Sistemas Operacionais

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1 Sistemas Operacionais Contempla: visão geral de sistemas operacionais, DOS e Windows Versão 2.7 Agosto de 2014 Prof. Jairo Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 1 / 45

2 Sistemas Operacionais O conteúdo apresentado em "Sistemas Operacionais" tem como finalidade servir de guia didático e visa fornecer conhecimentos básicos em sistemas operacionais. Sua origem vem das notas de aula do Prof. Jairo, portanto é um conteúdo acadêmico com intenção de auxiliar no ensino da disciplina "Prática em Sistemas Operacionais" ministrado nos cursos de Ciência da Computação, Sistemas de Informação e Tecnólogos (curso técnicos). O conteúdo aqui exposto pode ser livremente redistribuído e usado como apoio de aula, desde que mantendo a sua integridade original. O arquivo "jairo so.pdf" está em: so.pdf Qualquer crítica ou sugestão, favor entrar em contato com o Prof. Jairo no endereço eletrônico ou São Paulo, 10 de agosto de Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 2 / 45

3 SISTEMAS OPERACIONAIS Sumário 1 Introdução Tipos de Sistemas Operacionais Sistema monotarefa Sistema multitarefa Sistema multiusuário Sistema de programas em lote Sistema de tempo real Sistema descentralizado Sistema centralizado Sistema distribuído Sistema cliente servidor Sistema baseado na 3 Conceitos Gerais Arquitetura de computador IBM PC Arquitetura de sistema operacional Chamadas de sistema (system calls) Programas de sistema Interpretador de comandos (shell) Arquivos Ambiente gráfico Principais Sistemas Operacionais Histórico DOS Origem DOS Compatible Versões DOS FAT Comandos básicos DOS Exemplo de uso da linha de comando Windows Histórico Versões Windows Windows NT Sistema de arquivo do NT Organização da rede Windows Árvore de domínio [Domain tree] Registro do Windows Interface do Windows OS/ UNIX...43 Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 3 / 45

4 4.6 Linux...44 Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 4 / 45

5 1 - Introdução Prática em Sistemas Operacionais A palavra computador vem do inglês computer, que tem sua origem no verbo to compute (computar, calcular). Ou seja, computer é a entidade que realiza cálculos eficazmente pois foi construída para tal. Inicialmente voltado para as Universidades e Institutos de pesquisa, onde sempre houve a necessidade de resolver problemas matemáticos, o computador foi criado com a intenção de agilizar a solução numérica de equações. Nesse início de século 21, diferentemente dos primórdios há várias décadas atrás, o computador já está bem inserido tanto no mercado de trabalho corporativo quanto ambiente doméstico, chegando ao ponto de ser considerado uma máquina indispensável à sociedade científica/tecnológica em que vivemos. Diferente das outras máquinas, para um computador funcionar é necessário duas partes complementares: o hardware e o software. Hardware é a parte física (aquelas partes que podem ser jogadas na parede...), já software é a parte lógica (a parte que normalmente é xingada...). Por exemplo, um disquete é hardware, já os arquivos e diretórios (pastas) que ele contém são software. Mas nem sempre foi assim. No passado os computadores eram mecânicos e, é claro, não tinham circuitos eletro/eletrônicos nem software. Nesse caso, a sua operação era totalmente manual. Mesmo depois do surgimento do computador digital como conhecemos hoje, nas suas fases iniciais ainda não havia software. Com a evolução e conseqüente aumento da complexidade do computador, foi necessário introduzir o conceito de software que representa, basicamente, uma técnica para permitir programar logicamente a máquina para que ela efetue determinada tarefa. Programar usualmente consiste em codificar um conjunto de instruções numa dada linguagem de programação semelhante à linguagem humana, por isso chamada de linguagem de alto nível e posteriormente traduzir essas instruções para a linguagem da máquina (linguagem de baixo nível), que passa então a poder executar essas intruções. Hoje em dia o computador é tão complexo que existe até um software básico, chamado Sistema Operacional, que serve de interface entre o software aplicativo (por exemplo, o processador de textos OpenOffice 1 ) e a máquina física (hardware) onde ele roda. O sistema operacional é o primeiro software a ser instalado num computador. Os demais softwares de um modo geral os aplicativos são escritos para rodar sobre esse sistema operacional. Podemos também imaginar o sistema operacional como uma estrutura composta de gerentes lógicos encarregados de organizar e otimizar o funcionamento do computador. O sistema operacional é composto de um kernel (núcleo) que faz a interface de comunicação entre o hardware e software aplicativo. Nos sistemas modernos, esse núcleo é 1 Nota do autor: "Práticas em Sistemas Operacionais" foi escrito integralmente com o processador de texto Open Office Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 5 / 45

