Un sistema operativo (SO) es el programa o conjunto de programas que efectúan la gestión de los procesos básicos de un sistema informático, y permite la normal ejecución del resto de las operaciones.
Nótese que es un error común muy extendido denominar al conjunto completo de herramientas sistema operativo, es decir, la inclusión en el mismo término de programas como el explorador de ficheros, el navegador y todo tipo de herramientas que permiten la interacción con el sistema operativo, también llamado núcleo o kernel.
Uno de los más prominentes ejemplos de esta diferencia, es el núcleo Linux, que es el núcleo del sistema operativo GNU, del cual existen las llamadas distribuciones GNU. Este error de precisión, se debe a la modernización de la informática llevada a cabo a finales de los 80,
Cuando la filosofía de estructura básica de funcionamiento de los grandes computadores se rediseñó a fin de llevarla a los hogares y facilitar su uso, cambiando el concepto de computador multiusuario, (muchos usuarios al mismo tiempo) por un sistema monousuario (únicamente un usuario al mismo tiempo) más sencillo de gestionar.
(Véase AmigaOS, beOS o MacOS como los pioneros de dicha modernización, cuando los Amiga, fueron bautizados con el sobrenombre de Video Toasters por su capacidad para la Edición de vídeo en entorno multitarea round robin, con gestión de miles de colores e interfaces intuitivos para diseño en 3D.
Uno de los propósitos del sistema operativo que gestiona el núcleo intermediario consiste en gestionar los recursos de localización y protección de acceso del hardware, hecho que alivia a los programadores de aplicaciones de tener que tratar con estos detalles.
La mayoría de aparatos electrónicos que utilizan microprocesadores para funcionar, llevan incorporado un sistema operativo. (teléfonos móviles, reproductores de DVD, computadoras, radios, enrutadores, etc).
Los primeros sistemas (1945-1960) eran grandes máquinas operadas desde la consola maestra por los programadores. Durante la década siguiente (1950-1960) se llevaron a cabo avances en el hardware: lectoras de tarjetas, impresoras, cintas magnéticas, etc.
Esto a su vez provocó un avance en el software: compiladores, ensambladores, cargadores, manejadores de dispositivos, etc.
A finales de los años 80, una computadora Commodore Amiga equipada con una aceleradora Video Toaster era capaz de producir efectos comparados a sistemas dedicados que costaban el triple.
Un Video Toaster junto a Lightwave ayudó a producir muchos programas de televisión y películas, entre las que se incluyen Babylon , Seaquest DSV y Terminator II.
El problema principal de los primeros sistemas era la baja utilización de los mismos, la primera solución fue poner un operador profesional que lo manejase, con lo que se eliminaron las hojas de reserva, se ahorró tiempo y se aumentó la velocidad.
Para ello, los trabajos se agrupaban de forma manual en lotes mediante lo que se conoce como procesamiento por lotes (batch) sin automatizar.
Según fue avanzando la complejidad de los programas, fue necesario implementar soluciones que automatizaran la organización de tareas sin necesidad de un operador.
Debido a ello se crearon los monitores residentes: programas que residían en memoria y que gestionaban la ejecución de una cola de trabajos.
Un monitor residente estaba compuesto por un cargador, un Intérprete de comandos y un Controlador (drivers) para el manejo de entrada/salida.
Los avances en el hardware crearon el soporte de interrupciones y posteriormente se llevó a cabo un intento de solución más avanzado: solapar la E /S de un trabajo con sus propios cálculos, por lo que se creó el sistema de buffers con el siguiente funcionamiento:
Un programa escribe su salida en un área de memoria (buffer).
El monitor residente inicia la salida desde el buffer y el programa de aplicación calcula depositando la salida en el buffer.
La salida desde el buffer termina y el nuevo cálculo también.
Se inicia la salida desde el buffer y otro nuevo cálculo dirige su salida al buffer.
El proceso se puede repetir de nuevo.
Los problemas surgen si hay muchas más operaciones de cálculo que de E/S (limitado por la CPU ) o si por el contrario hay muchas más operaciones de E/S que cálculo (limitado por la E /S).
Hace aparición el disco magnético con lo que surgen nuevas soluciones a los problemas de rendimiento. Se eliminan las cintas magnéticas para el volcado previo de los datos de dispositivos lentos y se sustituyen por discos (un disco puede simular varias cintas).
Debido al solapamiento del cálculo de un trabajo con la E /S de otro trabajo se crean tablas en el disco para diferentes tareas, lo que se conoce como Spool (Simultaneous Peripherial Operation On-Line).
Surge un nuevo avance en el hardware: el hardware con protección de memoria. Lo que ofrece nuevas soluciones a los problemas de rendimiento:
Se solapa el cálculo de unos trabajos con la entrada/salida de otros trabajos.
Se pueden mantener en memoria varios programas.
Se asigna el uso de la CPU a los diferentes programas en memoria.
Debido a los cambios anteriores, se producen cambios en el monitor residente, con lo que éste debe abordar nuevas tareas, naciendo lo que se denomina como Sistemas Operativos multiprogramados, los cuales cumplen con las siguientes funciones:
Administrar la memoria.
Gestionar el uso de la CPU (planificación).
Administrar el uso de los dispositivos de E/S.
Cuando desempeña esas tareas, el monitor residente se transforma en un sistema operativo multiprogramado.
Llamadas al sistema operativo.
Definición breve: llamadas que ejecutan los programas de aplicación para pedir algún servicio al SO.
Cada SO implementa un conjunto propio de llamadas al sistema. Ese conjunto de llamadas es la interfaz del SO frente a las aplicaciones. Constituyen el lenguaje que deben usar las aplicaciones para comunicarse con el SO.
Por ello si cambiamos de SO, y abrimos un programa diseñado para trabajar sobre el anterior, en general el programa no funcionará, a no ser que el nuevo SO tenga la misma interfaz.
Las llamadas correspondientes deben tener el mismo formato.
Cada llamada al nuevo SO tiene que dar los mismos resultados que la correspondiente del anterior.
Las aplicaciones no deben poder usar todas las instrucciones de la CPU. No obstante el Sistema Operativo, tiene que poder utilizar todo el juego de instrucciones del CPU. Por ello, una CPU debe tener (al menos) dos modos de operación diferentes:
Modo usuario: el CPU podrá ejecutar sólo las instrucciones del juego restringido de las aplicaciones.
Modo supervisor: la CPU debe poder ejecutar el juego completo de instrucciones.
Una aplicación, normalmente no sabe dónde está situada la rutina de servicio de la llamada. Por lo que si ésta se codifica como una llamada de función, cualquier cambio en el S.O. haría que hubiera que reconstruir la aplicación.
Pero lo más importante es que una llamada de función no cambia el modo de ejecución de la CPU. Con lo que hay que conseguir llamar a la rutina de servicio, sin tener que conocer su ubicación, y hacer que se fuerce un cambio de modo de operación de la CPU en la llamada (y la recuperación del modo anterior en el retorno).
Esto se hace utilizando instrucciones máquina diseñadas específicamente para este cometido, distintas de las que se usan para las llamadas de función.