Conceptos fundamentales y Servicios del Sistema Operativo

Introducción

Una de las etapas de la evolución de
los sistemas operativos fue la multiprogramación o
multitarea, esto que trajo consigo que se tuviera en cuenta un
grupo de consideraciones a la hora de concebir los mismos.
Así fueron surgiendo distintas estructuras en el
diseño, cada una con sus características
particulares.

Protección

En los primeros sistemas de cómputo
que se utilizaron no fue necesario tener en cuenta la
problemática de la protección debido a la forma en
que se operaban, es decir se ejecutaba sólo un programa y
éste estaba en posesión de todos los recursos
existentes (en caso de error, solo se afectaba
él).

Al desarrollarse los sistemas operativos aún
cuando se mantuviera un único programa en memoria
(monoprogramación), se comenzaba a compartir recursos. En
este caso, el programa y el sistema operativo comparten la
memoria. Si ocurriera un funcionamiento erróneo del
programa y él sobrescribe el área de memoria del
sistema operativo, resulta evidente que existirá un
"crash" de éste.

Otro ejemplo simple se puede notar en el caso del
procesamiento en lote. Suponga que un programa cae en un lazo
infinito de lectura de tarjetas. Es evidente que tomará
todas las que les pertenecían y las que le
siguen.

El compartir recursos aumenta la utilización
eficiente de estos, pero a la vez incrementa las dificultades. Un
error en un programa puede afectar a otros trabajos.

En los sistemas operativos que instrumentan la
multiprogramación, pueden ocurrir muchas otras situaciones
no tan evidentes como las indicadas, por esto éste se debe
proteger y a la vez brindar protección a todos los
programas que se ejecutan. Todo recurso compartido debe ser
protegido, pero al menos deben disponer de esta
característica las entradas y salidas, la memoria y la
CPU.

La protección de entrada–salida se
logra al no permitir que los programas actúen directamente
sobre los dispositivos, sino a través de llamadas a los
manejadores de dispositivos que forman parte del sistema de
operación. De esta forma se puede chequear si la solicitud
es correcta o no y evitar que algo vaya mal.

Para evitar que un programa opere directamente con la
entrada–salida, las instrucciones correspondientes se
declaran como privilegiadas (esto tiene que estar instrumentado
en el hardware) y por ello sólo podrán ser
utilizadas por parte del sistema operativo.

Lo antes indicado quiere decir que el hardware
deberá brindar dualidad en el modo en que los programas se
ejecutan. El primero es el modo "kernel" (o monitor, supervisor,
sistema, protegido), y el segundo es el modo usuario. El SO
correrá en modo protegido (con derecho a usar
instrucciones privilegiadas) y todos los demás en modo
usuario.

Por supuesto que en la CPU existirá un "bit" que
en todo momento indicará el modo en que se está
ejecutando. Este se pondrá a 1 ó 0
cada vez que se produzca un cambio entre el SO y otro programa.
Es de suponer que las instrucciones que permiten variar este
"bit" son privilegiadas.

Da la impresión que con los aspectos antes
indicados ya se tiene garantizada la protección de las
entradas salidas, pero antes de dar tal afirmación se hace
necesario estar seguro que ningún programa usuario pueda
ejecutar en modo supervisor. ¿Qué pasaría si
a un programa usuario se le permite realizar direccionamientos al
área de memoria del sistema operativo y modificar un
vector de interrupción? Al ocurrir la interrupción,
el hardware pasará la ejecución al modo
privilegiado (ya que va a operar el sistema operativo), pero como
se cambió el vector de interrupción, nos
encontramos que el programa usuario se hace dueño del
sistema de cómputo con total impunidad.

Para evitar esta situación y otras similares se
impone disponer de un mecanismo de protección de
memoria. Es decir, evitar que un programa usuario pueda
acceder al área de trabajo del Sistema Operativo. En los
sistemas multiprogramados también se tiene que impedir tal
acción en el área de otro programa.

La solución a esta problemática requiere
que el hardware brinde su ayuda. En un ambiente de
monoprogramación es suficiente con la existencia de un
registro tope o registro límite que separe el área
de trabajo del sistema operativo de la correspondiente al
programa usuario.

En este caso, generalmente el sistema operativo se ubica
en la parte baja de la memoria y a continuación
comenzaría el área del programa usuario. Cada vez
que dicho programa realiza un acceso a memoria, el hardware
chequea que la dirección referida no sea menor que la
contenida en el registro a los efectos de permitirlo. Si se
detecta el intento de penetrar en el área no autorizada
ocurrirá una trampa invocándose al SO para que
decida la situación (generalmente se elimina al que
provoca "la ofensa").

El SO conserva la posibilidad de acceder cualquier
posición de memoria (al correr en modo privilegiado el
hardware no lo controla). Por supuesto la carga del registro
indicado solo se puede hacer en modo "kernel".