6 representado por uma camada (casca) que envolve o hardware, isolando o completamente do acesso direto pelos demais aplicativos. Nessa sistuação, o núcleo se comporta como um "árbitro" entre software aplicativo e hardware, e um dos benefícios é que todo o acesso aos recursos são intermediados pelo núcleo. Com isso os conflitos e conseqüentes travamentos da máquina são minimizados. Entre outras funções, o núcleo gerencia o processador (CPU Central Process Unit), o uso da memória, os processos, o Input e Output (I/O Entrada/Saída) de dados, o armazenamento e acesso aos dispositivos. Além do núcleo, também faz parte do sistema operacional um conjunto de utilitários que têm por função básica facilitar essa comunicação com o computador. Em muitos sistemas modernos desenvolvidos para trabalharem como estação de trabalho existe uma interface gráfica através da qual o usuário interage com o sistema usando um dispositivo apontador (mouse). No caso de um sistema operacional servidor, normalmente não existe a figura do usuário interativo pois o acesso é feito pela rede, então em muitos casos também não existe uma interface gráfica nem teclado, mouse e/ou monitor. Mas mesmo nesse caso o software servidor (aquele que atende aos processo clientes na rede) precisa se comunicar eficientemente com o hardware que hospeda (host) esse serviço, daí a necessidade do sistema operacional com características de servidor. Por outro lado, explicitar vantagens não implica em dizer que o computador moderno não possa funcionar sem sistema operacional, mas apenas que ficaria muito mais difícil programar e operar essa máquina sem a presença de um sistema. Por exemplo, num computador sem sistema operacional, o software aplicativo precisaria ter embutido todo um conjunto de funções de comunicação com o hardware, que por sua vez "engordaria" excessivamente o código desse aplicativo. Além disso, toda a interface de comunicação com o usário (o operador) também precisaria estar embutida nesse aplicativo. Para piorar, um outro programa aplicativo escrito para esse mesmo computador também precisaria ter embutido todo esse conjunto de bibliotecas de comunicação. Logo, fica evidente que a criação e subseqüente desenvolvimento dos sistemas operacionais partiu de uma necessidade de racionalização de uso de recursos e padronização de interface usuário/máquina. Como o próprio hardware evolui ao longo do tempo a cada instante surgem máquinas novas mais rápidas e com mais recursos é correto concluir que o sistema operacional também deva evoluir acompanhando essa tendência. Como o sistema operacional é um software básico, a sua evolução também implica em fornecer novos recursos às novas gerações de software aplicativo que é o que o usuário/operador de fato vê e utiliza no computador. Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 6 / 45

7 2 Tipos de Sistemas Operacionais Existe uma grande variedade de tipos de sistemas operacionais, onde cada qual é escrito para atender a um conjunto de necessidades operacionais. Por exemplo, um sistema de tempo real é utilizado naqueles casos onde o processamento da informação e conseqüente tomada de decisão deva ocorrer muito rapidamente, como é o caso de um sistema de direcionamento de um míssel. Nesse exemplo, se a resposta não retornar rapidamente nada mais restará a fazer depois. Já um sistema servidor não necessariamente precisa atender a seus clientes em tempo real, mas ainda assim não deve deixá los esperando muito tempo. Os usuários ou operadores de computador nem percebem essa gama diversificada de sistemas específicos, pois tudo que necessitam e mais gostam é de uma interface gráfica padronizada para interagir com o sistema e a partir daí desenvolver seu trabalho usando alguns softwares aplicativos. Nesse caso, o sistema operacional propriamente dito está posicionado numa camada (casca) abaixo do ambiente gráfico, transparente para o usuário. Outro aspecto interessante está na rede de computadores, onde muitas vezes recursos remotos (isto é, não locais) aparentam ser locais para o usuário. Mesmo por razões históricas, uma compreensão apropriada dos tipos de sistemas operacionais envolve classificá los considerando recursos locais e remotos. Inclusive, a célebre frase de Scott McNealy "a rede é o computador" nos anos 1980 nunca foi tão verdadeira quanto atualmente. Merece também destaque o fato de que muitos equipamentos os quais usamos hoje, que nitidamente não podem ser tratados como computadores, possuem sistema operacional. É o caso de equipamentos de rede (por exemplo, routers e switches), celulares e disposistivos de TV como o WebTV, que permite acesso à internet a partir de um aparelho de televisão. Tirando o aspecto rede, podemos classificar os sistemas em monotarefa, multitarefa, multiusuário, programas em lote e de tempo real. Apesar do paradoxo, podemos ter um sistema multiusuário num conceito de terminais burros, onde todos os recursos, incluindo o processamento, é centralizado e a comunicação entre os terminais e o computador central não caracteriza necessariamente uma rede de computadores. Já considerando se a rede temos os sistemas descentralizados, centralizados, distribuídos, cliente servidor e baseado na WWW. Embora alguns desses conceitos aparentemente estejam relacionados apenas ao tipo do acesso em rede, na verdade eles têm implicações na própria arquitetura do sistema operacional (Item 3.3). 2.1 Sistema monotarefa É aquele sistema que somente consegue executar uma tarefa de cada vez. Ou seja, o usuário precisa esperar o sistema concluir uma tarefa para poder executar outra. A monotarefa também é chamada de monoprogramação. Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 7 / 45

