01.02. Evolución

La evolución de los Sistemas Operativos ha ido siempre de la mano de la evolución de las Computadoras.

Por ello es relevante recordar las generaciones de Computadores (Tanembaum, 2009):

1. Tubos al Vacío (1945-1955)

tubos vacio eniac
Tubos al vacío de la ENIAC

Después de los esfuerzos infructuosos de Babbage, no hubo muchos progresos en la construcción de computadoras digitales sino hasta la Segunda Guerra Mundial, que estimuló una explosión de esta actividad. El profesor John Atanasoff y su estudiante graduado Clifford Berry construyeron lo que ahora se conoce como la primera computadora digital funcional en Iowa State University. Utilizaba 300 tubos de vacío (bulbos). Aproximadamente al mismo tiempo, Konrad Zuse en Berlín construyó la computadora Z3 a partir de relevadores. En 1944, la máquina Colossus fue construida por un equipo de trabajo en Bletchley Park, Inglaterra; la Mark I, por Howard Aiken en Harvard, y la ENIAC, por William Mauchley y su estudiante graduado J. Presper Eckert en la Universidad de Pennsylvania. Algunas fueron binarias, otras utilizaron bulbos, algunas eran programables, pero todas eran muy primitivas y tardaban segundos en realizar incluso hasta el cálculo más simple. A principios de la década de 1950, la rutina había mejorado un poco con la introducción de las tarjetas perforadas.

2. Transistores (1955-1965)

La introducción del transistor a mediados de la década de 1950 cambió radicalmente el panorama. Las computadoras se volvieron lo bastante confiables como para poder fabricarlas y venderlas a clientes dispuestos a pagar por ellas, con la expectativa de que seguirían funcionando el tiempo suficiente como para poder llevar a cabo una cantidad útil de trabajo. Por primera vez había una clara separación entre los diseñadores, constructores, operadores, programadores y el personal de mantenimiento.

IBM 1401
IBM 1401

Estas máquinas, ahora conocidas como mainframes, estaban encerradas en cuartos especiales con aire acondicionado y grupos de operadores profesionales para manejarlas. Sólo las empresas grandes, universidades o agencias gubernamentales importantes podían financiar el costo multimillonario de operar estas máquinas. Para ejecutar un trabajo (es decir, un programa o conjunto de programas), el programador primero escribía el programa en papel (en FORTRAN o en ensamblador) y después lo pasaba a tarjetas perforadas. Luego llevaba el conjunto de tarjetas al cuarto de entrada de datos y lo entregaba a uno de los operadores; después se iba a tomar un café a esperar a que los resultados estuvieran listos. Cuando la computadora terminaba el trabajo que estaba ejecutando en un momento dado, un operador iba a la impresora y arrancaba las hojas de resultados para llevarlas al cuarto de salida de datos, para que el programador pudiera recogerlas posteriormente. Entonces, el operador tomaba uno de los conjuntos de tarjetas que se habían traído del cuarto de entrada y las introducía en la máquina.

IBM 7094
IBM 7094

Si se necesitaba el compilador FORTRAN, el operador tenía que obtenerlo de un gabinete de archivos e introducirlo a la máquina. Se desperdiciaba mucho tiempo de la computadora mientras los operadores caminaban de un lado a otro del cuarto de la máquina. Dado el alto costo del equipo, no es sorprendente que las personas buscaran rápidamente formas de reducir el tiempo desperdiciado. La solución que se adoptó en forma general fue el sistema de procesamiento por lotes. La idea detrás de este concepto era recolectar una bandeja llena de trabajos en el cuarto de entrada de datos y luego pasarlos a una cinta magnética mediante el uso de una pequeña computadora relativamente económica, tal como la IBM 1401, que era muy adecuada para leer las tarjetas, copiar cintas e imprimir los resultados, pero no tan buena para los cálculos numéricos. Para llevar a cabo los cálculos numéricos se utilizaron otras máquinas mucho más costosas, como la IBM 7094.

