Un sistema operativo (SO) es un programa o conjunto de programas que gestiona los recursos de hardware y provee servicios a los programas de aplicación. La función principal de un sistema operativo es hacer un uso eficiente de los recursos de hardware y abstraer la complejidad del hardware, proveyendo una interfaz más sencilla para el usuario.
Los primeros sistemas operativos surgieron en la década de 1950 y 1960 con el advenimiento de las primeras computadoras. Al principio, los programas se ejecutaban de forma secuencial sin un sistema operativo. Pero con el tiempo las computadoras se volvieron más complejas y fue necesario desarrollar sistemas operativos para gestionar la memoria, los procesos, los periféricos y los archivos de forma más eficiente.
El núcleo o kernel es el componente central de un sistema operativo. Es el encargado de gestionar el hardware, la memoria, los procesos, los archivos y la comunicación entre procesos. El resto del sistema operativo, como las interfaces gráficas, se ejecutan en el espacio de usuario y se comunican con el kernel para acceder al hardware y los recursos del sistema. Así, el kernel abstrae los detalles de la arquitectura subyacente y provee una interfaz estandarizada al software de aplicación.
Componentes principales
Un sistema operativo consta de varios componentes que trabajan conjuntamente para proporcionar una plataforma computacional.
Kernel
El kernel o núcleo es el corazón del sistema operativo. Gestiona las solicitudes de los procesos para acceder al hardware, asigna memoria y tiempo de CPU. También implementa primitivas de sincronización y comunicación entre procesos.
Shell
La shell o intérprete de comandos es la interfaz de usuario que permite a los usuarios interactuar con el sistema operativo. Procesa comandos escritos e invoca programas solicitados por el usuario. Ejemplos populares de shell son Bash, Zsh y PowerShell.
Drivers
Los drivers o controladores de dispositivo son programas que permiten al sistema operativo interactuar con el hardware. Cada dispositivo como una tarjeta gráfica o unidad de disco requiere un driver específico.
Utilidades del sistema
Las utilidades del sistema son programas que realizan tareas de administración y mantenimiento. Algunos ejemplos son el administrador de archivos, herramientas de monitorización y configuración de red.
Tipos de sistemas operativos
Los sistemas operativos se pueden clasificar en varias categorías dependiendo de su arquitectura, propósito, capacidades, etc.
Windows
Windows es el sistema operativo más popular en computadoras personales. Fue desarrollado por Microsoft y se ejecuta en la mayoría de las PC. Las versiones más recientes incluyen Windows 10, Windows 8 y Windows 7.
Es un sistema operativo propietario con una interfaz gráfica de usuario que hace mucho énfasis en la facilidad de uso.
Mac OS
Mac OS es el sistema operativo desarrollado por Apple Inc. para sus computadoras Macintosh. La versión más reciente es macOS Catalina. Al igual que Windows, tiene una interfaz gráfica amigable para el usuario. Mac OS está basado en Unix y es exclusivo para el hardware de Apple.
Linux
Linux es un sistema operativo de código abierto basado en Unix. Hay muchas distribuciones de Linux como Ubuntu, Debian, Fedora, etc. Linux tiene un núcleo monolítico y es altamente personalizable. Se utiliza comúnmente en servidores, computadoras embebidas y dispositivos móviles.
Android
Android es un sistema operativo móvil de código abierto basado en el núcleo de Linux. Fue desarrollado por Google para dispositivos móviles como teléfonos inteligentes y tabletas. Utiliza una interfaz táctil simple e intuitiva. Android es el SO móvil más popular del mundo.
iOS
iOS es el sistema operativo móvil de Apple. Está basado en macOS y se ejecuta exclusivamente en hardware de Apple como iPhone y iPad. Al igual que macOS, pone énfasis en la interfaz gráfica de usuario simple e intuitiva. iOS es el segundo SO móvil más popular después de Android.
Gestión de procesos
Un proceso es un programa en ejecución. El sistema operativo gestiona múltiples procesos que se ejecutan simultáneamente en el sistema.
Los procesos tienen diferentes estados durante su ciclo de vida. Los estados típicos son:
– Nuevo: El proceso se está creando.
– Listo: El proceso está preparado para ejecutarse cuando el procesador esté disponible.
– Ejecutando: Las instrucciones del proceso se están ejecutando en el procesador.
– Bloqueado: El proceso está esperando que ocurra un evento externo, como finalizar una E/S.
– Terminado: El proceso finalizó su ejecución.
El sistema operativo utiliza algoritmos de planificación y programación para decidir qué proceso se ejecutará en el procesador y cuándo. Los algoritmos más comunes son:
Primero en llegar, primero en salir (FCFS): Ejecuta los procesos en orden de llegada.
Round Robin: Asigna un quantum de tiempo a cada proceso.
Prioridades: Asigna prioridades a los procesos, ejecutando primero los de mayor prioridad.
Multinivel: Usa una mezcla de colas con diferentes prioridades.