8 Um exemplo clássico é o MS DOS, sistema que foi construído no início dos anos 1980 para equipar um computador pessoal bastante simples, econômico e sem recursos de rede, o então IBM PC. 2.2 Sistema multitarefa O sistema multitarefa consegue executar mais de uma tarefa simultaneamente. Num exemplo, o usuário pode abrir determinado software aplicativo, minimizá lo, abrir outro aplicativo e continuar trabalhando normalmente, ora lendo/escrevendo num, ora no outro. Nesse caso, o sistema precisa implementar algum método de escalonamento, que consiste em arbitrar quando um aplicativo irá usar os recursos de CPU (processamento) e por quanto tempo será esse uso. Num sistema multitarefa, o usuário tem a impressão de que as suas tarefas estão sendo realizadas simultaneamente, mas na verdade a CPU somente pode processar uma atividade (processo) de cada vez, daí a necessidade do escalonador ceder tempo de uso de CPU para determinado processo e depois retirar. A multitarefa também é chamada de multiprogramação. Exemplo: Windows NT 4.0 workstation. 2.3 Sistema multiusuário O sistema é multiusuário quando consegue atender mais de um usuário simultaneamente. A idéia do sistema multiusuário vem de algumas décadas atrás, quando o custo do hardware ainda era muito elevado, então nessa época todos os recursos computacionais precisavam ser compartilhados para diminuir (ou diluir) esse custo. É dessa época que vem o conceito de terminais burros, ou seja, os recursos computacionais (CPU, memória RAM, disco, impressora, etc.) estão num computador central e os usuários acessam esse computador através de terminais remotos, ditos "burros" por não terem capacidade computacional nem disco. Convém notar que esse acesso via terminal, embora remoto, não se encaixa na definição de rede de computadores. Atualmente, os sistemas multiusuários normalmente atendem seus usuários num acesso em rede, geralmente usando o protocolo padrão TCP/IP. 2.4 Sistema de programas em lote O sistema de programas em lote (batch programs) dominou a computação desde a década de 1950 até o começo da década de 1970 e tinha por característica codificar os comandos (instruções para o sistema) em cartões ou fita perfurados que eram então colocados em uma leitora para que o sistema operacional pudesse ler e interpretar seqüencialmente. Embora ultrapassado, esse modo de processamento em lote ainda é muito útil e existe hoje no conceito batch: um usuário escreve num arquivo de texto os comandos do sistema que quer executar, submete essa tarefa e então pode até se desconectar que o sistema irá seguir executando Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 8 / 45

9 seqüencialmente a lista de tarefas. A utilidade prática então é permitir executar em background tarefas repetitivas que não necessitem do usuário interativo. Mais interessante, agora o sistema operacional tem a liberadade de não precisar mais fornecer uma resposta rápida, poupando então recursos computacionais para os usuários interativos que não querem enfrentar a resposta lenta que ocorre quando o sistema está sobrecarregado. 2.5 Sistema de tempo real O sistema de tempo real é necessário quando se exige respostas imediatas. Os usuários interativos preferem respostas rápidas, mas no caso do sistema de tempo real uma resposta muito rápida é necessária. Por exemplo, um sistema de controle de tráfego aéreo deve ser capaz de processar e manter a localização, altitude, velocidade e direção de todos os aviões nas cercanias de um aeroporto: qualquer atraso nessa resposta poderá ir além de um simples inconveniente e se tornar um sério acidente. Um outro exemplo clássico é o caso do direcionamento automático da trajetória de um míssil, que deve acionar comandos rapidamente e não depois que o míssel já destruiu o alvo errado. 2.6 Sistema descentralizado Em um ambiente descentralizado, cada usuário cuida do seu sistema, dos seus aplicativos e dos seus dados (arquivos). Contudo, essa independência pode levar a duplicação de dados e inconsistências, além de redundâncias desnecessárias. Além dos problemas já citados, essa implementação também implica em maiores custos de hardware, manutenção, suporte e operação. O sistema descentralizado somente está sendo citado aqui para efeito de comparação com o próximo item, que é o sistema centralizado. Afinal, sistema descentralizado está relacionado ao ambiente de trabalho adotado em determinada organização, e não especificamente a um tipo de sistema operacional. 2.7 Sistema centralizado No sistema centralizado, um único computador acomoda os dados e recursos computacionais da organização. Neste caso, o acesso ao computador central se dá a partir de terminais remotos que formam um conjunto chamado de rede de terminais. Porém, tecnicamente em alguns casos essa construção não pode ser classificada como rede de computadores. A sua principal vantagem reside na economia obtida pela aquisição de um único sistema centralizado ao invés de vários computadores descentralizados, além de facilitar as operações de gerenciamento, suporte e comunicação entre os usuários. No passado esse sistema era chamdo de "terminal burro da IBM", mas hoje em dia apesar de quase extinto esse conceito está renascendo justamente pela redução de custos que proporciona quando comparado com o sistema descentralizado. Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 9 / 45

