¿Qué es un sistema operativo?

Pulsa una tecla con un editor de texto abierto. El teclado envía una señal eléctrica, y un driver dentro del sistema operativo la lee. El sistema operativo averigua qué ventana está delante, entrega la tecla a ese programa y el editor dibuja la letra. El editor nunca habla con el teclado. Guardar el archivo, reproducir un sonido y cargar una página web funcionan igual: los programas piden, y el sistema operativo hace el trabajo con el hardware.

Qué hace un sistema operativo

Un sistema operativo tiene un puñado de tareas, y todos los programas del ordenador dependen de todas ellas:

• Ejecutar programas (gestión de procesos). Un portátil con 8 núcleos de CPU puede tener unos cientos de programas y servicios en segundo plano en marcha. El planificador del SO da a cada uno turnos cortos en un núcleo, cambiando muchas veces por segundo, así que todos parecen ejecutarse a la vez.
• Gestionar la memoria. Cada programa recibe su propio espacio de direcciones privado. Cuando un programa lee memoria que no le pertenece, el SO lo detiene; en C esto es el famoso segmentation fault.
• Guardar archivos. El SO convierte un disco, que solo guarda bloques numerados de bytes, en carpetas y archivos con nombre, un caso de manual de abstracción. El formato se llama sistema de archivos: NTFS en Windows, APFS en macOS, ext4 en la mayoría de los sistemas Linux.
• Hablar con el hardware. Los drivers traducen entre el SO y cada dispositivo: tarjeta gráfica, chip Wi-Fi, impresora, webcam.
• Red. El SO implementa TCP/IP, así que un programa puede abrir una conexión con un servidor sin saber nada de la tarjeta de red.
• Seguridad y usuarios. Las cuentas, las contraseñas y los permisos de archivos deciden quién puede leer o cambiar qué.
• La interfaz de usuario. El escritorio, las ventanas y la barra de tareas, o una shell de texto como Bash o PowerShell.

El kernel y las llamadas al sistema

El núcleo de un sistema operativo es el kernel. Se ejecuta con control total del hardware, mientras que los programas normales se ejecutan en un modo restringido y no pueden tocar los dispositivos directamente. Cuando un programa necesita algo, hace una llamada al sistema (system call): una petición al kernel del tipo "abre este archivo", "envía estos bytes" o "inicia un proceso nuevo".

La mayor parte del tiempo no ves las llamadas al sistema porque tu lenguaje las envuelve. open() y print() de Python terminan en llamadas al kernel. El módulo os te permite hacerlas casi directamente:

import os
import platform

print("Operating system:", platform.system())
print("My process ID:", os.getpid())
print("CPU cores:", os.cpu_count())

# Ask the OS to create a file and write bytes into it
fd = os.open("note.txt", os.O_WRONLY | os.O_CREAT | os.O_TRUNC)
os.write(fd, b"saved by a system call\n")
os.close(fd)

print("File size:", os.path.getsize("note.txt"), "bytes")

El ID de proceso y el número de núcleos dependen de la máquina; la última línea siempre imprime File size: 23 bytes. os.open devuelve un descriptor de archivo, un número pequeño que el kernel usa para seguir el archivo abierto, y os.write le envía 23 bytes. En C las mismas peticiones son casi idénticas, porque estas funciones son envoltorios finos sobre las llamadas al sistema:

int fd = open("note.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
write(fd, "saved by a system call\n", 23);
close(fd);

En Linux puedes ver cada llamada al sistema que hace un programa con strace python3 script.py.

Ejemplos y tipos de sistemas operativos

Además de estos sistemas de uso general existen los sistemas operativos de tiempo real, como FreeRTOS y Zephyr, que funcionan en microcontroladores de electrodomésticos, sensores y máquinas industriales y garantizan una respuesta dentro de un tiempo fijo. Muchos dispositivos pequeños llevan sistemas embebidos creados para un único propósito.

La tabla muestra que un mismo kernel puede mover productos muy distintos. Android y ChromeOS usan los dos el kernel de Linux con su propio software encima, e iOS comparte kernel con macOS.

Por qué importa el sistema operativo cuando programas

Un programa compilado se construye para un sistema operativo concreto. Un .exe de Windows no se ejecuta de forma nativa en Linux, ni siquiera en el mismo ordenador, porque el formato de archivo y las llamadas al sistema son distintos. Por eso las páginas de descarga ofrecen versiones separadas, y por eso existen entornos de ejecución como la JVM, Node.js y CPython: se construyen una vez por sistema operativo para que tu código no tenga que hacerlo. Consulta entorno de ejecución.

Aun así se cuelan pequeñas diferencias. Ejecuta esto y compáralo con un amigo que use otro sistema:

import os

print("Path separator:", repr(os.sep))
print("Line ending:", repr(os.linesep))
print(os.path.join("projects", "notes", "todo.txt"))

En Linux y macOS imprime:

Path separator: '/'
Line ending: '\n'
projects/notes/todo.txt

En Windows el separador es '\\' (una sola barra invertida), el final de línea es '\r\n' y la ruta pasa a ser projects\notes\todo.txt. Usar os.path.join (o pathlib) en lugar de escribir / a mano es lo que hace que un script funcione en los tres.

Ideas equivocadas frecuentes

• "Linux es un sistema operativo." En sentido estricto, Linux es un kernel. Una distribución de Linux como Ubuntu añade la shell, las herramientas del sistema, un gestor de paquetes y normalmente un escritorio para formar un sistema operativo completo. En el habla cotidiana a los dos se les llama Linux.
• "La BIOS forma parte del sistema operativo." El firmware BIOS o UEFI está en la placa base. Comprueba el hardware, después carga el sistema operativo desde el disco y con eso termina su tarea principal.
• "El escritorio es el sistema operativo." El escritorio es un programa más por encima del kernel. Los servidores suelen funcionar sin ningún escritorio, controlados solo desde una shell de texto.
• "Las aplicaciones hablan con el hardware." Los programas normales no tienen permiso. Cada lectura de archivo, cada paquete de red y cada píxel en pantalla pasan por el sistema operativo, y por eso una aplicación que falla normalmente no arrastra consigo a todo el ordenador.

Qué leer después

El sistema operativo es la capa inferior; el entorno de ejecución está entre él y tu código. La protección de memoria es lo que produce un segmentation fault, y la página del byte explica la unidad que usa el SO para archivos y memoria. Para controlar un sistema operativo desde su shell de texto, prueba el curso de terminal.