El computador por dentro

Un sistema operativo está hecho a la medida del hardware que administra. No hace falta saber de circuitos, pero sí entender cuatro ideas: cómo se comunican las piezas, cómo avisan que terminaron algo, por qué hay tantos tipos de memoria y cómo el hardware ayuda a que nadie se salte las reglas.

Las piezas y cómo se hablan

• La CPU ejecuta instrucciones. Tiene registros, pequeñas memorias ultrarrápidas donde deben estar los datos para operar con ellos, y un contador de programa que apunta a la siguiente instrucción. Su velocidad se marca con un reloj, en ciclos por segundo (GHz), y hoy casi siempre trae varios núcleos.
• La memoria principal (RAM) guarda los programas en ejecución y sus datos. La CPU puede leer cualquier posición directamente, pero se borra al apagar el equipo.
• Cada dispositivo tiene un controlador: un pequeño circuito con su propio búfer de memoria, que sabe manejar ese tipo de dispositivo.
• En el sistema operativo, cada controlador tiene su driver (manejador de dispositivo): el software que sabe hablarle.

La CPU y los dispositivos trabajan al mismo tiempo. La CPU le pide algo a un controlador, por ejemplo "lee este bloque del disco", y sigue con otras cosas mientras el controlador trabaja. La pregunta es: ¿cómo se entera la CPU de que el disco terminó?

Preguntar o esperar el aviso

Hay dos formas:

• Sondeo (polling): la CPU pregunta cada cierto tiempo "¿ya terminaste?". Es como mirar el teléfono cada dos minutos por si llegó un mensaje: se pierde mucho tiempo preguntando.
• Interrupciones: el dispositivo avisa cuando termina, enviando una señal a la CPU. Es el teléfono que suena.

Cómo se atiende una interrupción

1. El controlador envía una señal de interrupción a la CPU.
2. La CPU termina la instrucción que estaba ejecutando y guarda su estado: por dónde iba y el contenido de sus registros.
3. Busca en el vector de interrupciones, una tabla que dice qué rutina atiende cada tipo de interrupción, y salta a esa rutina de servicio, que es parte del sistema operativo.
4. La rutina hace lo necesario (por ejemplo, anotar que los datos del disco están listos).
5. La CPU restaura el estado guardado y sigue exactamente donde estaba, como si nada.

Mientras se atiende una interrupción importante, otras pueden quedar enmascaradas (en espera), para no perderlas ni mezclarlas.

Además de las interrupciones de hardware, están las trampas o excepciones: interrupciones generadas por software. Ocurren por un error (una división por cero, acceder a memoria prohibida) o porque un programa pide un servicio al sistema operativo, que es justamente cómo funcionan las llamadas al sistema.

Un sistema operativo moderno pasa la mayor parte del tiempo esperando interrupciones: se dice que está conducido por interrupciones (interrupt driven). En Linux puedes ver cuántas ha atendido cada núcleo:

cat /proc/interrupts

Entrada y salida

Sincrónica y asincrónica

• E/S sincrónica: el programa pide la operación y se queda esperando a que termine para seguir.
• E/S asincrónica: el programa pide la operación y sigue trabajando; más tarde se entera de que terminó.

En ambos casos, el sistema operativo lleva una tabla con el estado de cada dispositivo y de las solicitudes pendientes sobre él.

Acceso directo a memoria (DMA)

Si un dispositivo rápido interrumpiera a la CPU por cada byte que transfiere, la CPU no haría otra cosa. Con DMA (Direct Memory Access), el controlador copia bloques completos directamente a la memoria principal, sin pasar por la CPU, y genera una sola interrupción al terminar el bloque.

Hoy todos los dispositivos rápidos (discos NVMe, tarjetas de red, tarjetas de video) usan DMA.

La jerarquía de memoria

¿Por qué no hacer toda la memoria de un solo tipo? Porque no existe una memoria que sea a la vez rapidísima, enorme, barata y que no se borre al apagar. Así que se combinan varias, en una jerarquía:

• La memoria principal es lo más lento a lo que la CPU puede acceder directamente.
• El almacenamiento secundario (SSD, discos) guarda grandes cantidades de datos de forma permanente y barata, pero es mucho más lento.
• El almacenamiento terciario (cintas, respaldos en la nube) es para archivar: enorme, barato y lento.

¿Qué tan distintos son?

Las diferencias de velocidad son tan grandes que cuesta imaginarlas. Esta simulación usa tiempos aproximados y los estira: si un nanosegundo durara un segundo, ¿cuánto tardaría cada acceso?