3. Circuitos Integrados (1965-1980)

IBM 360
IBM 360

La IBM 360 fue la primera línea importante de computadoras en utilizar circuitos integrados (ICs) (a pequeña escala), con lo cual se pudo ofrecer una mayor ventaja de precio/rendimiento en comparación con las máquinas de segunda generación, las cuales fueron construidas a partir de transistores individuales. Su éxito fue inmediato y la idea de una familia de computadoras compatibles pronto fue adoptada por todos los demás fabricantes importantes. Los descendientes de estas máquinas se siguen utilizando hoy día en centros de cómputo. En la actualidad se utilizan con frecuencia para manejar bases de datos enormes (por ejemplo, para sistemas de reservaciones de aerolíneas)  o como servidores para sitios de World Wide Web que deben procesar miles de solicitudes por segundo. La mayor fortaleza de la idea de “una sola familia” fue al mismo tiempo su mayor debilidad. La intención era que todo el software, incluyendo al sistema operativo OS/360, funcionara en todos los modelos.Debía ejecutarse en los sistemas pequeños, que por lo general sólo reemplazaban a la 1401s, que copiaba tarjetas a cinta, y en los sistemas muy grandes, que a menudo reemplazaban a la 7094s, que realizaba predicciones del clima y otros cálculos pesados. Tenía que ser bueno en sistemas con pocos dispositivos periféricos y en sistemas con muchos. Tenía que funcionar en ambos entornos comerciales y científicos. Por encima de todo, tenía que ser eficiente para todos estos usos distintos. No había forma en que IBM (o cualquier otra) pudiera escribir una pieza de software que cumpliera con todos estos requerimientos en conflicto. El resultado fue un enorme y extraordinariamente complejo sistema operativo, tal vez de dos a tres órdenes de magnitud más grande que el FMS. Consistía en millones de líneas de lenguaje ensamblador escrito por miles de programadores, con miles de errores, los cuales requerían un flujo continuo de nuevas versiones en un intento por corregirlos. Cada nueva versión corregía algunos errores e introducía otros, por lo que probablemente el número de errores permanecía constante en el tiempo. A pesar de su enorme tamaño y sus problemas, el OS/360 y los sistemas operativos similares de tercera generación producidos por otros fabricantes de computadoras en realidad dejaban razonablemente satisfechos a la mayoría de sus clientes. También popularizaron varias técnicas clave ausentes en los sistemas operativos de segunda generación.

sistema multiprogramacion
Sistema de multiprogramación con 3 trabajos en memoria

Quizá la más importante de éstas fue la multiprogramación. En la 7094, cuando el trabajo actual se detenía para esperar a que se completara una operación con cinta u otro dispositivo de E/S, la CPU simplemente permanecía inactiva hasta terminar la operación de E/S. Con los cálculos científicos que requieren un uso intensivo de la CPU, la E/S no es frecuente, por lo que este tiempo desperdiciado no es considerable. Con el procesamiento de datos comerciales, el tiempo de espera de las operaciones de E/S puede ser a menudo de 80 a 90 por ciento del tiempo total, por lo que debía hacerse algo para evitar que la (costosa) CPU esté inactiva por mucho tiempo. La solución que surgió fue particionar la memoria en varias piezas, con un trabajo distinto en cada partición, como se muestra en la Gráfica 9. Mientras que un trabajo esperaba a que se completara una operación de E/S, otro podía estar usando la CPU. Si pudieran contenerse suficientes trabajos en memoria principal al mismo tiempo, la CPU podía estar ocupada casi 100 por ciento del tiempo. Para tener varios trabajos de forma segura en memoria a la vez, se requiere hardware especial para proteger cada trabajo y evitar que los otros se entrometan y lo malogren; el 360 y los demás sistemas de tercera generación estaban equipados con este hardware.

4. Computadores Personales (1980-actual)

intel 8080
Chip Intel 8080

Con el desarrollo de los circuitos LSI (Large Scale Integration, Integración a gran escala), que contienen miles de transistores en un centímetro cuadrado de silicio (chip), nació la era de la computadora personal. En términos de arquitectura, las computadoras personales (que al principio eran conocidas como microcomputadoras) no eran del todo distintas de las minicomputadoras de la clase PDP-11, pero en términos de precio sin duda eran distintas. Mientras que la minicomputadora hizo posible que un departamento en una compañía o universidad tuviera su propia computadora, el chip microprocesador logró que un individuo tuviera su propia computadora personal.

Cuando Intel presentó el microprocesador 8080 en 1974 (la primera CPU de 8 bits de propósito general), deseaba un sistema operativo, en parte para poder probarlo. Intel pidió a uno de sus consultores, Gary Kildall, que escribiera uno. Kildall y un amigo construyeron primero un dispositivo controlador para el disco flexible de 8 pulgadas de Shugart Associates que recién había sido sacado al mercado, y conectaron el disco flexible con el 8080, con lo cual produjeron la primera microcomputadora con un disco. Después Kildall escribió un sistema operativo basado en disco conocido como CP/M (Control Program for Microcomputers; Programa de Control para Microcomputadoras) para esta CPU. Como Intel no pensó que las microcomputadoras basadas en disco tuvieran mucho futuro, cuando Kildall pidió los derechos para CP/M, Intel le concedió su petición. Después Kildall formó una compañía llamada Digital Research para desarrollar y vender el CP/M.

