Tema 38. Fundamentos de sistemas operativos

El sistema operativo es software que hace dos cosas: gestiona los recursos del equipo (los físicos y los lógicos) y da servicios a los programas y a quien usa la máquina. Se sitúa en medio, entre el hardware, las aplicaciones y las personas.

Persigue que el equipo sea fácil de usar, que sus recursos se exploten bien, que todo funcione de forma estable y que datos y procesos estén protegidos. Entra en juego ya en el arranque y no se detiene hasta que se apaga la máquina.

Funciones esenciales: gestión del procesador (qué proceso o hilo usa la CPU, cuánto tiempo y con qué prioridad: planificación), gestión de memoria (asigna, libera, protege y amplía lógicamente la RAM con memoria virtual), gestión de entrada/salida (periféricos mediante drivers) y gestión de archivos (nombres, rutas, permisos y espacio).

También: detección de errores, contabilidad de recursos, comunicación, seguridad e interfaz de usuario. Ojo: el SO no es únicamente la interfaz gráfica.

Kernel o núcleo: el corazón del sistema. Trabaja con los máximos privilegios y se ocupa de procesador, memoria, interrupciones, periféricos y del diálogo entre procesos.

Shell: intérprete o entorno mediante el que el usuario solicita operaciones (línea de comandos como Bash o PowerShell, o integrado en interfaz gráfica). No es el kernel.

API: el «contrato» de funciones que un programa puede invocar de otro componente. Las aplicaciones piden cosas al sistema a través de API, que acaban convertidas en llamadas al sistema. Driver: el software que maneja un periférico concreto.

Programa: instrucciones almacenadas, inertes. Proceso: ese programa en ejecución, con su memoria, su estado, sus recursos y su identificador. Hilo: cada secuencia de ejecución que corre dentro de un proceso; los hilos que pertenecen al mismo proceso comparten el código y los recursos, aunque cada uno conserva su propio contexto.

Ciclo de vida de un proceso: nuevo → preparado → en ejecución → bloqueado (en espera) → terminado. Pasar la CPU de un proceso a otro es el cambio de contexto. Con un solo núcleo la multitarea es una ilusión de simultaneidad; con varios núcleos cabe paralelismo real.

RAM: la memoria de trabajo. Es rápida, se lee y se escribe y es volátil: si se corta la corriente, se vacía. En ella residen el sistema y los programas abiertos.

ROM: no se borra al apagar; aloja el firmware y datos que normalmente no se tocan. Caché: memoria rapidísima que tiene a mano lo que más se usa para ganar tiempo. Ojo: caché y búfer son cosas distintas, aunque ambos guarden datos de forma temporal.

Memoria virtual: usa almacenamiento secundario como apoyo a la RAM y da a cada proceso un espacio lógico. Es más lenta y no equivale a aumentar realmente la RAM.

Paginación: lo lógico se trocea en páginas y lo físico en marcos; una tabla convierte las direcciones virtuales en reales, de modo que un proceso puede quedar repartido en huecos no contiguos. Si se pide una página que no está en RAM, salta un fallo de página; si el ir y venir al disco es constante, el sistema se hunde: thrashing.

Por número de tareas: monotarea o multitarea. Por usuarios: monousuario o multiusuario (el multiusuario aísla sesiones y recursos con permisos).

Según cómo procesan: por lotes, de tiempo compartido y de tiempo real. Un sistema de tiempo real no es «el más rápido», sino el que garantiza responder dentro de un plazo previsible.

Se habla también de sistemas de red, distribuidos, multiprocesador, empotrados y móviles. Las etiquetas no se excluyen: un mismo sistema puede reunir varias a la vez.

MS-DOS = Microsoft Disk Operating System. Se difundió desde 1981 en PC compatibles con IBM PC; interfaz de línea de comandos; asociado a un solo usuario y ejecución limitada de tareas.

Comandos clásicos: DIR, CD, COPY, DEL, REN y CLS. Su herencia en Windows: letras de unidad (C:) y barra inversa en las rutas.

