Modelos de Diseño de Sistemas Operativos

Modos de operación del procesador

Para entender los modelos de diseño de los sistemas operativos, tenemos que hacer referencia a los modos de ejecución del procesador. El modo de ejecución del procesador indica que conjunto de instrucciones y a qué recursos del procesador se puede acceder en un cierto instante de tiempo.

En la actualidad, un procesador ofrece como mínimo dos modos de operación que son:

• Modo supervisor, que permite la ejecución de todo el conjunto de instrucciones que ofrece el procesador.
• Modo usuario, que tiene algunas restricciones de acceso a aspectos del procesador o de ejecución de instrucciones.

Núcleo del sistema operativo

El núcleo del sistema operativo, también conocido por la terminología inglesa kernel, es la parte más esencial del sistema operativo. Se trata de la capa visible de software más baja del sistema y provee y gestiona de forma segura los recursos del sistema a través de las llamadas al sistema.

El núcleo de un sistema operativo suele operar en modo supervisor. Al operar en dicho modo un error de programación en el núcleo del sistema operativo puede resultar en un error fatal del cual el sistema sólo puede recuperarse mediante el reinicio del sistema. A tal error fatal también se le conoce en los sistemas operativos UNIX por la locución inglesa kernel panic.

Tipos de Sistemas Operativos

Los sistemas operativos se pueden clasificar en base a la cantidad de funcionalidad implementada en su núcleo. En general distinguimos dos tipos de sistemas operativos:

• Monolíticos: son núcleos de gran tamaño con poca modularidad y flexibilidad pero con una gran cantidad de funcionalidades, las cuales son normalmente compiladas junto al núcleo en el mismo momento.
• Micronúcleos: son núcleos de pequeño tamaño que fueron compilados sólo con las necesidades más básicas del sistema operativo. El resto de funcionalidades son añadidas mediante la adición de módulos externos al núcleo, lo que les proporciona flexibilidad y facilidad de ampliación en detrimento del desempeño necesario para la gestión dinámica de éstos.

No obstante, existen tipologías híbridas o que acentúan algunos aspectos, que también detallamos en esta sección.

Sistemas operativos Monolíticos

Los sistema operativos monolíticos se caracterizan por emplear un núcleo que implementa la planificación de procesos, el sistema de comunicación de procesos, el sistema de sincronizacion de procesos, la administración de la memoria principal, la administración de ficheros y la gestión de los dispositivos de entrada/salida. Por tanto, a mayor funcionalidad implementada en el núcleo, mayor número de líneas de código que se ejecutan en modo supervisor.

Los sistemas operativos monolíticos son los predominantes hoy día, algunos ejemplos son:

• Sistemas operativos UNIX, tales como FreeBSD, NetBSD y OpenBSD.
• Sistemas operativos GNU/Linux.
• DOS, tales como MS-DOS y DR-DOS.

Como inconveniente, al emplear un núcleo que incluye gran parte de las funcionalidades básicas del sistema operativo, dispone de un alto número de líneas de código ejecutándose en modo supervisor. Por ello, un error de programación en el núcleo puede provocar un kernel panic. Además el hecho de añadir nuevas funcionalidades provocaría una nueva recompilación del núcleo llevando a reiniciar el sistema para que se apliquen los nuevos cambios.

Como principal ventaja, los sistemas operativo monolíticos ofrecen un alto rendimiento puesto que las peticiones entre los diferentes componentes se reducen a invocaciones de funciones.

Sistemas operativos Micronúcleo

También conocidos como sistemas operativos exokernel o exonúcleo, se caracterizan por disponer de un núcleo que implementa únicamente:

• Planificación de procesos
• Mecanismo de comunicación entre procesos
• Gestión de interrupciones

Además, existen procesos servidores que están fuera del núcleo, que se ejecutan en modo usuario del procesador, y que implementan la:

• Administración de memoria principal
• Administración de ficheros
• Gestión de dispositivos de entrada/salida.

Siguiendo este esquema, cuando un proceso cualquiera solicita un servicio a través de una llamada al sistema, el micronúcleo canaliza la petición al proceso servidor correspondiente. Dicha comunicación se realiza mediante mensajería.

La principal ventaja de los sistemas operativos micronúcleo es que, al ejecutar menos líneas de código en modo supervisor, de manera intuitiva son más fiables. Otras ventajas son que se garantiza el aislamiento de las partes que estan fuera del nucleo, como los modulos son independientes unos de otros, si cae alguno de ello los demas no se ven afectados y pueden seguir funcionando.

Sin embargo, el principal problema que presentan es el rendimiento, puesto que cualquier petición requiere mensajería, que lleva consigo un coste extra debido a la construcción de los mensajes, el reparto y la interpretación. Son estos problemas relacionados con el rendimiento los que hacen que no existan sistemas operativos micronúcleo desplegables en productivo, a excepción de Minix 2, que tiene propósitos educativos.

Sistemas basados en Máquinas Virtuales

Implementan el material (hardware) en el software. Algunos sistemas operativos ofrecen técnicas de paravirtualización.

Paravirtualización: técnica de programación que ofrecen algunos SO anfitrión para facilitar la virtualización y el rendimiento de máquinas virtuales. Ofrecen llamadas directas al sistema o acceso a una API especial del anfitrión para acceder directamente a los recursos. Observamos que se deposita una gran confianza en los procesos de la VM por motivos de rendimiento.

• Ventajas de las Máquinas Virtuales

** Ahorro de coste material.
** Se pueden tener diferentes SO en un mismo sistema.
** Se adapta a las necesidades de usuario.
** Se puede deslocalizar la máquina virtual (deslocalización: migrar a otro SO sin sufrir ningún cambio ).

• Desventajas de las Maquinas Virtuales

** Rendimiento  (KVM +  paravirtualizacion 10%).
** Punto único de fallos(si falla algún componente y las aplicaciones están montadas en él provoca un fallo general).

Otro material a consultar

El estudiante puede encontrar el siguiente material de interés para complementar sus conocimientos:

• Debate entre Linus Torvalds, creador del núcleo Linux, que sigue el paradigma monolítico y Andrew S. Tanembaum, creador de Minux, que sigue el modelo micronúcleo: http://oreilly.com/catalog/opensources/book/appa.html (en inglés).