En 1977, Digital Research rediseñó el CP/M para adaptarlo de manera que se pudiera ejecutar en todas las microcomputadoras que utilizaban los chips 8080, Zilog Z80 y otros. Se escribieron muchos programas de aplicación para ejecutarse en CP/M, lo cual le permitió dominar por completo el mundo de la microcomputación durante un tiempo aproximado de 5 años.

IBM PC
IBM PC

A principios de la década de 1980, IBM diseñó la IBM PC y buscó software para ejecutarlo en ella. La gente de IBM se puso en contacto con Bill Gates para obtener una licencia de uso de su intérprete de BASIC. También le preguntaron si sabía de un sistema operativo que se ejecutara en la PC. Gates sugirió a IBM que se pusiera en contacto con Digital Research, que en ese entonces era la compañía con dominio mundial en el área de sistemas operativos. Kildall rehusó a reunirse con IBM y envió a uno de sus subordinados, a lo cual se le considera sin duda la peor decisión de negocios de la historia. Para empeorar más aún las cosas, su abogado se rehusó a firmar el contrato de no divulgación de IBM sobre la PC, que no se había anunciado todavía. IBM regresó con Gates para ver si podía proveerles un sistema operativo.

logo dos
Logo MS-DOS

Cuando IBM regresó, Gates se había enterado de que un fabricante local de computadoras, Seattle Computer Products, tenía un sistema operativo adecuado conocido como DOS (Disk Operating System; Sistema Operativo en Disco). Se acercó a ellos y les ofreció comprarlo (supuestamente por 75,000 dólares), a lo cual ellos accedieron de buena manera. Después Gates ofreció a IBM un paquete con DOS/BASIC, el cual aceptó. IBM quería ciertas modificaciones, por lo que Gates contrató a la persona que escribió el DOS, Tim Paterson, como empleado de su recién creada empresa de nombre Microsoft, para que las llevara a cabo. El sistema rediseñado cambió su nombre a MS-DOS (Microsoft Disk Operating System; Sistema Operativo en Disco de Microsoft) y rápidamente llegó a dominar el mercado de la IBM PC. Un factor clave aquí fue la decisión de Gates (que en retrospectiva, fue en extremo inteligente) de vender MS-DOS a las empresas de computadoras para que lo incluyeran con su hardware, en comparación con el intento de Kildall por vender CP/M a los usuarios finales, uno a la vez (por lo menos al principio).Después de que se supo todo esto, Kildall murió en forma repentina e inesperada debido a causas que aún no han sido reveladas por completo.

mainframe unixPara cuando salió al mercado en 1983 la IBM PC/AT, sucesora de la IBM PC, con la CPU Intel 80286, MS-DOS estaba muy afianzado y CP/M daba sus últimos suspiros. Más adelante, MS-DOS se utilizó ampliamente en el 80386 y 80486. Aunque la versión inicial de MS-DOS era bastante   primitiva, las versiones siguientes tenían características más avanzadas, incluyendo muchas que se tomaron de UNIX. (Microsoft estaba muy al tanto de UNIX e inclusive vendía una versión de este sistema para microcomputadora, conocida como XENIX, durante los primeros años de la compañía).CP/M, MS-DOS y otros sistemas operativos para las primeras microcomputadoras se basaban en que los usuarios escribieran los comandos mediante el teclado. Con el tiempo esto cambió debido a la investigación realizada por Doug Engelbart en el Stanford Research Institute en la década de 1960. Engelbart inventó la Interfaz Gráfica de Usuario GUI, completa con ventanas, iconos, menús y ratón. Los investigadores en Xerox PARC adoptaron estas ideas y las incorporaron en las máquinas que construyeron.