El objetivo de la planificación de procesos es maximizar la utilización del procesador, equilibrar la carga y cumplir los requisitos de los procesos en términos de rendimiento.
Gestión de memoria
La gestión de memoria es una de las funciones principales del sistema operativo. Se refiere a la administración eficiente de la memoria principal (RAM) y secundaria (disco duro) para satisfacer las necesidades de los procesos en ejecución.
La memoria principal es un recurso limitado y generalmente más rápido que la memoria secundaria. El sistema operativo emplea técnicas como la segmentación y la paginación para administrar y asignar la memoria principal a los procesos.
La segmentación divide la memoria en segmentos de tamaño variable. Cada segmento se asigna a un proceso según sus necesidades. La paginación divide la memoria en bloques de tamaño fijo llamados páginas. Las páginas se asignan a los procesos según se requieran.
Cuando no hay suficiente memoria principal, el sistema operativo puede mover páginas de memoria poco usadas a la memoria secundaria creando así memoria virtual. Esto da la ilusión a los procesos de tener más memoria principal de la que físicamente existe. La memoria virtual permite ejecutar procesos más grandes que la memoria física disponible.
La gestión eficiente de memoria por parte del sistema operativo es esencial para el rendimiento y estabilidad del sistema. Técnicas como la segmentación, paginación y memoria virtual permiten un mejor aprovechamiento de los recursos disponibles.
Gestión de E/S
La gestión de entrada/salida (E/S) es una de las funciones principales del sistema operativo, ya que permite la comunicación entre los componentes de hardware y el software.
Periféricos de entrada y salida
Los periféricos de E/S se clasificar en:
Periféricos de entrada: permiten introducir datos en el sistema, como el teclado, el ratón, el micrófono, la cámara web, escáneres, etc.
Periféricos de salida: permiten sacar datos del sistema, como la pantalla, impresoras, altavoces, etc.
Cada periférico requiere un controlador de dispositivo específico para poder interactuar con el sistema operativo.
Controladores de dispositivo
Los controladores de dispositivo son programas que permiten al sistema operativo comunicarse con los periféricos. Proporcionan una interfaz estandarizada para acceder a las funciones de cada dispositivo hardware.
Existen controladores para todos los tipos de periféricos, desde impresoras, tarjetas de red, discos duros, hasta cámaras web, escáneres, etc. Los fabricantes de hardware desarrollan los controladores específicos para sus dispositivos.
Funciones del sistema operativo en E/S
Las principales funciones del sistema operativo en la gestión de E/S son:
– Identificar los periféricos disponibles y cargar los controladores apropiados durante el arranque.
– Proporcionar APIs para acceder a los periféricos de forma estandarizada independientemente del hardware específico.
– Gestionar las peticiones de E/S de los programas de aplicación.
– Organizar el tráfico de datos desde y hacia los periféricos.
– Gestionar los buffers y las colas de peticiones de E/S.
– Manejar las interrupciones y excepciones generadas por los periféricos.
– Proporcionar acceso concurrente a los periféricos desde múltiples programas.
– Abstraer los detalles de bajo nivel de cada dispositivo para simplificar el desarrollo de software.
En resumen, la gestión eficiente de E/S es crítica para el rendimiento general del sistema y permite la interacción fluida entre el hardware y las aplicaciones.
Sistemas de archivos
Un sistema de archivos es la forma en que se almacenan, organizan y administran los archivos en un dispositivo de almacenamiento. Define la estructura lógica para acceder a los datos y determina cómo se asigna el espacio disponible.
Directorios y estructura en árbol
Los sistemas de archivos suelen usar una estructura jerárquica en forma de árbol para organizar los archivos en directorios y subdirectorios. El directorio raíz se encuentra en la parte superior y contiene subdirectorios y archivos. Cada subdirectorio puede contener más subdirectorios y archivos. Esta estructura permite una fácil organización y búsqueda de archivos.
Tipos de sistemas de archivos
Existen diferentes tipos de sistemas de archivos que varían en su forma de asignar y administrar el espacio, así como en sus capacidades y rendimiento:
– FAT (File Allocation Table): uno de los sistemas de archivos más simples y antiguos, ampliamente compatible entre sistemas operativos.
– NTFS (New Technology File System): desarrollado por Microsoft, ofrece mayor seguridad y capacidades avanzadas como control de acceso y cuotas de disco.
– ext4: el sistema de archivos predeterminado en Linux, es de código abierto y ofrece alta velocidad y fiabilidad.
– APFS (Apple File System): desarrollado por Apple para sus dispositivos, optimizado para unidades de estado sólido.
– Btrfs (B-tree file system): enfocado en tolerancia a fallos, reparación de datos y administración rápida de archivos grandes.
– ZFS (Z File System): ofrece protección de datos avanzada, replicación y gran escalabilidad. Ampliamente usado en servidores y almacenamiento empresarial.
La elección del sistema de archivos depende del sistema operativo, el hardware y los requerimientos específicos de cada caso de uso.
