Estructura de los Sistemas Operativos Sistemas Operativos Ingenieria de Sistemas Universidad de Córdoba 2020

1. Estructura de los Sistemas
Operativos
Moisés Payares
Miguel Narvaez
Noiber Barroso
Luis Cordero

2. ¿Qué determina la Estructura de un Sistema
Operativo?
Una estructura de un sistema operativo determina cómo ha sido diseñado y cómo funciona.
Los sistemas operativos proporcionan entornos en los que se ejecutan los programas y servicios para los
usuarios del sistema, que incluyen:

4. Interfaces de Usuario:
Medio por el cual los usuarios pueden enviar
comandos al sistema. Dependiendo del sistema,
pueden ser una interfaz de línea de comandos (por
ejemplo, sh, csh, ksh, tcsh, etc.), una interfaz GUI
(por ejemplo, Windows, X-Windows, KDE, Gnome,
etc.) o sistemas de comandos por lotes.

5. Ejecución del Programa:
El sistema operativo debe poder cargar un programa en la RAM, ejecutar el programa y finalizarlo, ya sea
de forma normal o anormal.

6. Operaciones de E/S:
El sistema operativo es responsable de transferir datos hacia y desde dispositivos de E/S, incluidos
teclados, terminales, impresoras y dispositivos de almacenamiento.

7. Manipulación del Sistema de Archivos:
Además del almacenamiento de datos sin
procesar, el sistema operativo también es
responsable de mantener las estructuras
de directorios y subdirectorios, asignar
nombres de archivos a bloques
específicos de almacenamiento de datos y
proporcionar herramientas para navegar
y utilizar el sistema de archivos.

8. Comunicación:
Las comunicaciones entre procesos, IPC,
ya sea entre procesos que se ejecutan en
el mismo procesador o entre procesos
que se ejecutan en procesadores
separados o máquinas separadas. Puede
implementarse como memoria
compartida o paso de mensajes (o algunos
sistemas pueden ofrecer ambos).

9. Detección de Errores:
Tanto los errores de hardware como de
software deben detectarse y manejarse
adecuadamente, con un mínimo de
repercusiones perjudiciales. Algunos
sistemas pueden incluir sistemas
complejos de recuperación o prevención
de errores, incluidas copias de seguridad,
unidades RAID y otros sistemas
redundantes. Las herramientas de
depuración y diagnóstico ayudan a los
usuarios y administradores a rastrear la
causa de los problemas.

10. Otros sistemas que ayudan en el
funcionamiento eficiente del propio sistema
operativo son:

11. Asignación de Recursos:
Por ejemplo. Ciclos de CPU, memoria
principal, espacio de almacenamiento y
dispositivos periféricos. Algunos recursos
se administran con sistemas genéricos y
otros con sistemas muy cuidadosamente
diseñados y especialmente ajustados,
personalizados para un recurso y entorno
operativo en particular.

12. Contabilidad:
Seguimiento de la actividad del sistema y
el uso de recursos, ya sea con fines de
facturación o para el mantenimiento de
registros estadísticos que se pueden
utilizar para optimizar el rendimiento
futuro.

13. Protección y Seguridad:
Prevención de daños al sistema y a los
recursos, ya sea a través de procesos
internos rebeldes o externos maliciosos.
La autenticación, la propiedad y el acceso
restringido son partes obvias de este
sistema. Los sistemas altamente seguros
pueden registrar toda la actividad del
proceso con un detalle insoportable, y la
regulación de seguridad dicta el
almacenamiento de esos registros en un
medio permanente no borrable durante
períodos prolongados en instalaciones
seguras (fuera del sitio).

14. Existen numerosas formas de diseñar una nueva
estructura de un sistema operativo. Éstas (hasta el
momento), son las seis combinaciones más
conocidas: sistemas monolíticos, sistemas en
capas, microkernels, modelos cliente-servidor,
máquinas virtuales y exokernels.

15. I. Sistema Monolítico
En esta estructura organizativa, todo el sistema operativo se ejecuta como un solo programa en el modo
kernel.
Recordemos que un sistema operativo es una colección de varios procedimientos vinculados entre sí en
un archivo binario. En este sistema, cualquier procedimiento puede llamar a cualquier otro
procedimiento. Dado que se ejecuta en modo kernel, tiene todos los permisos para llamar a lo que quiera.

16. Estructura

17. Ventajas:
● La ejecución del kernel monolítico es bastante rápida ya que los servicios como la gestión de
memoria, la gestión de archivos, la programación de procesos, etc., se implementan en el mismo
espacio de direcciones.
● Un proceso se ejecuta completamente en un solo espacio de direcciones en el kernel monolítico.
● El núcleo monolítico es un único archivo binario estático.

18. Desventajas:
● Si algún servicio falla en el kernel monolítico, conduce a la falla de todo el sistema.
● Para agregar cualquier servicio nuevo, el usuario debe modificar todo el sistema operativo.

19. II. Sistema Operativo en Capas:
El sistema operativo está dividido en varias capas en el sistema operativo por capas y cada una de las
capas tiene diferentes funcionalidades. Este tipo de sistema operativo se creó como una mejora con
respecto a los primeros sistemas monolíticos.

20. Estructura:

21. Hardware:
Esta capa interactúa con el hardware del sistema y se coordina con todos los dispositivos periféricos
utilizados, como impresora, mouse, teclado, escáner, etc. La capa de hardware es la capa más baja en la
arquitectura del sistema operativo por capas.