apple macintosh
Apple Macintosh

Un día, Steve Jobs, que fue co-inventor de la computadora Apple en su cochera, visitó PARC, vio una GUI y de inmediato se dio cuenta de su valor potencial, algo que la administración de Xerox no hizo. Posteriormente, Jobs emprendió el proyecto de construir una Apple con una GUI. Este proyecto culminó en Lisa, que era demasiado costosa y fracasó comercialmente. El segundo intento de Jobs, la Apple Macintosh, fue un enorme éxito, no sólo debido a que era mucho más económica que Lisa, sino también porque era amigable para el usuario (user friendly), lo cual significaba que estaba diseñada para los usuarios que no sólo no sabían nada acerca de las computadoras, sino que además no tenían ninguna intención de aprender. En el mundo creativo del diseño gráfico, la fotografía digital profesional y la producción de video digital profesional, las Macintosh son ampliamente utilizadas y sus usuarios son muy entusiastas sobre ellas. Cuando Microsoft decidió crear un sucesor para el MS-DOS estaba fuertemente influenciado por el éxito de la Macintosh. Produjo un sistema basado en GUI llamado Windows, el cual en un principio se ejecutaba encima del MS-DOS (es decir, era más como un shell que un verdadero sistema operativo). Durante cerca de 10 años, de 1985 a 1995, Windows fue sólo un entorno gráfico encima de MS-DOS. Sin embargo, a partir de 1995 se liberó una versión independiente de Windows, conocida como Windows 95, que incorporaba muchas características de los sistemas operativos y utilizaba el sistema MS-DOS subyacente sólo para iniciar y ejecutar programas de MS-DOS antiguos. En 1998, se liberó una versión ligeramente modificada de este sistema, conocida como Windows 98. Sin embargo, tanto Windows 95 como Windows 98 aún contenían una gran cantidad de lenguaje ensamblador para los procesadores Intel de 16 bits.

windowsOtro de los sistemas operativos de Microsoft es Windows NT (NT significa Nueva Tecnología), que es compatible con Windows 95 en cierto nivel, pero fue completamente rediseñado en su interior. Es un sistema completo de 32 bits. El diseñador en jefe de Windows NT fue David Cutler, quien también fue uno de los diseñadores del sistema operativo VMS de VAX, por lo que hay algunas ideas de VMS presentes en NT. De hecho, había tantas ideas de VMS presentes que el propietario de VMS (DEC) demandó a Microsoft. El caso se resolvió en la corte por una cantidad de muchos dígitos. Microsoft esperaba que la primera versión de NT acabara con MS-DOS y todas las demás versiones de Windows, ya que era un sistema muy superior, pero fracasó. No fue sino hasta Windows NT 4.0 que finalmente empezó a tener éxito, en especial en las redes corporativas. La versión 5 de Windows NT cambió su nombre a Windows 2000 a principios de 1999. Estaba destinada a ser el sucesor de Windows 98 y de Windows NT 4.0. Esto tampoco funcionó como se esperaba, por lo que Microsoft preparó otra versión de Windows 98 conocida como Windows Me (Millennium edition). En el 2001 se liberó una versión ligeramente actualizada de Windows 2000, conocida como Windows XP. Esa versión duró mucho más en el mercado (6 años), reemplazando a casi todas las versiones anteriores de Windows. Después, en enero del 2007 Microsoft liberó el sucesor para Windows XP, conocido como Windows Vista. Tenía una interfaz gráfica nueva, Aero, y muchos programas de usuarios nuevos o actualizados. Microsoft esperaba que sustituya a Windows XP por completo, pero fue un rotundo fracaso.

En el 2009, Microsoft lanzó Windows 7. A diferencia de su predecesor, Windows Vista, que introdujo a un gran número de nuevas características, Windows 7 pretendía ser una actualización incremental, enfocada a la línea de Windows, con el objetivo de ser compatible con aplicaciones y hardware que Windows Vista no era compatible. Windows 7 tiene soporte multitouch, un Windows shell rediseñado con una nueva barra de tareas, conocido como Superbar, un sistema red llamado HomeGroup, y mejoras en el rendimiento sobre todo en velocidad y en menor consumo de recursos.

En el 2012, Microsoft lanzó Windows 8. Por primera vez desde Windows 95, el botón Inicio ya no está disponible en la barra de tareas (lo cual se corrigió en la versión 8.1), aunque la pantalla de inicio está aún activa haciendo clic en la esquina inferior izquierda de la pantalla y presionando la tecla Inicio en el teclado. Presenta un Explorador de Windows rediseñado, con la famosa interfaz ribbon de Microsoft Office. Se conservan la gran mayoría de las características de su predecesor, Windows 7, con excepción de la nueva interfaz gráfica y algunos cambios menores.