UNIX nació en los laboratorios Bell a finales de los años 60: multiusuario y multitarea, archivos jerárquicos, utilidades pequeñas combinables y portabilidad.

Linux, en sentido estricto, es solo un núcleo libre, creado por Linus Torvalds en 1991. Lo que instalamos es una distribución (Debian, Ubuntu, Fedora, openSUSE…), que suma al núcleo bibliotecas, herramientas, gestor de paquetes, escritorio y programas. Se parece a UNIX (tipo Unix), pero no es UNIX: nace por otra vía y con otra licencia. Árbol con raíz / y nombres sensibles a mayúsculas.

Windows: familia de Microsoft con interfaz gráfica, multitarea, soporte multiusuario y amplia compatibilidad. Las versiones de escritorio actuales pertenecen a la familia Windows NT. Usa letras de volumen y NTFS por defecto.

Herramientas: escritorio, ventanas, barra de tareas, menú Inicio, Explorador de archivos; Administrador de tareas (procesos, rendimiento, usuarios, aplicaciones de inicio); Panel de control y Configuración.

macOS: el sistema de los ordenadores Apple. Se asienta sobre Darwin (de tipo Unix) con núcleo XNU. Piezas que caen: Finder (explorar archivos y apps), Dock (barra para lanzar y cambiar de programa), Spotlight (buscador) y Terminal (consola).

Sistema de archivos de los Mac actuales: APFS; su antecesor principal fue HFS+.

Android: sistema móvil construido sobre el núcleo Linux, al que se apilan capas (abstracción del hardware, bibliotecas, entorno de ejecución, servicios y apps). Su base de código abierto es el AOSP.

Android aísla las aplicaciones (identidad propia y entorno restringido) y controla el acceso con permisos. Combina componentes abiertos del AOSP con servicios y apps que pueden ser propietarios.

iOS: sistema móvil de Apple para iPhone, basado en tecnologías de Darwin; distribución y hardware controlados por Apple.

Ambos son multitarea, táctiles y orientados a aplicaciones; Android se despliega en dispositivos de diversos fabricantes, iOS solo en dispositivos Apple.

Archivo: conjunto lógico de datos con nombre y atributos. Directorio o carpeta: contenedor que ordena archivos y subcarpetas en forma de árbol.

Ruta absoluta: la dirección completa desde la raíz. Ruta relativa: se lee a partir de la carpeta en la que se está trabajando. Windows usa barra inversa y letras de unidad; los Unix, / y un solo árbol.

La extensión (.pdf, .txt) es parte del nombre y orienta sobre el formato, pero cualquiera puede cambiarla: no prueba qué hay dentro. Metadatos típicos: tamaño, fechas, propietario y permisos.

Enlace duro: otra referencia al mismo objeto de archivo. Enlace simbólico: guarda una ruta y puede quedar roto si el destino cambia. Eliminar un nombre no siempre borra de inmediato los datos físicos.

Primario: accesible directamente por la CPU (registros, caché y memoria principal), rápido y limitado. Secundario: no volátil y de gran capacidad (HDD, SSD, flash, ópticos y cintas).

Dispositivo = soporte físico; volumen = unidad lógica preparada para contener un sistema de archivos.

Unidades: bit (0 o 1) y byte = 8 bits. Redes en bits por segundo; archivos en bytes. kB, MB, GB, TB = potencias de 1000; KiB, MiB, GiB, TiB = potencias de 1024. b minúscula = bit; B mayúscula = byte.

HDD: magnético, platos giratorios y cabezal; gran capacidad y bajo coste, pero más consumo, ruido, sensibilidad a golpes y menor velocidad aleatoria. SSD: memoria flash sin partes móviles, menor latencia; interfaz SATA o NVMe sobre PCI Express; M.2 es un formato físico. El controlador aplica nivelación de desgaste.