10 Convém citar que esse "renascimento" ocorre agora dentro de um conceito de ambiente em rede, através de um protocolo padronizado de comunicação. Aqui, redução de custos não significa apenas economia de hardware e software, mas também está sendo levado em conta o fato de que máquinas completas (inclusive com um sistema operacional e aplicativos instalados no disco rígido) estão mais suscetíveis a problemas que acarretam custos de help desk e suporte técnico. A única desvantagem reside no próprio sistema centralizado, que é um ponto de falha único: se ele parar, toda a organização irá parar também. 2.8 Sistema distribuído Um sistema distribuído consiste de computadores independentes conectados uns aos outros via rede, mas com a diferença de que os recursos são disponibilizados na rede de forma transparente ao usuário. Teoricamente, implica em dizer que os usuários nem percebem que esses recursos estão disponíveis na rede e não na máquina local. Aliás, é essa a diferença entre sistema distribuído e rede de computadores: no primeiro caso o usuário vê um único sistema e acha que todos os recursos são locais, no segundo caso o usuário precisa explicitamente solicitar pelo recurso na rede. Numa definição resumida, um sistema distribuído representa um caso especial de rede, e a principal distinção entre eles está no software de comunicação e não no hardware. Este software é usualmente denominado de sistema operacional de rede. Dessa definição conclui se que o sistema operacional de rede é independente do sistema operacional nativo naquele computador, ou seja, trata se de uma "casca" adicional que fornece acesso em rede baseado num protocolo específico. Como exemplo temos o NetWare da Novell. No caso dos sistemas Sun Solaris, HP UX e reencarnações do Windows 2000 (só para citar alguns exemplos), eles já possuem "embutido" esse suporte à rede oferecido pelo sistema operacional de rede, então nesse contexto eles são considerados como sistemas operacionais compatíveis com redes. Do ponto de vista do acesso em rede, o sistema distribuído é dito ponto a ponto pelo acesso ser um para um, diferente do modelo cliente servidor (item 2.9) que é muitos para um. Nesse caso, como cada estação se comporta simultaneamente tanto como cliente quanto servidor, é necessário que os recursos que possam ser acessados em determinada estação sejam antes marcados como disponíveis nessa rede. Por exemplo, temos o MacOS da Apple e os Windows 9.x/NTs, onde os recursos a serem disponibilizados precisam ser antes compartilhados. A vantagem desse sistema é justamente a simplicidade e facilidade de instalação, administração e uso. Contudo, o sistema distribuído é menos confiável que o sistema cliente servidor, Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 10 / 45

11 e em geral requer estações de trabalho mais poderosas para algumas atividades, como é o caso de compartilhar uma base de dados ao invés de disponibilizá la num servidor de banco de dados. Nesse exemplo específico, não apenas as estações envolvidas no compartilhamento sofrem, como também a rede fica sobrecarregada pelo tráfego de dados excessivos e desnecessários. Parece claro que o aspecto dimensão da rede afeta a melhor escolha do sistema a ser implantado, de um modo geral se a rede for pequena (poucas estações de trabalho) o sistema distribuído é ideal, já se a rede for grande deve se partir para o sistema cliente servidor. E até a obrigatoriedade da instalação do mesmo sistema operacional de rede pode ser relaxada no caso de se conhecer o protocolo de comunicação em rede. É o caso do compartilhamento de recursos do Windows que usa o SMB (server message block), que por ser conhecido permite aos sistemas Unix instalarem o servidor (serviço) e/ou cliente Samba que permite a comunicação tipo sistema distribuído entre Windows e Unix. 2.9 Sistema cliente servidor Atualmente, a maioria das aplicações em rede ocorre num paradigma cliente servidor. Como o próprio nome diz, nessa transação existem duas partes envolvidas: a do cliente, na forma de um processo cliente gerado por algum aplicativo (por exemplo, navegador da internet), e a parte do servidor, também na forma de um processo (por exemplo, serviço ou servidor web). No caso do processo cliente, ele é gerado para conectar e transferir os dados para o processo servidor, que precisa estar o tempo todo "escutando" por alguma requisição do cliente. Um exemplo clássico é a impressora de rede: o cliente usa determinado aplicativo que, ao solicitar que imprima, gera um processo cliente que conecta no processo servidor, esse último já na impressora. Aqui, a rede é um veículo que transporta os dados da estação de trabalho do cliente para o servidor de impressão através de um protocolo de comunicação comum às duas partes envolvidas nessa transação. Convém notar que esse acesso é diferente do caso já citado acima, sistema distribuído, pois agora o usuário precisa manifestar a intenção em imprimir em determinada impressora, nitidamente fora do seu computador desktop. Outro aspecto do modelo cliente servidor é o protocolo de comunicação (normalmente TCP/IP) padronizado tanto para o cliente quanto servidor, além da porta de acesso (porta TCP) no servidor, que também deve se padronizada e por isso mesmo conhecida do aplicativo cliente. Com isso, tanto cliente quanto servidor têm a liberade de usar o sistema operacional que for mais eficiente para a tarefa em questão, pois toda a comunicação está baseada num protocolo de comunicação em rede que é comum às duas partes envolvidas. É por essas características de comunicação em rede, além do desejo de otimizar o uso de recursos de hardware, que são construídos sistemas operacionais voltados para tarefas específicas em rede, e é daí que vem o conceito de sistema operacional desktop (estação de trabalho) e servidor. Por exemplo, o Windows98 descende do MS DOS, um sistema tipicamente desktop, já os sistemas Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 11 / 45

