las interfaces gráficas de usuario, IGU 2 así como otros paradigmas de interacción con el usuario como la realidad virtual o la computación ubicua. Los avances tecnológicos, el crecimiento de las redes (Internet) y la aparición de ordenadores con varios procesadores provocan una evolución de los sistemas operativos para aprovechar al máximo dichos avances. Sistemas Distribuidos Una tendencia actual en sistemas informáticos es la creación de redes locales de ordenadores, lo que permite: Compartir recursos Incrementar la velocidad de procesamiento. Procesamiento paralelo con memoria distribuida, mediante paso de mensajes Fiabilidad Comunicaciones. Correo electrónico, videoconferencia, etc. Sistemas Multiprocesador Uno de los problemas actuales en el proceso de datos ha sido la aparición de aplicaciones que manejan gran cantidad de datos, que un único procesador no es capaz de procesar en el tiempo requerido. Aunque puede ser resuelto por un sistema distribuido, hoy en día aparecen sistemas multiprocesadores con varios microprocesadores compartiendo memoria, buses y reloj. Más fáciles de programar y más rápidos, no hay una sobrecarga en tiempo por el paso de mensajes, pero tecnológicamente más complejos. 2 En inglés GUI, Graphical User Interface 11

15 Sistemas operativos de mayor difusión MS Windows Nació simplemente como una aplicación que necesitaba del DOS (MS Windows 3.1) pero el tiempo y los usuarios demandaron que se convirtiera en un sistema operativo completo (MS Windows 95 y MS Windows 98). Es el más utilizado hoy en día en todo el mundo, lo que no significa que sea o no el mejor. Fue diseñado para facilitar la comunicación entre el usuario y el ordenador. Para ello convierte la pantalla del ordenador en una especie de escritorio (un conjunto de carpetas y una papelera). Es lo que se denomina habitualmente como metáfora del escritorio y fue popularizada inicialmente por Apple con su Mac OS. Pone al alcance del usuario la tecnología plug and play que simplifica la tarea de configurar los dispositivos periféricos que se conecten al ordenador, permite al usuario etiquetar sus archivos como desee, facilita la tarea del intercambio de datos entre programas diferentes y está especialmente diseñado para que el usuario pueda trabajar con las tecnologías multimedia. Entre sus características caben destacar las siguientes: multitarea, una interfaz de usuario muy intuitiva y una estabilidad y seguridad sólo relativas. También surgió entre los usuarios una demanda que obligó a Microsoft al desarrollo de un sistema operativo que aprovechara la interfaz Windows, pero orientado al mundo empresarial. Ese embrión fue denominado y posteriormente bautizado como Windows NT. Windows NT es un sistema operativo multiusuario y proyectado para actuar en servidores de archivos, impresoras y otros sistemas, a los que se accede a través de redes de área local (LAN) o Internet. Incluye funciones de seguridad para grupos de usuario, autentificación de usuarios y control de acceso a los recursos compartidos de la red. Admite unidades RAID de discos. Entre otras características, aparece la multiprogramación, la alta estabilidad y seguridad. Sus inconvenientes principales son los excesivos recursos que necesita para poder ser utilizado en una red medianamente grande. Las siguientes versiones basadas en la tecnología NT de Microsoft fueron Windows 2000, orientado a estaciones de trabajo en red, y Windows Server El primero está disponible en cuatro versiones: Professional, Server, Advanced Server y Detacenter Server y está orientado a usuarios finales. El segundo está más orientado a entornos de servidores. La penúltima versión, Windows XP esta enfocado a los usuarios, tanto domésticos como profesionales. Se distribuye en cuatro versiones diferentes: XP Home Edition (enfocada a los usuarios domésticos), XP Profesional (enfocada a usuarios más avanzados) y dos versiones especiales: XP Media Center Edition (especializada en tecnologías multimedia) y XP Tablet PC Edition (versión exclusiva para la nueva generación de dispositivos Tablet PC). Windows CE es una versión simplificada ideada para equipos informáticos miniaturizados como PDA s o televisiones conectables a Internet, etc. Recientemente (febrero 2007) Microsoft ha publicado la última versión de sus sistemas operativos: MS Windows Vista, orientado tanto al mercado empresarial 12