USB y SD: flash, regrabables, no volátiles; hay que expulsarlas correctamente. Ópticos: ROM (solo lectura), R (grabable una vez), RW/RE (regrabable); CD 700 MB, DVD 4,7 GB, Blu-ray 25 GB (una capa). Cinta: acceso secuencial, gran capacidad y bajo coste para archivo y copias.

Partición: trozo lógico de un disco físico. Esquemas de particiones: MBR (clásico) y GPT (más particiones y discos mayores, ligado a UEFI).

Formateo lógico: prepara un volumen escribiendo las estructuras de su sistema de archivos. No es lo mismo que particionar y no equivale a un borrado seguro.

Montar: dejar un sistema de archivos disponible en algún lugar (en Windows aparece como una letra; en Unix cuelga de una carpeta del árbol).

El sistema de archivos es el conjunto de reglas con que un volumen guarda, nombra, ordena y localiza archivos y carpetas, llevando la cuenta del espacio y de los metadatos. Según el formato, añade permisos, diario, compresión, cifrado, cuotas, enlaces o control de integridad. Clúster: la porción mínima de espacio que se asigna a un archivo (si es grande y hay muchos archivos pequeños, se desperdicia espacio).

FAT32: gran compatibilidad, pero archivo máximo de 4 GiB menos 1 byte. exFAT: diseñado para flash y soportes grandes; admite archivos mayores, buena interoperabilidad, pero sin las funciones avanzadas de seguridad y diario de NTFS.

NTFS (Windows moderno): diario de metadatos, ACL, compresión, cifrado EFS, cuotas, enlaces y volúmenes grandes; su MFT (tabla maestra de archivos) guarda los registros. ReFS: integridad y grandes datos en escenarios concretos; no sustituye universalmente a NTFS.

APFS (Apple actual): optimizado para flash/SSD, cifrado, clonación, instantáneas y espacio compartido. HFS+ = Mac OS Extended, el anterior. ext4: Linux, con diario y extensiones.

Ópticos: ISO 9660 (CD-ROM; extensiones Joliet y Rock Ridge), UDF (habitual en DVD y Blu-ray), CDFS. Soporte físico y sistema de archivos no son lo mismo.

Arranque: firmware (BIOS tradicional; UEFI sucesor moderno con arranque seguro) → gestor de arranque (carga el kernel o permite elegir sistema) → kernel (inicializa memoria y dispositivos y monta el raíz) → servicios de usuario.

Modo kernel frente a modo usuario (acceso restringido de las aplicaciones). La llamada al sistema es el mecanismo controlado para pedir al kernel una operación.

Planificador: algoritmos FCFS, round robin (turno rotatorio) y por prioridades. Concurrencia = progreso solapado; paralelismo = ejecución simultánea real. Deadlock: procesos esperando indefinidamente recursos retenidos entre sí.

Autenticación comprueba identidad; autorización decide qué puede hacer. Mínimo privilegio. Windows: ACL; Unix: propietario, grupo y otros con lectura, escritura y ejecución. Trabajar con cuentas sin privilegios y elevar solo cuando haga falta.

Fragmentación: en HDD aumenta movimientos del cabezal; se desfragmenta. En SSD no se recomienda; se usa TRIM.

RAID 0: distribuye, sin redundancia. RAID 1: espejo. RAID 5: datos y paridad, tolera 1 fallo; RAID 6: tolera 2; RAID 10: espejo + distribución. RAID no es copia de seguridad.

Copias: completa; incremental (cambios desde la última copia de cualquier tipo); diferencial (cambios desde la última completa). Regla 3-2-1: 3 copias, 2 tipos de soporte, 1 fuera. Una instantánea en el mismo sistema no es copia externa.

Hipervisor tipo 1: sobre el hardware; tipo 2: sobre un sistema anfitrión. Los contenedores comparten el kernel del anfitrión; una máquina virtual puede ejecutar un kernel distinto.

Software libre ≠ gratuito: puede venderse. Linux usa licencias libres; Windows, macOS e iOS son principalmente propietarios.