22. Programación de la CPU:
Esta capa se ocupa de programar los procesos para la CPU. Hay muchas colas de programación que se
utilizan para manejar procesos. Cuando los procesos ingresan al sistema, se colocan en la cola de trabajos.
Los procesos que están listos para ejecutarse en la memoria principal se mantienen en la cola de listos.

23. Gestión de la Memoria
La gestión de la memoria se ocupa de la memoria y del movimiento de procesos del disco a la memoria
primaria para su ejecución y viceversa. Esto lo maneja la tercera capa del sistema operativo.

24. Gestión de Proceso:
Esta capa es responsable de administrar los procesos, es decir, asignar el procesador a un proceso a la vez.
Esto se conoce como programación de procesos. Los diferentes algoritmos utilizados para la
programación de procesos son FCFS (primero en llegar, primero en ser atendido), SJF (trabajo más corto
primero), programación de prioridades, programación por turnos, etc.

25. Búfer de E/S:
Los dispositivos de E/S son muy importantes en los sistemas informáticos. Proporcionan a los usuarios los
medios para interactuar con el sistema. Esta capa maneja los búferes de los dispositivos de E/S y se
asegura de que funcionen correctamente.

26. Programas de Usuario:
Esta es la capa más alta del sistema operativo en capas. Esta capa se ocupa de los muchos programas y
aplicaciones de usuario que se ejecutan en un sistema operativo, como procesadores de texto, juegos,
navegadores, etc.

27. III. Microkernels
Un microkernel es el software mínimo que se requiere para implementar correctamente un sistema
operativo. Esto incluye memoria, mecanismos de programación de procesos y comunicación básica entre
procesos.

28. Estructura:

29. Componentes esenciales de un Microkernel:
Un micronúcleo contiene solo las funciones básicas del sistema. Un componente se incluye en el
micronúcleo solo si colocarlo fuera interrumpiría la funcionalidad del sistema. Todos los demás
componentes no esenciales se ponen en modo de usuario.

30. Funcionalidades mínimas en un Microkernel:
Las funcionalidades mínimas incluidas en el microkernel son:
● Los mecanismos de gestión de la memoria, como los espacios de direcciones, están incluidos en el
microkernel. También contiene funciones de protección de la memoria.
● Los mecanismos de programación del procesador también son necesarios en el microkernel.
Contiene programadores de procesos y subprocesos.
● La comunicación entre procesos es importante ya que es necesaria para administrar los servidores
que ejecutan sus propios espacios de direcciones.

31. IV. Modelo Cliente - Servidor:
El modelo cliente - servidor es una estructura de aplicación distribuida que divide la tarea o la carga de
trabajo entre los proveedores de un recurso o servicio, llamados servidores, y los solicitantes de servicios
llamados clientes. En la arquitectura cliente-servidor, cuando la computadora cliente envía una solicitud
de datos al servidor a través de Internet, el servidor acepta el proceso solicitado y devuelve los paquetes
de datos solicitados al cliente. Los clientes no comparten ninguno de sus recursos. Ejemplos de modelo
cliente-servidor son correo electrónico, World Wide Web, etc.

32. Estructura:

33. Ventajas:
● Sistema centralizado con todos los datos en un solo lugar.
● La rentabilidad requiere menos costes de mantenimiento y la recuperación de datos es posible.
● La capacidad del cliente y los servidores se puede cambiar por separado.

34. Desventajas:
● Los clientes son propensos a virus, troyanos y gusanos si están presentes en el servidor o se cargan
en el servidor.
● Los servidores son propensos a ataques de denegación de servicio (DOS).
● Los paquetes de datos pueden falsificarse o modificarse durante la transmisión.
● El phishing o la captura de credenciales de inicio de sesión u otra información útil del usuario son
comunes y los ataques MITM (Man in the Middle) son comunes.

35. V. Máquinas Virtuales:
Las máquinas virtuales abstrae el hardware de nuestra computadora personal, como CPU, unidades de
disco, memoria, NIC (Tarjeta de interfaz de red), etc., en muchos entornos de ejecución diferentes según
nuestros requisitos, lo que nos da la sensación de que cada entorno de ejecución es una sola
computadora. Por ejemplo, VirtualBox.

36. Estructura:

37. Ventajas:
● No hay problemas de protección porque cada máquina virtual está completamente aislada de
todas las demás máquinas virtuales.
● La máquina virtual puede proporcionar una arquitectura de conjunto de instrucciones que difiere
de las computadoras reales.
● Fácil mantenimiento, disponibilidad y cómoda recuperación.

38. Desventajas:
● Cuando varias máquinas virtuales se ejecutan simultáneamente en una computadora host, una
máquina virtual puede verse afectada por otras máquinas virtuales en ejecución, según la carga de
trabajo.
● Las máquinas virtuales no son tan eficientes como las reales al acceder al hardware.

39. VI. Exokernels:
La arquitectura del exokernel está construida de tal manera que un pequeño núcleo mueve todas las
abstracciones de hardware a bibliotecas que no son de confianza conocidas como sistemas operativos de
biblioteca. El objetivo principal de un exokernel es garantizar que no haya una abstracción forzada, que es
lo que hace que un exokernel sea diferente de los núcleos micro y monolíticos.

40. Estructura:

41. Ventajas:
● Rendimiento mejorado de aplicaciones.
● Uso más eficiente de los recursos de hardware mediante la asignación y revocación precisas de
recursos.
● Desarrollo y prueba más fáciles de nuevos sistemas operativos.
● Cada aplicación de espacio de usuario puede aplicar su propia gestión de memoria optimizada.

42. Desventajas:
● Consistencia reducida.
● Diseño complejo de interfaces exokernel.