La organización de los sistemas operativos ha evolucionado desde los monitores residentes como DOS hasta los modernos sistemas multiproceso como Solaris. A continuación revisamos algunas de las componentes que debe incluir todo sistema operativo moderno.
El núcleo es la componente del sistema operativo que siempre está residente en la memoria real del computador. La función primordial del núcleo es transformar los recursos reales del computador en recursos estándares y cómodos de usar.
Es así como el núcleo transforma un procesador real con su memoria finita en un número prácticamente ilimitado de procesadores virtuales o procesos. Cada proceso dispone de su propio tiempo de CPU, una memoria extensible y mecanismos estándares para interactuar con los dispositivos, sin importar los detalles físicos de su implementación.
Una API (Interfaz de Programación de Aplicaciones) es el conjunto de servicios que ofrece un sistema a las aplicaciones usuarias de ese sistema. Las aplicaciones invocan estos servicios a través de llamadas a procedimientos. La API queda definida por lo tanto por los nombres de estos procedimientos, sus argumentos y el significado de cada uno de ellos.
El conjunto de servicios que ofrece el núcleo a los procesos se denomina la API del núcleo. Está formada por procedimientos pertenecientes al núcleo, pero que se invocan desde un proceso cualquiera. La invocación de uno de estos procedimientos es una llamada al sistema.
Ejemplos de llamadas al sistema en Unix son:
Estas llamadas se implementan usualmente con una instrucción de máquina que provoca una interrupción. Esta interrupción hace que el procesador real pase a modo sistema e invoque una rutina de atención perteneciente al núcleo y que ejecuta la llamada al sistema. Los argumentos de la llamada se pasan a través de los registros del procesador.
La operación de los dispositivos es altamente dependiente de su implementación. Es así como un disco SCSI se opera de una forma distinta de un disco IDE. Para independizar el código del núcleo de los variados mecanismos de interacción con los dispositivos, el núcleo define clases de dispositivos. Ejemplos de clases son disco, cinta, puerta de comunicación, interfaz de red, etc. Para cada clase se define una interfaz estándar para interactuar con cualquier dispositivo que pertenezca a la clase. Esta interfaz corresponde a las declaraciones de un conjunto de procedimientos no implementados.
Un driver es el código que implementa una interfaz estándar para interactuar con un dispositivo específico, como por ejemplo un disco SCSI. Este código es por lo tanto altamente dependiente de los discos SCSI y no funcionará con discos IDE. Sin embargo, el núcleo interactúa con este driver para discos SCSI de la misma forma que lo hace con el driver para discos IDE, es decir a través de la misma interfaz.
La visión que tiene el núcleo de un disco a través de un driver es la de un arreglo de bloques de 512 o 1024 bytes de taman o fijo. El núcleo puede leer o escribir directamente cualquiera de estos bloques haciendo uso de la interfaz estándar de la clase disco.
Por otra parte, la visión que tiene el núcleo de una cinta es la de un conjunto de bloques de taman o variable que sólo pueden leerse o grabarse en secuencia. También puede rebobinar esta cinta para volver a leerla o grabarla. Todo esto a través de la interfaz estándar de la clase cinta.
En Unix una aplicación puede accesar una partición de un disco en su formato nativo abriendo por ejemplo /dev/sd0a.
Es usual que los drivers estén siempre residentes en la memoria real y por lo tanto son parte del núcleo. Sin embargo la tendencia es que los drivers son módulos que se cargan dinámicamente si es necesario. También existen drivers que corren como un proceso --como cualquier aplicación-- y por lo tanto corren en modo usuario (por ejemplo el servidor X de X-windows).
El sistema de archivos es la componente del sistema operativo que estructura un disco en una jerarquía de directorios y archivos. Conceptualmente multiplexa un disco de taman o fijo en una jerarquía de discos de taman o variable o archivos.
Dada esta equivalencia conceptual entre discos y archivos no es raro que ambos se manipulen con las mismas llamadas al sistema: open, read, write, close y lseek (esta última mueve la cabeza del disco hacia un bloque determinado).