<?php
declare(strict_types=1);

// Tiempos aproximados de acceso, en nanosegundos (lo que importa es el orden de magnitud)
$latencias = [
    'Registro de la CPU'               => 0.3,
    'Caché L1'                         => 1,
    'Caché L2'                         => 4,
    'Caché L3'                         => 15,
    'Memoria RAM'                      => 100,
    'SSD NVMe (leer un bloque)'        => 20_000,
    'SSD SATA (leer un bloque)'        => 100_000,
    'Disco duro (buscar y leer)'       => 5_000_000,
    'Paquete Santiago-EE.UU. y vuelta' => 150_000_000,
];

// ¿Y si un nanosegundo durara un segundo?
function aEscalaHumana(float $segundos): string
{
    return match (true) {
        $segundos < 60         => sprintf('%.1f segundos', $segundos),
        $segundos < 3_600      => sprintf('%.1f minutos', $segundos / 60),
        $segundos < 86_400     => sprintf('%.1f horas', $segundos / 3_600),
        $segundos < 31_536_000 => sprintf('%.1f días', $segundos / 86_400),
        default                => sprintf('%.1f años', $segundos / 31_536_000),
    };
}

foreach ($latencias as $nivel => $nanosegundos) {
    echo mb_str_pad($nivel, 34), aEscalaHumana($nanosegundos), PHP_EOL;
}

Si leer de la caché fuera tomar un papel del escritorio, leer de un disco duro sería esperar casi dos meses. Por eso el sistema operativo hace todo lo posible por no ir al disco.

Caché: tener a mano lo que se va a usar

Una caché es una memoria más rápida que guarda copias de datos que se usaron hace poco, apostando a que se van a volver a usar pronto. La idea se repite en cada nivel de la jerarquía:

• La caché del procesador guarda datos de la RAM.
• La RAM funciona como caché del disco: Linux usa la memoria libre para guardar archivos leídos recientemente (por eso free -h muestra memoria "en caché").
• El navegador guarda en disco copias de páginas que ya visitaste.

El problema de tener copias es la consistencia: si un dato cambia en un nivel, las copias de los otros niveles tienen que actualizarse.

Búfer y spooling

• Un búfer es memoria temporal que guarda datos mientras se transfieren entre dos partes que van a distinta velocidad, o que manejan bloques de distinto tamaño.
• El spooling usa el disco como búfer entre un proceso y un dispositivo lento, como la cola de impresión.

El arranque

Al prender el computador, la memoria principal está vacía. Un programa grabado en la placa, el firmware (UEFI), inicializa el hardware y carga el cargador de arranque desde el disco, que a su vez carga el kernel. A este proceso de levantarse "tirándose de los cordones de las botas" se le llama bootstrapping. En la práctica, se ve en Introducción a Linux.

Protección por hardware

Si muchos programas comparten el mismo computador, uno defectuoso o malicioso no puede poder:

• apoderarse del procesador para siempre;
• leer o escribir la memoria de otro;
• manejar los dispositivos a su antojo.

El sistema operativo no puede vigilar esto solo con software: necesita ayuda del hardware.

Operación en modo dual

La CPU tiene al menos dos modos de ejecución, marcados por un bit:

• Modo usuario: los programas normales. Solo pueden usar un subconjunto de instrucciones.
• Modo kernel (o supervisor): el sistema operativo. Puede ejecutar instrucciones privilegiadas, como las de E/S o las que cambian la configuración de la memoria.

Si un programa en modo usuario intenta una instrucción privilegiada, la CPU no la ejecuta: genera una trampa y el sistema operativo decide qué hacer (normalmente, terminar el programa).

Los procesadores x86 tienen cuatro niveles, llamados anillos (el kernel usa el 0 y los programas el 3), y los ARM tienen niveles de excepción (EL0 para programas, EL1 para el kernel, EL2 para un hipervisor).

Protección de E/S

Todas las instrucciones de entrada y salida son privilegiadas. Un programa no puede hablarle al disco directamente: tiene que pedírselo al sistema operativo mediante una llamada al sistema, que primero revisa que tenga permiso.

Protección de memoria

Cada programa solo puede acceder a su propio espacio de memoria. La forma más simple de lograrlo son dos registros:

• Registro base: la dirección más baja que el programa puede usar.
• Registro límite: el tamaño del rango permitido.

Cada vez que el programa accede a una dirección, el hardware verifica que esté entre base y base + límite. Si no, trampa. Y solo el sistema operativo, en modo kernel, puede cambiar esos registros.

Los computadores actuales usan un mecanismo más poderoso, la paginación, a cargo de un circuito llamado MMU, pero la idea es la misma. Lo veremos en el tema de memoria.

Protección de la CPU

¿Qué impide que un programa entre en un ciclo infinito y nunca devuelva el procesador? Un temporizador (timer): el sistema operativo lo programa antes de ceder la CPU, y cuando se cumple el tiempo, genera una interrupción que le devuelve el control. Así funciona el tiempo compartido. Cargar el temporizador, por supuesto, es una instrucción privilegiada.

Capas sobre capas

Un computador se puede ver como una pila de niveles, donde cada uno se construye sobre el de abajo:

El firmware y el microcódigo son software grabado en el hardware. Todavía importan: los fabricantes de procesadores publican actualizaciones de microcódigo para corregir fallas de seguridad, y Linux las carga al arrancar.

Ejercicios

Sigue con Estructura del sistema operativo.