Seguridad
La seguridad es un componente crítico de los sistemas operativos modernos. Existen varias áreas clave que los sistemas operativos deben abordar para garantizar la seguridad:
Control de acceso
El control de acceso restringe el acceso a archivos, recursos y aplicaciones solo a usuarios autorizados. Los sistemas operativos implementan control de acceso mediante la autenticación de usuarios y la autorización basada en permisos. Solo los usuarios que proporcionen las credenciales correctas pueden acceder a áreas restringidas del sistema.
Cifrado
El cifrado codifica los datos para que no puedan leerse sin la clave de descifrado correcta. Los sistemas operativos modernos ofrecen cifrado de disco completo para proteger todos los datos en caso de robo del dispositivo. El cifrado de archivos individuales también está disponible. El cifrado garantiza la confidencialidad de los datos.
Firewalls
Los firewalls controlan el tráfico de red entrante y saliente para bloquear accesos no autorizados e intrusiones maliciosas. Los sistemas operativos incorporan firewalls para monitorear conexiones y filtrar paquetes sospechosos o no deseados. Esto protege al sistema de exploits remotos.
Software malicioso
El software malicioso como virus, troyanos y ransomware representa una seria amenaza para los sistemas operativos. Los sistemas modernos incorporan escáneres antivirus y antimalware para detectar y eliminar códigos dañinos. También utilizan listas negras, análisis de comportamiento y aislamiento de procesos para combatir infecciones. Esto protege la integridad y estabilidad del sistema.
En resumen, la seguridad es una preocupación central en el diseño de sistemas operativos modernos. Las medidas de seguridad integradas en el sistema operativo son esenciales para proteger los datos y recursos de amenazas internas y externas. Los usuarios también deben tomar precauciones adicionales para mejorar la seguridad.
Sistemas operativos en la nube
Los sistemas operativos en la nube, también conocidos como computación en la nube, son una tendencia reciente en informática que está ganando popularidad rápidamente. En lugar de ejecutarse en el hardware de un equipo local, estos sistemas operativos se ejecutan en servidores remotos a los que se accede a través de internet.
Las principales ventajas de los sistemas operativos basados en la nube son:
Accesibilidad: Se puede acceder a los programas y archivos desde cualquier dispositivo con conexión a internet.
Escalabilidad: Es fácil agregar más recursos de almacenamiento, procesamiento y memoria según sea necesario.
Colaboración: Facilita el trabajo en equipo y el intercambio de archivos.
Respaldo de datos: Los datos están almacenados de forma remota con copias de respaldo, lo que reduce el riesgo de pérdida.
Algunos ejemplos populares de sistemas operativos basados en la nube son Chrome OS de Google, Android y Windows 365 de Microsoft, y el sistema operativo COSMOS de Vector. Estos sistemas permiten ejecutar aplicaciones web y de escritorio de forma remota en la nube para aprovechar las ventajas mencionadas.
La computación en la nube y los sistemas operativos basados en ella seguirán evolucionando y ganando adeptos en los próximos años gracias a los beneficios que ofrecen. Permiten un acceso ubicuo a programas y archivos, escalabilidad flexible y mayor facilidad para la colaboración, lo que los convierte en una opción atractiva tanto para usuarios como para empresas.
Tendencias y futuro
Los sistemas operativos han evolucionado mucho en las últimas décadas, impulsados por los avances tecnológicos en hardware y las demandas cambiantes de los usuarios. Entre los sistemas operativos más populares actualmente se encuentran Windows, macOS, Android e iOS.
Windows sigue siendo el sistema operativo de escritorio más utilizado, aunque ha perdido cuota de mercado frente a macOS. En dispositivos móviles, Android es el líder en cuota de mercado, seguido por iOS. El aumento en la popularidad de los dispositivos móviles ha llevado al desarrollo de sistemas operativos móviles optimizados como Android e iOS.
Algunas de las innovaciones recientes en sistemas operativos incluyen mejoras en seguridad, soporte para nuevos tipos de hardware, integración de inteligencia artificial y mayor énfasis en la experiencia del usuario. Por ejemplo, Windows 11 introdujo un nuevo diseño centrado en el usuario, mientras que macOS incorporó funciones como Continuity para facilitar el flujo de trabajo entre dispositivos Apple.
En cuanto al futuro, es probable que veamos una convergencia continua entre sistemas operativos de escritorio y móviles. Los asistentes virtuales integrados, como Siri de Apple y Bixby de Samsung, también podrían desempeñar un papel más importante en la interacción con los sistemas operativos. La computación en la nube significa que muchas de las funciones del sistema operativo podrían proporcionarse de forma remota. Los sistemas operativos también se adaptarán para admitir tecnologías emergentes como realidad aumentada, Internet de las cosas y vehículos autónomos. En definitiva, los sistemas operativos continuarán evolucionando para satisfacer las cambiantes necesidades computacionales y expectativas de los usuarios.
