Obsérvese que esta forma de realizar las operaciones de E/S nos lleva a una situación en la que en un momento dado se tiene que, o bien la CPU está ejecutando instrucciones de un programa que no son de E/S, y los dispositivos de E/S están ociosos, o bien un único dispositivo de E/S está trabajando, mientras la CPU está en un ciclo comprobando si ha finalizado la operación. Esto se ilustra en la figura 6.1, donde los rectángulos rellenos a trazas representan el ciclo de comprobación. Para dar una medida de la infrautilización de los recursos que conlleva esta forma de realizar las E/S, piénsese que en el tiempo en que una impresora imprime una línea, la CPU, en lugar de ejecutar el ciclo de comprobación que aparece líneas más arriba, podría ejecutar millones de instrucciones de otro programa. A esta forma de realizar la E/S de los sistemas de monoprogramación se le llama E/S controlada por programa.

Para paliar la baja utilización de los recursos se desarrolló la multiprogramación. La multiprogramación se apoya en varios elementos del hardware: la interrupción, el DMA y el canal. En un sistema multiprogramado la memoria principal alberga a más de un programa de usuario. La CPU ejecuta instrucciones de un programa, cuando el programa en ejecución (es decir, el que ocupa la CPU) realiza una operación de E/S, emite ciertas órdenes al controlador (al igual que en los sistemas monoprogramados); pero en lugar de esperar a que termine la operación de E/S comprobando el bit de ocupación, se pasa a ejecutar otro programa. Si este nuevo programa realiza, a su vez, otra operación de E/S, se mandan las órdenes oportunas al controlador, y pasa a ejecutarse otro programa. Esto permite que varios dispositivos trabajen simultáneamente, además, en la CPU no se tienen que ejecutar ciclos de comprobación del estado de los dispositivos.

Esto se ilustra en la figura 6.2, en ella P1, P2 y P3 representan programas que residen en la memoria principal. Los rectángulos representan si el recurso está siendo utilizado, salvo para P1, P2 y P3 que representan si el programa ocupa la CPU. Al principio se está ejecutando P1, cuando inicia una operación de E/S con la impresora se cede la CPU a P2. P2 se ejecuta hasta que comienza una operación con el scanner, entonces se cede la CPU a P3, éste se ejecuta hasta que utiliza la impresora, momento en el cual se reanuda P1. Obsérvese que en este ejemplo la CPU siempre está activa. No obstante, podría suceder que todos los programas que residen en la memoria inicien una operación de E/S y en un momento dado todos estén esperando la finalización de su operación, esto conllevaría la no utilización de la CPU hasta que acabe la operación de E/S de cualquiera de los programas.

Cuando un dispositivo acaba una operación de E/S debe de poder comunicárselo al programa que espera su finalización, para que así, el programa pueda proseguir su ejecución. Para indicar el fin de la operación el controlador manda una interrupción a la CPU. Una interrupción no es más que una señal eléctrica que provoca que el contador del programa y la PSW del programa en ejecución se salven en un lugar seguro de memoria, para, a continuación, cargar el contador de programa con una dirección fija de memoria donde reside un programa del sistema operativo que gestiona la interrupción. Este programa ejecutará cierto código para indicar al programa que esperaba la finalización de la operación de E/S que ésta ya terminó. Una vez que este programa del sistema operativo acaba su trabajo ejecuta una instrucción de retorno de interrupción, la cual restaura el contador de programa y la PSW del programa interrumpido, prosiguiéndose así su ejecución sin que éste sea consciente de que ha sido interrumpido. A esta forma de realizar la E/S se le llama E/S controlada por interrupción.

Analicemos ahora el DMA y el canal. Cuando un dispositivo realiza una operación de E/S, por ejemplo, una lectura de una cinta, la información leída pasa al buffer del controlador. Después, el programa que inició la lectura ejecuta ciertas instrucciones para copiar esta información desde el buffer hacia la memoria principal. La copia se realiza mediante un ciclo, copiando en cada iteración del ciclo un byte o una palabra desde el buffer del controlador a la memoria principal. En un controlador que disponga de DMA (acrónimo de Direct Memory Access, acceso directo a memoria) la copia del buffer a memoria la realiza el propio controlador; para ello, el programa ha de indicarle al controlador la dirección de memoria de inicio de la copia y el número de bytes a copiar, esto lo hace en el momento de darle la orden de E/S, metiendo esta información en algunos registros del controlador. Pasemos ahora a ver lo que es un canal, un canal es un pequeño procesador de E/S (es decir, un ordenador que sólo entiende instrucciones de E/S), su utilidad es proporcionar DMA a varios dispositivos, resultando más económico que tener un controlador DMA por dispositivo.

Después de la aparición de la multiprogramación surgieron los ordenadores de acceso múltiple o multiusuario. En ellos cada usuario dispone de un terminal, es decir, un teclado y una pantalla conectados al ordenador. Los usuarios ejecutan programas interactivos. Un programa interactivo es aquel que se comunica con el usuario por medio de un terminal, el usuario le suministra información al programa mediante el teclado, y recibe información del programa a través de la pantalla. Los programas de los usuarios comparten los recursos (CPU, memoria, discos, impresoras, etc) del ordenador. Estos sistemas hacen uso de una variante de la multiprogramación llamada tiempo compartido.

En el tiempo compartido los programas de los distintos usuarios residen en memoria; al realizar una operación de E/S los programas ceden la CPU a otro programa, al igual que en la multiprogramación. Pero, a diferencia de ésta, cuando un programa lleva cierto tiempo ejecutándose sin realizar operaciones de E/S el sistema operativo lo detiene para que se ejecute otro programa. Con esto se consigue repartir la CPU con equidad entre los programas de los distintos usuarios. Al tener la CPU una capacidad de cálculo tan grande, los programas de los usuarios no se sienten demasiado ralentizados por el hecho de que la CPU (y los demás recursos) sean compartidos.

Definamos ahora el término concurrencia. Por concurrencia se entiende la existencia de varias actividades simultáneas o paralelas. Ejemplo de ello lo constituyen la superposición de las operaciones de E/S con el proceso de computación. Otro ejemplo lo constituye la concurrencia de varios programas que se conmutan en un procesador. Aunque esta concurrencia no es real en un instante dado (si sólo existe un procesador), sí es real en un intervalo más amplio de tiempo.

En general, a lo largo del curso estudiaremos sistemas operativos que se ejecutan sobre un único procesador. Los sistemas distribuidos prácticamente no se tendrán en cuenta. Cuando se hable de algo aplicable a un sistema multiprocesador (memoria compartida) se observará explícitamente.