Es usual que el sistema de archivos sea parte del núcleo. Por lo demás la motivación inicial de muchos sistemas operativos como Unix era el de ofrecer un sistema de archivos a un único proceso. Por algo DOS significa Disk Operating System y por ello es natural que forme parte del núcleo. Sin embargo hay sistemas operativos que ofrecen el sistema de archivos como parte de un proceso que no es parte del núcleo.
El intérprete de comando (o shell) se encarga de leer las órdenes interactivas del usuario y ejecutar los programas que el usuario indique.
Usualmente el intérprete de comandos es un proceso más del sistema operativo y no forma parte del núcleo. Por ejemplo Unix ofrece varios intérpretes de comandos ( sh, csh y sus variantes). El intérprete de comandos de DOS se encuentra en COMMAND.COM.
A continuación revisamos la estructura de algunos sistemas operativos.
En sus primeras 3 versiones, DOS era realmente un monitor residente
que se situaba entre una aplicación y el Hardware/ROM de un PC (ver
figura 
). Los objetivos del sistema no eran ambiciosos
puesto que debía correr en computadores con poca memoria.
Figure: Organización del Software en un PC
El núcleo de DOS implementaba un sistema de archivos jerárquico y da acceso a puertas seriales y paralelas. El sistema es estrictamente mono-proceso y la memoria se limita a los primeros 640 KBytes de la memoria descontando lo que ocupa el mismo DOS. Un programa puede llamar a la API de DOS a través de la instrucción de máquina INT que provoca una interrupción.
Dado que la Intel 8088 no ofrecía modo dual ni mecanismos para implementar espacios de direcciones virtuales, tanto DOS como el proceso en ejecución corren en el mismo modo y espacio de direcciones. Esto no es un problema en un sistema mono-usuario y mono-proceso y que por lo tanto no necesita un mecanismo de protección.
Los drivers no son parte de DOS, sino que vienen en la memoria ROM de un PC. Esta componente se llama BIOS (Basic Input Output System) y puede ser invocada directamente por la aplicación sin pasar por DOS. Lamentablemente la BIOS no incluye los drivers suficientemente generales para manejar apropiadamente los distintos dispositivos. Esto obliga a que las aplicaciones deban accesar directamente el hardware para operaciones tan simples como dibujar una línea en la pantalla.
Hoy en día DOS sí implementa en una forma rudimentaria múltiples procesos, cada uno en su propio espacio de direcciones. Sin embargo DOS debe permitir que estos manipulen directamente los dispositivos (sin hacerlo a través de DOS) para garantizar la compatibilidad con las antiguas aplicaciones. Por ello DOS no puede ofrecer verdadera protección entre procesos.
Todas estas variantes de Unix tienen estructura similar (ver figura
). El núcleo incluye los drivers y el sistema de
archivos.
Figure: Estructura de un Sistema Unix tradicional.
Además de los servicios de la API del núcleo, Unix ofrece muchísimos otros servicios a través de procesos demonios, que corresponden a procesos que siempre están corriendo. Entre estos se cuentan los servicios de spooling, mail, news, www, etc.
El núcleo de estos sistemas operativos está disen ado con el enfoque minimalista: sólo ofrece el servicio de manejo de procesos e intercomunicación entre procesos a través de una API no estándar. El sistema de archivos, los drivers y cualquier otro servicio queda fuera del núcleo y son ofrecidos por medio de procesos.
Ambos sistemas son compatibles con Unix System V gracias a un proceso que implementa la API estándar de Unix. Las llamadas de sistema de un proceso Unix se implementan enviando mensajes al proceso de la API que ejecuta la llamada y devuelve el resultado en otro mensaje.
El interés de este tipo de sistemas es que pueden implementar varias APIs no sólo la de Unix, sino que también la de Windows o la de Macintosh, etc., cada una de estas APIs se implementan en procesos independientes.