12 operacionais da famíla Unix (Linux, FreeBSD, SunOS, etc.) de um modo geral estão tipicamente voltados para a tarefa de servidores Sistema baseado na WWW O conceito de aparelho de rede, aparelho de informação ou aparelho de internet engloba uma grande quantidade de equipamentos que normalmente difere dos computadores pessoais por suportar geralmente uma aplicação única como navegador web ou correio eletrônico e, em muitos casos, nem ao menos possuirem teclado, mouse ou monitor. Esses equipamentos são muito úteis para aqueles usuários que querem ter acesso à internet sem ter de arcar com os problemas e custos de um computador normal. Como exemplos temos computadores de mão como o PalmPilot, aparelhos telefônicos avançados, convencionais ou celulares que dão acesso à internet e dispositivos de TV como o WebTV. Existe também o conceito de computadores de rede, similares a estações de trabalho Unix sem disco (X terminal diskless), que são sistemas reduzidos e usam a rede para acessar as aplicações e guardar arquivos e pastas de trabalho. Por serem bem simples, os computadores de rede exigem muito pouca manutenção, suporte e help desk, daí o crescente interesse neles atualmente. Por exemplo, pode se imaginar determinada empresa que, para economizar custos de hardware, software e help desk, adota computadores de rede e contrata os serviços de um provedor de serviço de aplicação (ASP Application Service Provider) para fornecer tanto o acesso à internet quanto a disponibilização de aplicativos como editores de texto e espaço em disco para que seus funcionários possam trabalhar e salvar seus arquivos. Os funcionários podem então rodar todos os aplicativos disponibilizados pelo ASP, além de disporem de algum espaço em disco para salvar seu trabalho. Paradoxalmente, o sistema baseado na WWW nos remete de volta ao quadro antigo do sistema centralizado, só que agora com uma cara nova quando comparado com o teminal burro. 3 Conceitos Gerais 3.1 Arquitetura de computador Os componentes básicos de um computador são CPU, memória e dispositivos de Entrada e Saída (Input/Output I/O). O processador (CPU) é a unidade principal do computador, ele controla o fluxo dos programas, executa operações lógicas e aritméticas, acessa a memória e faz solicitações aos periféricos. A arquitetura do computador é dada pela tecnologia do seu processador. Atualmente, as Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 12 / 45

13 principais arquiteturas são: RISC (Reduced Instruction Set Computer) CISC (Complex Instruction Set Computer) EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) X86 64 (X86 extended) ARM (Advanced RISC Machine) O ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Calculator) construído em 1946, serviu de inspiração para todas as arquiteturas de computador atuais. Estas são chamadas de Máquinas de Von Neumann ou Arquitetura de Von Neumann em homenagem a John Von Neumann pelo seu pioneirismo no computador digital. Porém, o ENIAC era imenso, pesava 27 toneladas e ocupava completamente uma sala grande. E ao invés dos atuais chips compactos com milhões de transistores microscópicos, o ENIAC usou cerca de tubos de vácuo e relés elétricos para construir sua CPU e circuitos de entrada/saída (input/output). Foi somente em 1971, na Intel Corporation, que Ted Hoff conseguiu construir um processador que tinha todas as unidades reunidas em um só chip, o 4004, que foi o primeiro microprocessador. A diferença básica entre o processador tradicional e o microprocessador é o fato deste último poder ser produzido em larga escala na linha de montagem, com isso diminuindo drasticamente o custo de produção. Atualmente o microprocessador está tão difundido que chega a ser tratado também por processador. Todo processador trabalha em linguagem binária, pois é assim que funcionam os circuitos digitais da máquina e, dada uma arquitetura de computador, define a linguagem de máquina. Atualmente, a programação normalmente é feita em linguagem de alto nível, daí a necessidade de traduzir essas intruções para a linguagem de máquina para poder rodar os programas. E normalmente é o compilador que faz essa tradução. O problema é que até o início dos anos 1970 não havia ainda compiladores capazes de fazer eficientemente essa tradução, então houve a necessidade de incluir microcódigo no processador, que deu origem ao conceito CISC. Microcódigo ou microprograma consiste de uma série de microinstruções que controlam a CPU num nível muito fundamental. Do ponto de vista da linguagem de programação, o microcódigo provê um conjunto de instruções muito grande que, de certa maneira, "eleva" o nível da linguagem de máquina. Para facilitar a programação, os arquitetos de computador criaram muitas instruções complexas (microcódigo), as quais eram representações de funções de alto nível de linguagem de programação. Por outro lado, o microcódigo deixa o processador mais lento. Em 1974, na IBM, John Cocke teve a idéia de construir um processador mais simples, que não necessitasse de microcódigo, deixando então o trabalho pesado para os programas e compiladores. Estava criada a filosofia do computador com conjunto reduzido de instruções (RISC), um processador menor, mais barato, mais frio. John Cocke teve essa idéia por acreditar que a utilização de sub rotinas ou microcódigos no processador fossem contraproducentes. No RISC, as instruções mais freqüentes são expressas em termos de operações simples possibilitando selecionar e executar uma instrução a cada ciclo de clock (os processadores CISC levam vários ciclos de clock para selecionar uma única instrução), porém nesse caso o tempo de acesso à Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 13 / 45