16 como al doméstico, con amplias capacidades multimedia, de comunicación y una atención especial a las cuestiones de seguridad, faceta muy criticada en sistemas anteriores de la compañía. Otro aspecto muy cuidado de Vista es la interacción con el usuario, se mejora notablemente con atractivos efectos gráficos en 3D. Fig. 3: Captura MS Windows Vista. ALT-TAB cambio de aplicación. Fig. 4: Captura de MS Windows Vista. Barra lateral de gadgets activada. 13

17 UNIX En la década de los 60 se lleva a cabo el proyecto Multics (GE-645), con el objetivo de crear un sistema operativo multiusuario. Desarrollado por el MIT 3, Bell Laboratories y GE. Al final fracasó, la tecnología no estaba suficientemente madura. En la década de los 70 Ken Tompson, Dennis Ritchie y otros investigadores de Bell Laboratories desarrollan UNIX 4 partiendo de ideas simplificadas de MUL- TICS en una PDP-7 y finalmente en una PDP-11. La principal característica era que un único usuario puede crear fácilmente un proceso. En el año 1973 se rescribe en un lenguaje de alto nivel: lenguaje C en vez de ensamblador, con lo se gana en portabilidad a otras arquitecturas. Bell Laboratories controla las versiones de UNIX para investigación, que se numeran de 1 a 6. Entre las características más relevantes se pueden citar: Escrito en C, sólo una pequeña parte se mantiene en ensamblador y es específica del HW. Distribución de licencias y código fuente a investigadores (Universidades). Clave para su desarrollo y éxito entre los usuarios. De hecho una de ellas, la Universidad de California en Berkeley, inicia su propio desarrollo dando lugar a una de las familias UNIX de más éxito: BSD (Berkeley Software Distributions). Diseño que permite a un usuario ejecutar varios procesos simultáneamente y conectarlos mediante flujos de datos (streams). En la década de los 80 Bell Laboratories/AT&T cambia la política de distribución de UNIX. Bajo esta nueva política se distribuyen, a partir de 1983, las ediciones: System III, System IV y System V. Surgen también los grupos de desarrolladores y usuarios 5, protagonistas fundamentales del rápido desarrollo de UNIX. En la década de los 90 se produce la edición de SYSTEM V, Release 4, junto con un nuevo cambio en la política de licencia y distribución. Surgen problemas y litigios legales con otras líneas de desarrollo (BSD, Universidad de California, Berkeley). Se produce la adquisición por parte de Novell de todos los derechos sobre el código fuente original UNIX de Bell Laboratories/AT&T, incluida la demanda por licencias con la Universidad de California. A partir de entonces se produce un cambio de nombre y la evolución sobre la línea UNIXware. Posteriormente Santa Cruz Operation (SCO) adquiere la licencia y lo comienza a comercializar bajo el nombre de SCO UNIX. Y qué pasa con la rama BSD? En la década de los 80 la Universidad de California en Berkeley inicia y mantiene el desarrollo UNIX, partiendo de la rama principal. Bell Laboratories/AT&T establece unos acuerdos contractuales que permiten la 3 MIT acrónimo de Massachusetts Institute of Technology, Instituto Tecnológico de Massachusetts 4 El nombre surge como resultado de un juego de palabras con el nombre de su antecesor, MULTICS, siendo inicialmente UNICS 5 USG: UNIX Support Group; USDL: UNIX System Development Laboratory; USL: UNIX System Laboratory, división comercial de AT&T; PWB: Programmer s Work Bench, a través del USG 14

