La arquitectura (conjunto de instrucciones, organización de memoria, E/S y estructura de bus) de la mayoría de las computadoras a nivel de lenguaje máquina es primitiva y compleja de programar, en especial para la entrada/salida. Para hacer este punto más concreto, considere la forma en que se lleva a cabo la E/S de disco flexible mediante los dispositivos controladores (device controllers) compatibles NEC PD765 que se utilizan en la mayoría de las computadoras personales basadas en Intel (a lo largo de este libro utilizaremos los términos “disco flexible” y “diskette” indistintamente).
Utilizamos el disco flexible como un ejemplo debido a que, aunque obsoleto, es mucho más simple que un disco duro moderno. El PD765 tiene 16 comandos, cada uno de los cuales se especifica mediante la carga de 1 a 9 bytes en un registro de dispositivo. Estos comandos son para leer y escribir datos, desplazar el brazo del disco y dar formato a las pistas, así como para inicializar, detectar,
restablecer y recalibrar el dispositivo controlador y las unidades.
Los comandos más básicos son read y write (lectura y escritura), cada uno de los cuales requiere 13 parámetros, empaquetados en 9 bytes. Estos parámetros especifican elementos tales como la dirección del bloque de disco a leer, el número de sectores por pista, el modo de grabación utilizado en el medio físico, el espacio de separación entre sectores y lo que se debe hacer con una marca de dirección de datos eliminados. Si el lector no comprende estos tecnicismos, no se preocupe: ése es precisamente el punto, pues se trata de algo bastante oscuro. Cuando la operación se completa, el chip del dispositivo controlador devuelve 23 campos de estado y error, empaquetados en 7 bytes. Como si esto no fuera suficiente, el programador del disco flexible también debe estar constantemente
al tanto de si el motor está encendido o apagado. Si el motor está apagado, debe encenderse (con un retraso largo de arranque) para que los datos puedan ser leídos o escritos. El motor no se debe dejar demasiado tiempo encendido porque se desgastará. Por lo tanto, el programador se ve obligado a lidiar con el problema de elegir entre tener retrasos largos de arranque o desgastar los discos flexibles (y llegar a perder los datos).
Sin entrar en los detalles reales, debe quedar claro que el programador promedio tal vez no desee involucrarse demasiado con la programación de los discos flexibles (o de los discos duros, que son aún más complejos). En vez de ello, lo que desea es una abstracción simple de alto nivel que se encargue de lidiar con el disco. En el caso de los discos, una abstracción común sería que el disco contiene una colección de archivos con nombre. Cada archivo puede ser abierto para lectura o escritura, después puede ser leído o escrito y, por último, cerrado. Los detalles, tales como si la grabación debe utilizar o no la modulación de frecuencia y cuál es el estado del motor en un momento dado, no deben aparecer en la abstracción que se presenta al programador de aplicaciones.
La abstracción es la clave para lidiar con la complejidad. Las buenas abstracciones convierten una tarea casi imposible en dos tareas manejables. La primera de éstas es definir e implementar las abstracciones; la segunda, utilizarlas para resolver el problema en cuestión. Una abstracción que casi cualquier usuario de computadora comprende es el archivo: es una pieza útil de información, como una fotografía digital, un mensaje de correo electrónico almacenado o una página Web. Es más fácil lidiar con fotografías, correos electrónicos y páginas Web que con los detalles de los discos, como en el caso del disco flexible descrito. El trabajo del sistema operativo es crear buenas abstracciones para después implementar y administrar los objetos abstractos entonces creados. En este libro hablaremos mucho acerca de las abstracciones, dado que son claves para comprender los sistemas operativos.
Este punto es tan importante que vale la pena repetirlo en distintas palabras. Con el debido respeto a los ingenieros industriales que diseñaron la Macintosh, el hardware es feo. Los procesadores, memorias, discos y otros dispositivos reales son muy complicados y presentan interfaces difíciles, enredadas, muy peculiares e inconsistentes para las personas que tienen que escribir software para utilizarlos. Algunas veces esto se debe a la necesidad de tener compatibilidad con el hardware anterior; otras, a un deseo de ahorrar dinero, y otras más, a que los diseñadores de hardware no tienen idea (o no les importa) qué tan grave es el problema que están ocasionando para el software. Una de las principales tareas del sistema operativo es ocultar el hardware y presentar a los programas (y a sus programadores) abstracciones agradables, elegantes, simples y consistentes con las que puedan trabajar. Los sistemas operativos ocultan la parte fea con la parte hermosa.
Hay que recalcar que los verdaderos clientes del sistema operativo son los programas de aplicación (a través de los programadores de aplicaciones, desde luego). Son los que tratan directamente con el sistema operativo y sus abstracciones. En contraste, los usuarios finales tienen que lidiar con las abstracciones que proporciona la interfaz de usuario, ya sea un shell de línea de comandos o una interfaz gráfica. Aunque las abstracciones en la interfaz de usuario pueden ser similares a las que proporciona el sistema operativo, éste no siempre es el caso. Para aclarar este punto, considere el escritorio normal de Windows y el indicador para comandos orientado a texto. Ambos son programas que se ejecutan en el sistema operativo Windows y utilizan las abstracciones que este sistema proporciona, pero ofrecen interfaces de usuario muy distintas. De manera similar, un usuario de Linux que ejecuta Gnome o KDE ve una interfaz muy distinta a la que ve un usuario de Linux que trabaja directamente encima del Sistema X Window subyacente (orientado a texto), pero las abstracciones del sistema operativo subyacente son las mismas en ambos casos. En este libro estudiaremos detalladamente las abstracciones que se proporcionan a los programas de aplicación, pero trataremos muy poco acerca de las interfaces de usuario, que es un tema bastante extenso e importante, pero que sólo está relacionado con la periferia de los sistemas operativos.
Los sistemas operativos realizan dos funciones básicas que no están relacionadas. Uno de ellos, aquí explicado, es proporcionar a los programadores de aplicaciones (y a los programas de aplicaciones, naturalmente) un conjunto abstracto de recursos simples, en vez de los complejos conjuntos de hardware.
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