Introducción a los Sistemas Operativos

Cuando se habla de sistemas operativos se debe responder algunas preguntas. ¿Por qué es importante el tema?, ¿Por qué es complejo?, y ¿Qué es un sistema operativo?.

¿Por qué es importante estudiar sistemas operativos?

Los sistemas operativos son importantes debido a que están presentes en todas partes. En la actualidad todos los dispositivos "smart" como relojes, ampolletas, teléfonos, televisores y computadores, entre muchos otros, cuentan con un sistema operativo que los hace funcionar. La mayor parte de los programas se ejecutan sobre un sistema operativo y sus comportamientos y desempeño también dependen del mismo.

¿Por qué el diseño de sistemas operativos es complejo?

En la actualidad existen millares de dispositivos diferentes, cada uno con su propia especificaciones de hardware, con capacidades y funciones únicas. La mayoría de estos dispositivos tienen algo en común. Disponen de un sistema operativo y se conectan a internet para comunicarse entre sí. La labor de un sistema operativo es ser un puente e interfaz entre un rango diverso y amplio de dispositivos.

El ingeniero Gordon Bell (1972) describió cómo aproximadamente cada década surge una nueva clase de computadoras, desplazando a las anteriores y transformando la industria tecnológica. Es decir, cada década tenemos nuevos dispositivos más poderosos que la generación anterior y estos tienen mayor adopción por el público.

  • Mainframes (1960s)

  • Minicomputers (1970s)

  • Computadoras personales (1980s)

  • Navegadores Web, Internet (1990s)

  • Computación en la Nube, (AWS, GCP) (2000s)

  • Teléfonos móviles (iPhone, Android) y dispositivos inteligentes (2010s)

  • Internet of things, IA (2020s)

Además de la gran cantidad de dispositivos, un sistema operativo debe navegar por diferentes escalas de tiempo.

Comparación de Latencia de Jeff Dean, https://gist.github.com/jboner/2841832
Latency Comparison Numbers (~2012)
----------------------------------
L1 cache reference                           0.5 ns
Branch mispredict                            5   ns
L2 cache reference                           7   ns                      14x L1 cache
Mutex lock/unlock                           25   ns
Main memory reference                      100   ns                      20x L2 cache, 200x L1 cache
Compress 1K bytes with Zippy             3,000   ns        3 us
Send 1K bytes over 1 Gbps network       10,000   ns       10 us
Read 4K randomly from SSD*             150,000   ns      150 us          ~1GB/sec SSD
Read 1 MB sequentially from memory     250,000   ns      250 us
Round trip within same datacenter      500,000   ns      500 us
Read 1 MB sequentially from SSD*     1,000,000   ns    1,000 us    1 ms  ~1GB/sec SSD, 4X memory
Disk seek                           10,000,000   ns   10,000 us   10 ms  20x datacenter roundtrip
Read 1 MB sequentially from disk    20,000,000   ns   20,000 us   20 ms  80x memory, 20X SSD
Send packet CA->Netherlands->CA    150,000,000   ns  150,000 us  150 ms

La inmensa cantidad de dispositivos son más complejos cada vez debido a las mejoras en su hardware, mayor importancia en la seguridad, resiliencia y confiabilidad, tener mayores velocidades de desempeño (con computación paralela y códigos más eficientes), mejoras en la gestión de uso energético y el soporte a dispositivos anteriores (legacy).

El siguiente gráfico muestra los millones de líneas de código necesario para implementar software como sistemas operativos. Se puede destacar que las versiones nuevas son más grandes cada vez, debido a la mayor complejidad del ecosistema cuando fueron desarrollados. También se puede notar que los automóviles se han vuelto más complejos requiriendo más de 100 millones de líneas de código.

lines of code
Figure 1. Líneas de Código, fuente: https://informationisbeautiful.net/visualizations/million-lines-of-code/

¿Qué es un sistema operativo?

Para poder describir lo que hace un sistema operativo debemos deglosar sus componentes.

  • Sistema: Un conjunto de componentes interconectados con un comportamiento esperado observado en la interfaz con su entorno.

  • Operativo: Administra múltiples tareas y usuarios.

Entonces se puede definir un sistema operativo como una capa de software que proporciona una interfaz entre múltiples y diversos componentes de hardware y las distintas aplicaciones que se ejecutan en una máquina. El sistema operativo proporciona una máquina virtual para las aplicaciones, ésta interfaz es más conveniente (mayor seguridad, confiabilidad, disponibilidad, portabilidad) que si las aplicaciones interactuaran directamente con el hardware. El sistema operativo proporciona una capa que hace toda la complejidad del hardware más manejable.

Diagram