18 distribución entre Universidades, lo que resulta fundamental en el éxito de popularidad de UNIX. Esta nueva familia pasa a denominarse Berkeley Software Distributions, BSD. Actualmente esta denominación se ha vuelto a dividir, siendo las dos ramas más extendidas FreeBSD y NetBSD. Debido a problemas sobre la propiedad intelectual del código UNIX se produce un litigio con el USL. Ya en la década de los 90, BSD gana el litigio a Novell, de hecho llegan a un acuerdo extrajudicial por el que la Universidad de California, Berkeley, puede seguir con sus distribuciones. USG, USDL y USL Bell Labs BSD 1969 Primera edición Sexta edición PWD 1 BSD 1980 System III Xenix 4 BSD System V Sun OS 1990 UNIXware Solaris Linux 4.4 BSD SCO UNIX Solaris FreeBSD Fig. 5: Familias UNIX. Un aspecto que suele sorprender al usuario no familiarizado con UNIX es la variedad familias existentes. Las primeras ediciones de Bell Laboratories se distribuían en código fuente, que además podía ser modificado e, incluso, distribuido con dichas modificaciones, por los usuarios. Así, a lo largo de los años, distribuciones varias, litigios y acuerdos, se van produciendo varias escisiones y fusiones de diferentes líneas o familias (Fig. 5) según disposiciones legales de las licencias de uso y distribución activas en cada momento. Durante los años la familia más relevante, y la que marca el estándar UNIX es la familia de AT&T. Actualmente existen mezclas de propiedad intelectual entre las diferentes familias. Entre las familias UNIX más conocidas se encuentran: AT&T, la original de los Bell Laboratories. Considerada como la familia pura de UNIX. Principales sistemas: SYSTEM III y SYSTEM V. 15

19 BSD, Universidad de California, Berkeley. Originada por el licenciamiento de UNIX a Berkely. Incorporación de su propia propiedad intelectual: protocolos TCP/IP. Ampliamente difundida con licencias de código abierto. AIX, IBM. Licenciamiento de UNIX System III a IBM Xenix, Santa Cruz Operation, SCO. Adquisición de derechos originales de AT&T por parte de SCO (primero por Novell) GNU/Linux, software libre. Se trata del conjunto de herramientas GNU, más el kernel (núcleo) Linux. Cumple con el estándar POSIX. No deriva de una rama oficial UNIX (Fig 6 y 7). Las implementaciones son sistemas operativos UNIX distribuidos, bajo algún tipo de licencia concreto, bien propietario por parte de alguna empresa, bien abierto, bien libre distribución. Entre los más relevantes tenemos: Solaris, SUN MicroSystems. Rama BSD, actualmente parcialmente liberado. HP-UX, Hewlett Packard. AIX, IBM. System III y System V. MacOS X, Apple Computer. Mach Microkernel, BSD (OpenDarwin) abierto. Distribuciones GNU/Linux: Debian, Fedora (RedHat), Suse y OpenSuse (Novell), Ubuntu,... La definición de estándares entorno a UNIX suponen un esfuerzo por conseguir una uniformidad entre todas las familias e implementaciones. Actualmente, debido a la gran variedad de familias existen muchas divergencias a diferentes niveles (llamadas al sistema, órdenes UNIX, etc.). Los más conocidos: IEEE, POSIX y POSIX.2 (Portable Operating System Interface). AT&T, SVID (System V Interface Definition). Europa, X-OPEN, sigue el POSIX. Fig. 6: Captura de OpenSuse, una de las distribuciones GNU/Linus más populares. 16

20 Fig. 7: Captura de OpenSuse, mostrando unos de los efectos 3D de su escritorio. Funciones de un Sistema Operativo Las funciones de un sistema operativo pueden clasificarse de forma general en: Asignación de tiempos de UCP: La asignación de tiempos de UCP, consiste en planificar las distintas actividades que tienen o van a tener lugar en el computador, y a las cuales habrá que dedicar tiempo de UCP. Control de recursos: El control de recursos consiste en asignar los recursos del computador de una forma racional. Entre las tareas más importantes a la hora de asignar recursos se encuentran: la división de la memoria del computador entre los programas la asignación de espacio en las unidades de almacenamiento masivo para programas y datos controlar las colas para los dispositivos de salida Control de Entrada/Salida: El control de entrada/salida consiste en gestionar los canales de datos hacia y desde los periféricos. Control de Errores y Protección : El control de errores, y la protección frente a éstos, supone informar de cualquier condición anómala al tiempo que se intenta minimizar su efecto sobre el resto del sistema informático. Interfaz con el operador: La interfaz con el operador proporciona a la persona que utiliza el computador, facilidad para el uso del computador. Facilidades contables: Las facilidades contables permiten facturar a los usuarios el importe que supone su uso de los recursos del computador de acuerdo a una tabla de costes previamente establecida. 17