14 memória é crítico e por isso o uso de memória cache torna se obrigatório. Além disso, existe maior dependência do compilador na otimização de desempenho da aplicação. Com o tempo, o termo RISC acabou por se generalizar e denominar toda máquina que obedece a um conjunto específico de princípios de arquitetura. Como era preciso identificar os outros computadores não RISC, foi cunhado o termo CISC. Porém, um produto RISC só chegou ao mercado em 1985, pelas mãos da Sun Microsystems, com o processador Sparc. Pela inexistência de microcódigo no processador, a complexidade agora está no compilador. Por isso, as máquinas RISC só se tornaram viáveis depois de avanços de software que resultaram no aparecimento de compiladores otimizados. Como exemplos de CISC temos os processadores X86 da Intel e compatíveis da AMD. No caso da Intel a linha CISC vai desde os processadores tradicionais (386,486, etc.) até os atuais Pentiums e Xeons. Atualmente, a linha X86 é de 32 bits, embora alguns processadores já tenham extensão de 64 bits para permitir alocar memória além de 4 GB RAM. Como exemplos de processadores RISC temos o PowerPC (IBM), MIPS (Silicon Graphics), PA RISC (HP), Sparc (Sun Microsystems) e Alpha (Digital Equipment Corporation, DEC), cada qual com seu chip RISC. Os processadores citados acima são todos atualmente de 64 bits. E a DEC (hoje ex DEC pois foi comprada pela Compaq que posteriomente foi adquirida pela HP) já tinha processador Alpha de 64 bits desde meados dos anos A arquitetura EPIC teve origem no projeto IA 64 cujo nome original era Merced, e foi criado pelas empresas Intel e HP (Hewlett Packard) em1994. Posteriormente foi rebatizado para Itanium. O Itanium é um processador de 64 bits voltado para funções de servidores corporativos (médio e grande porte) que tem por objetivo competir num espaço tradicionalmente ocupado por servidores RISC. Discute se hoje qual o destino das arquiteturas de computador tradicionais. O IA 64 vem confirmar a tendência de convergência das arquiteturas RISC e CISC. A arquitetura X86 64 (X86 extended) foi desenvolvida inicialmente pela AMD e deu origem aos processadores Athlon e Opteron. Ao contrário do Itanium, tem a vantagem de permitir compatibilidade de aplicações 32 bits numa CPU de 64 bits. Atualmente a própria Intel, na sua linha Xeon e P4 EM64T (Extended Memory Technology), adiciona extensões de 64 bits que torna esses processadores também compatíveis com o X A única vantagem da extensão de 64 bits é a capacidade de alocar mais de 4 GB de memória RAM, e que já é uma necessidade no segmento de médios e grandes sistemas servidores. A arquitetura ARM é de 32 bits e usada principalmente em sistemas embarcados. É muito usada na indústria e na informática. As principais características são tamanho reduzido do chip processador e baixo consumo de energia. Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 14 / 45

15 Processadores ARM são muito usados em celulares (98% dos celulares atuais usam pelo menos um processador ARM), calculadoras, PDA 2 e periféricos de compuador, entre outros. Sobre sistemas operacionais, outro aspecto importante a ser notado é que, de um modo geral, temos a segmentação da arquitetura de computadores em dois grandes mundos: do lado CISC temos a dobradinha Windows/Intel, do lado RISC temos uma diversidade muito grande de processadores e fabricantes Unix, todos com compiladores C. A exceção a essa regra está principalmente nos sistemas operacionais Linux e FreeBSD, que têm o código fonte aberto e por isso são efetivamente multiplataforma por serem facilmente portáveis. Arquitetur a Processador Fabricante Sistema Operacional RISC Sparc PowerPC PA RISC Sun Microsystems IBM HP Solaris AIX HP UX CISC x86 [IA 32] Intel Windows, Linux, Mac OS EPIC Itanium Intel + HP 3 HP UX, Linux X86 64 Opteron e Athlon, entre outros AMD Windows, Linux ARM ARM7, ARM9, ARM11 e Cortex, entre outros Acorn Computers (no início). ARM Holdings (atualmente) ios, Android, Symbian, Windows Phone, BlackBerry OS [RIM] Tabela 1 Arquitetura de computador relacionada a processadores, fabricantes e sistemas operacionais 3.2 IBM PC O IBM PC é o Computador Pessoal da IBM, e foi lançado em 1981 com um processador Intel 8088 (arquitetura CISC). Nesse lançamento, a intenção da IBM era entrar também no mercado de computadores pessoais, que nessa época era dominado pelo Apple II e também por um conjunto de máquinas que rodavam o sistema operacional CP/M (Control Program/Monitor ou Control Program for Microcomputers), tais como o Intel 8080/85 e o Zilog Z80. Portanto, o IBM PC não foi o primeiro computador pessoal a fazer sucesso. A IBM desenvolveu o IBM PC e decidiu torná lo uma arquitetura aberta, isso como estratégia para baratear o preço desse computador pela livre competição entre fornecedores de componentes. Afinal, o IBM PC foi construído a partir de uma grande variedade de partes fornecidas por diferentes fabricantes. 2 PDA: Personal Digital Assistant (handheld ou palmtop). 3 Intel e HP iniciaram e desenvolveram esse processador. Atualmente a Intel não participa mais. Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 15 / 45

