Estructuras de Sistemas Operativos

Kernel: Definición

Parte fundamental de un sistema operativo, que reside en memoria todo el tiempo y que provee los servicios básicos. Es la parte del sistema operativo que está más cerca de la máquina y puede activar el hardware directamente o unirse a otra capa de software que maneja el hardware.

La tarea del Kernel es ejecutar procesos (Software, aplicaciones o programas) y facilitarles a los mismos la tarea de interacción con el Hardware, mediante la comunicación entre procesos y llamadas al sistema (system calls).

Sistemas monolíticos

En este diseño, que hasta ahora se considera como la organización más común, todo el sistema operativo se ejecuta como un solo programa en modo kernel. El sistema operativo se escribe como una colección de procedimientos, enlazados entre sí en un solo programa binario ejecutable extenso.

Esta organización sugiere una estructura básica para el sistema operativo:

1. Un programa principal que invoca el procedimiento de servicio solicitado.

2. Un conjunto de procedimientos de servicio que llevan a cabo las llamadas al sistema.

3. Un conjunto de procedimientos utilitarios que ayudan a los procedimientos de servicio.

Sistemas de capas

Organizar el sistema operativo como una jerarquía de capas, cada una construida encima de la que tiene abajo. El primer sistema construido de esta forma fue el sistema THE, construido en Technische Hogeschool Eindhoven en Holanda por E. W. Dijkstra (1968) y sus estudiantes. El sistema THE era un sistema simple de procesamiento por lotes para una computadora holandesa, la Electrologica X8, que tenía 32K de palabras de 27 bits (los bits eran costosos en aquel entonces).

El sistema tenía seis capas:

El nivel 0 se encargaba de la asignación del procesador, de cambiar entre un proceso y otro cuando ocurrían interrupciones o expiraban los temporizadores. 

La capa 1 se encargaba de la administración de la memoria. 

La capa 2 se encargaba de la comunicación entre cada proceso y la consola del operador (es decir, el usuario). 

La capa 3 se encargaba de administrar los dispositivos de E/S.

La capa 4 era en donde se encontraban los programas de usuario. 

El proceso operador del sistema se encontraba en el nivel 5.

Microkernels

La idea básica detrás del diseño de microkernel es lograr una alta confiabilidad al dividir el sistema operativo en módulos pequeños y bien definidos, sólo uno de los cuales (el microkernel) se ejecuta en modo kernel y el resto se ejecuta como procesos de usuario ordinarios, sin poder relativamente.

Modelo cliente-servidor

Una ligera variación de la idea del microkernel es diferenciar dos clases de procesos: los servidores, cada uno de los cuales proporciona cierto servicio, y los clientes, que utilizan estos servicios. Este modelo se conoce como cliente-servidor.

Cada vez hay más sistemas que involucran a los usuarios en sus PCs domésticas como clientes y equipos más grandes que operan en algún otro lado como servidores. De hecho, la mayor parte de la Web opera de esta forma. Una PC envía una petición de una página Web al servidor y la página Web se envía de vuelta. Éste es un uso común del modelo cliente-servidor en una red.

Máquinas virtuales

Este sistema, que en un principio se llamó CP/CMS y posteriormente cambió su nombre a VM/370, estaba basado en una astuta observación: un sistema de tiempo compartido proporciona (1) multiprogramación y (2) una máquina extendida con una interfaz más conveniente que el hardware por sí solo. La esencia de VM/370 es separar por completo estas dos funciones.

El corazón del sistema, que se conoce como monitor de máquina virtual, se ejecuta en el hardware solamente y realiza la multiprogramación, proporcionando no una, sino varias máquinas virtuales a la siguiente capa hacia arriba. Como cada máquina virtual es idéntica al verdadero hardware, cada una puede ejecutar cualquier sistema operativo que se ejecute directamente sólo en el hardware.