El otro competidor importante en el mundo de las computadoras personales es UNIX (y todas sus variantes). UNIX es más fuerte en los servidores tanto de redes como empresariales, pero también está cada vez más presente en las computadoras de escritorio, en especial en los países que se desarrollan con rapidez, como India y China.

servidores linuxEn las computadoras basadas en Pentium, Linux se está convirtiendo en una alternativa popular para Windows entre los estudiantes y cada vez más usuarios corporativos. (A lo largo de este documento se usará el término “Pentium” para denotar al Pentium I, II, III y 4, así como sus sucesores tales como el Core 2 Duo.)

El término x86 también se utiliza algunas veces para indicar el rango completo de CPU Intel partiendo desde el 8086, mientras que utilizaremos “Pentium” para indicar todas las CPU desde el Pentium I. Admitimos que este término no es perfecto, pero no hay disponible uno mejor. Uno se pregunta qué genio de mercadotecnia en Intel desperdició una marca comercial (Pentium) que  la mitad del mundo conocía bien y respetaba, sustituyéndola con términos como “Core 2 duo” que muy pocas personas comprenden; ¿qué significan “2” y “duo”? Tal vez “Pentium 5” (o “Pentium 5 dual core”, etc.) eran demasiado difíciles de recordar. FreeBSD es también un derivado popular de UNIX, que se originó del proyecto BSD en Berkeley. Todas las computadoras modernas Macintosh utilizan una versión modificada de FreeBSD. UNIX también es estándar en las estaciones de trabajo operadas por chips RISC de alto rendimiento, como los que venden Hewlett-Packard y Sun Microsystems.

xwindow
Captura de pantalla de X Windows

Muchos usuarios de UNIX, en especial los programadores experimentados, prefieren una interfaz de línea de comandos a una GUI, por lo que casi todos los sistemas UNIX presentan un sistema de ventanas  llamado X Window System (también conocido como X11), producido en el M.I.T. Este sistema se encarga de la administración básica de las ventanas y permite a los usuarios crear, eliminar, desplazar y cambiar el tamaño de las ventanas mediante el uso de un ratón. Con frecuencia hay disponible una GUI completa, como Gnome o KDE, para ejecutarse encima de X11, lo cual proporciona a UNIX una apariencia parecida a la Macintosh o a Microsoft Windows, para aquellos usuarios de UNIX que desean algo así.

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Sistema Operativo para una red

Un interesante desarrollo que empezó a surgir a mediados de la década de 1980 es el crecimiento de las redes de computadoras personales que ejecutan sistemas operativos en red y sistemas operativos distribuidos (Tanembaum y Van Steen, 2007). En un sistema operativo en red, los usuarios están conscientes de la existencia de varias computadoras, y pueden iniciar sesión en equipos remotos y copiar archivos de un equipo a otro. Cada equipo ejecuta su propio sistema operativo local y tiene su propio usuario (o usuarios) local.

Los sistemas operativos en red no son fundamentalmente distintos de los sistemas operativos con un solo procesador. Es obvio que necesitan un dispositivo controlador de interfaz de red y cierto software de bajo nivel para controlarlo, así como programas para lograr el inicio de una sesión remota y el acceso remoto a los archivos, pero estas adiciones no cambian la estructura esencial del sistema operativo.

En contraste, un sistema operativo distribuido se presenta a sus usuarios en forma de un sistema tradicional con un procesador, aun cuando en realidad está compuesto de varios procesadores. Los usuarios no tienen que saber en dónde se están ejecutando sus programas o en dónde se encuentran sus archivos; el sistema operativo se encarga de todo esto de manera automática y eficiente.

Los verdaderos sistemas operativos distribuidos requieren algo más que sólo agregar un poco de código a un sistema operativo con un solo procesador, ya que los sistemas distribuidos y los centralizados difieren en varios puntos críticos. Por ejemplo, los sistemas distribuidos permiten con frecuencia que las aplicaciones se ejecuten en varios procesadores al mismo tiempo, lo que requiere algoritmos de planificación del procesador más complejos para poder optimizar la cantidad de paralelismo. Los retrasos de comunicación dentro de la red implican a menudo que estos (y otros) algoritmos deban ejecutarse con información incompleta, obsoleta o incluso incorrecta. Esta situación es muy distinta a la de un sistema con un solo procesador, donde el sistema operativo tiene información completa acerca del estado del sistema.

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Publicado por

Luis Castellanos

Experto en e-Learning, Seguridad y Tecnología. luiscastellanos @ yahoo.com | @lrcastellanos

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