16 Devido a isso, a IBM publicou as especificações de sua ROM BIOS (Basic Input/Output System ou Basic Integrated Operating System) na expectativa de atrair fabricantes a produzir IBM PCs compatíveis (IBM PC compatibles) e cobrar royalties das licenças dessa BIOS, e assim manter na própria mão o domínio dessa máquina e à frente da competição. Prática em Sistemas Operacionais Mas para infelicidade da IBM, alguns fabricantes, a partir de engenharia reversa nessa BIOS, passaram a produzir as suas próprias versões de IBM PCs compatíveis, agora livres de Figura 1 O IBM PC em 1981 royalties ou simplesmente clones. Desse modo, o mercado escapou das mãos da IBM. E para se ter uma idéia da importância do lançamento do IBM PC, os projetistas da IBM documentaram a viabilidade do desenvolvimento dessa máquina prevendo a venda de unidades em 5 anos. Antes do final desse prazo, já vendiam unidades por mês! E isso tendo que enfrentar a concorrência desleal dos clones, que já a partir de 1987 passaram a dominar o mercado, ou seja, vendiam mais IBM PCs do que a própria IBM. Numa tentativa de retomar esse mercado, em abril de 1987 a IBM lançou o Personal System/2 ou PS/2, que era uma arquitetura proprietária avançada em relação ao IBM PC. Entre as novidades do PS/2 estavam o disquete de 3,5" com 1440 KB, portas PS/2 para teclado e mouse e o padrão de vídeo VGA. Anteriormente o padrão de vídeo era EGA, Enhanced Graphics Adapter, com apenas 16 cores e resolução 640x350 pixels. O sistema operacional OS/2 foi introduzido junto com o PS/2, na intenção de se tornar o sistema "nativo" dessa máquina. O PS/2 foi desenvolvido para manter a compatibilidade de software com PC/AX/XT, e isso num hardware levemente diferente. Porém, o PS/2 não foi sucesso de vendas devido ao alto custo dessa arquitetura fechada. No entanto, muitas das inovações do PS/2 posteriormente se tornaram padrão no mercado aberto do IBM PC. Figura 2 O PS/2 em abril de 1987 Então, a partir de 1987 perdeu o significado termos como IBM PC compatible ou clone, pois o mercado passou a ser orientado pela livre competição de diferentes fabricantes de componentes de um lado e as grifes (Compaq, HP, Dell, IBM, etc) do outro. Nesse caso, a grife pode ser melhor entendida como uma grande montadora de IBM PCs. E esse mercado é tão vasto que oferece oportunidade até aos populares "xing ling", que são máquinas montadas a partir de componentes sem muito controle de qualidade para baixar mais ainda o preço final. E o mais surpreendente de tudo é ver a realidade do IBM PC hoje: após conquistar mais de 90% do mercado de Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 16 / 45

17 computador pessoal, essa máquina já é oferecida em configurações que atendem ao segmento servidor de pequeno e até médio porte. Por exemplo, um típico servidor CISC pode ter 4 CPUs Intel Xeon, 4 G de memória RAM e 5 discos SCSI, e nesse caso não pode de maneira alguma ser tratado pejorativamente por "computador pessoal". Outra prova da popularidade e predomínio do IBM PC é a diversidade de sistemas operacionais que foram criados ou posteriormente portados para essa arquitetura. Como principais exemplos temos DOS, Windows, Linux, FreeBSD e Solaris. 3.3 Arquitetura de sistema operacional A arquitetura de um sistema operacional corresponde à visão que se tem desse sistema, na forma de uma interface formada pelas chamadas de sistema (system calls) e pelos programas do sistema Chamadas de sistema (system calls) As chamadas do sistema constituem a interface entre programas aplicativos e o sistema operacional. Essas chamadas do sistema são funções que podem ser ligadas com os aplicativos para prover serviços como leitura do relógio interno, operações de entrada/saída (Input/Output I/O) e obter comunicação entre processos. É uma forma dos programadores fazerem solicitação de serviços ao sistema operacional, similar à chamada de sub rotinas. As chamadas de sistema transferem a execução para o sistema operacional, e o retorno dessas chamadas fazem com que a execução do programa seja retomada. Por exemplo, a chamada write(fd, buffer, n_to_write) na linguagem C permite escrever num arquivo previamente aberto. Além de acessar o sistema de arquivo, as chamadas de sistema também permitem o controle de processos. Por exemplo, fork(), exit() e kill() atuam em processos. Em linguagens de alto nível, as chamadas de sistema são encapsuladas na biblioteca do compilador. Por exemplo, printf() não é chamada de sistema, mas sim uma rotina de biblioteca (library routine). sistema. O responsável pela implementação das chamadas de sistema é o kernel ou núcleo do Programas de sistema Os programas de sistema são algumas vezes chamados de utilitários, pois são programas executados fora do núcleo e que implementam tarefas básicas para facilitar a utilização do sistema. Como exemplo temos uma grande variedade de utilitários para a manipulação de arquivos e pastas, que permitem listar, visualizar, criar, excluir, etc. O programa de sistema mais importante é o interpretador de comandos (shell), que define Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 17 / 45

