Sistemas Operativos

Por ejemplo, en el MS-DOS los programas de aplicación podían acceder directamente a toda la memoria y a cualquier dispositivo. Disponiendo de esa libertad un programa erróneo cualquiera podía corromper el sistema completo.

Como el Intel 8086 para el que fue escrito MS-DOS no proporcionaba un modo dual de operación, los diseñadores del sistema no podían evitar que los programas de usuario accedieran directamente al hardware ni tenían forma de proteger las distintas partes del sistema operativo.

Otro ejemplo es el de UNIX original, donde sí había una separación clara entre procesos de usuario y código del sistema, pero juntaba mucha funcionalidad en el núcleo del sistema.

El núcleo proporciona la planificación de CPU, la gestión de la memoria, el soporte de los sistemas de archivos y muchas otras funcionalidades del sistema operativo. En general se trata de una enorme cantidad de funcionalidad que es difícil de implementar y mantener, si no se compartimenta adecuadamente.

Tanto MS-DOS como UNIX eran originalmente sistemas pequeños y simples, limitados por las funcionalidades del hardware de su época, que fueron creciendo más allá de las previsiones originales. Lo cierto es que con mejor soporte del hardware se puede dividir el sistema operativo en piezas más pequeñas y apropiadas que las del MS-DOS y el UNIX original.

Es importante tener en cuenta que diseñar un sistema con estructura en capas no es tan sencillo como pudiera parecer. La definición de las capas y sus funcionalidades debe ser planificada cuidadosamente debido a la restricción, comentada anteriormente, de que una capa solo puede utilizar los servicios de las capas inferiores.

Por ejemplo, el planificador de la CPU suele tener información de los procesos que están en la memoria. Parte de esa información puede ser almacenada en el disco para aumentar la memoria principal disponible. Esto nos debería llevar a pensar que la gestión del almacenamiento secundario debe ir en una capa inferior a la del planificador de la CPU, para que así el segundo pueda pedir al primero que guarde los datos en disco.

Sin embargo, el planificador de la CPU debe asignar la CPU a otro proceso cuando el proceso que actualmente la ocupa solicita alguna operación de E/S —lo típico en multiprogramación—. Como es la gestión del almacenamiento secundario el que debe pedir una operación al planificador de la CPU, ahora el primero debe estar sobre el segundo.

La solución a esta dependencia circular es hacer que ambos componentes estén en la misma capa. Este tipo de dependencias no son raras, ocurre en muchos otros casos, ya que los componentes del sistema operativo suelen depender mucho unos de otros.

El mayor inconveniente es el pobre rendimiento que puede tener, causado por la sobrecarga que añade el mecanismo de comunicación.

Por ejemplo, Microsoft Windows NT nació con una estructura de microkernel en capas donde una parte importante de los servicios eran proporcionados por unos procesos de usuario llamados subsistemas.

El sistema operativo podía mostrar diferentes personalidades o entornos operativos —básicamente de OS/2, POSIX y MS-DOS— a través del uso de subsistemas ambientales, que también se ejecutaban como procesos de usuario. Las aplicaciones de Microsoft Windows NT se comunicaban con estos subsistemas utilizando un mecanismo de comunicación denominado LPC (Local Inter-Process Communication).

Con esta estructura, la pérdida de rendimiento respecto a Microsoft Windows 95 era tan importante —especialmente en lo relativo a operaciones gráficas— que los diseñadores se vieron obligados a mover más servicios al espacio del núcleo en la versión 4.0. El resultado es que los Windows sucesores a Windows NT 4.0 tienen una arquitectura más monolítica que microkernel, ya que aunque muchos servicios siguen siendo proporcionados por procesos de usuario, esto solo ocurre con aquellos donde el rendimiento no es un factor crítico.

Sin embargo, varios sistemas operativos siguen utilizando núcleos microkernel, como QNX o MINIX 3. Ambos son sistemas operativos de tiempo real, que basan en la estructura de microkernel su estabilidad como sistema para tareas críticas.

En la Figura 8.4, por ejemplo, se puede observar un esquema de MINIX 3. El núcleo es muy pequeño —apenas tiene 5000 líneas de código— por lo que la mayor parte de la funcionalidad reside en los procesos de servicios y de controladores de dispositivo.

MINIX 3 es un sistema compatible POSIX. Así que soporta las llamadas al sistema definidas por este estándar, pero estas se convierten en mensajes enviados al servidor correspondiente con la petición, y no en llamadas directas al núcleo. Para que un servidor pueda atender una petición, quizás tenga que enviar peticiones a otros servidores o controladores de dispositivo. Incluso pueden tener que hacer llamadas al núcleo, para solicitar alguna operación privilegiada que no se puede implementar en el modo usuario. Por ejemplo, operaciones de E/S —fundamentales para los controladores de dispositivo— o el acceso a tablas del núcleo —como la tabla de procesos—.