18 uma interface entre os usuários e o núcleo do sistema Interpretador de comandos (shell) O interpretador de comandos é um processo que perfaz a interface do usuário com o sistema operacional. Este processo espera pelos comandos enviados via teclado (entrada padrão), interpreta e passa seus parâmetros ao núcleo do sistema e depois envia o resultado do comando para a saída padrão (monitor). À exceção dos sistemas operacionais gráficos, o shell é ativado sempre que o usuário inicia uma sessão. A interpretação é normalmente feita através de uma linguagem de comandos, porém shells modernos podem utilizar interfaces gráficas. Servicos como login e logout, manipulação de arquivos e execução de programas são solicitados através do interpretador de comandos. Alguns sistemas operacionais (por exemplo, Linux, Solaris, AIX, etc) permitem ao usuário escolher entre vários shells, como por exemplo Bourne Shell [sh], C shell [csh], Korn Shell [ksh], Bourne Shell Again [bash]. Versões mais antigas do Windows (Windows 3.X ambiente operacional) eram essencialmente shells de substituição ao interpretador de comandos COMMAND.COM do DOS. 3.4 Arquivos Uma das funções associadas a sistemas operacionais é esconder os detalhes de hardware do usuário. O conceito de arquivos oferece um nível de abstração que é adequado para manipular grupos de dados armazenados em discos e periféricos de entrada e saída. O sistema operacional também tem a incumbência de transferir dados entre discos e/ou periféricos, além de organizar os dados do disco em diretórios. Os arquivos estão no sistema de arquivo, que é estrutura que determina como os dados podem ser gravados, lidos, alterados e até removidos do disco. O sistema de arquivo facilita na manipulação dos dados. Exemplos de sistemas de arquivos: FAT: File Allocation Table (DOS) ext2, ext3: Extended File System (padrão ou nativo do Linux) UFS: Unix File System (originalmente padrão no BSD e Solaris) NTFS: New Technology Filesystem (padrão ou nativo dos Windows NTs) NFS (Network File System) Outra função importante diz respeito à segurança dos dados, na forma de integridade, disponibilidade e controle de acesso, que depende do sistema de arquivo em uso no sistema. Por exemplo, FAT não tem segurança local, já o sistema de arquivo ext3 (Linux) implementa essa Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 18 / 45

19 segurança. 3.5 Ambiente gráfico Uma das funções do sistema operacional é oferecer uma interface amigável com o usuário, que é importante em sistemas desktop ou estações de trabalho onde existe o conceito de usuário interativo. O ambiente gráfico é um mero aplicativo (ou conjunto de aplicativos) com a intenção de facilitar o uso do desktop por parte do usuário interativo, e não deve ser confundido com o sistema operacional. Por exemplo, o Windows3.X é um ambiente gráfico que roda sobre o DOS, de forma análoga temos o caso dos sistemas da família Unix, onde o ambiente gráfico é aplicação e não sistema. Aliás, nos sistemas da família Unix a concepção cliente servidor está tão arragaida que até o ambiente gráfico é obtido à custa de um servidor: o servidor X (X server). Inclusive, o servidor X pode atender tanto a um cliente local quanto remoto, e a sua função é prover uma interface gráfica amigável para o cliente. Aqui, local e remoto diz respeito à origem da aplicação X que irá rodar na estação do usuário. Normalmente o terminal diskless (sem disco) obtém o servidor X remotamente. Já no caso do Macintoshi (Apple) e dos Windows9.X e posteriores ao NT (1993), entre os quais aparece o XP, a própria constituição do sistema operacional é inteiramente gráfica, dispensando totalmente a linha de comando. Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 19 / 45

20 4 - Principais Sistemas Operacionais 4.1 Histórico Numa rápida cronologia dos principais sistemas operacionais que deixaram sua marca nas últimas décadas, temos os seguintes eventos: 1969: Nascimento do Unix; 1976: Apple Primeiro micro computador pessoal popular; 1981: IBM PC Micro computador pessoal de arquitetura aberta; 1985: Macintosh Interface Gráfica; 1990: Windows 3.0 Ambiente gráfico para o DOS; 1991: Linux Sistema operacional de código fonte aberto; 1993: Windows NT: Sistema operacional gráfico e desvinculado do DOS A Apple, que introduziu quase todas as novidades em micro computadores pessoais, não conseguiu transformar suas idéias em grande participação de mercado, em parte por manter o monopólio sobre sua plataforma. Atualmente a Apple continua inovando, e desde 2000 o sistema MacOS X usa um núcleo chamado Darwin por baixo da primorosa interface gráfica. Esse núcleo é derivado do BSD 4 e outros projetos de software livre, portanto o Darwin está na categoria open source. Tecnicamente, o Darwin também é membro da família Unix. Por outro lado, a IBM sofreu com a concorrência dos clones (IBM PC compatible) por ter aberto a arquitetura do seu PC, mas foi justamente isso que permitiu a popularização do computador pessoal devido à redução do preço. O mercado do computador pessoal é dominado pela Microsoft com o Windows e pela Intel com a sua linha de processadores x86. Numericamente, ambos têm hoje algo em torno de 90% desse mercado. Já no caso do sistema servidor de médio e grande porte a presença da Microsoft e da Intel não é tão marcante quanto no PC. No segmento servidor marca presença também a plataforma RISC com sistemas Unix, num mercado dividido entre vários fabricantes. Entre os mais polulares sistemas operacionais estão DOS, Windows, OS/2, Unix e Linux. Dessa lista, alguns não são mais usados, porém foram escolhidos por razões históricas e/ou didáticas. 4.2 DOS Origem 4 BSD: Berkeley Software Distribution Prática em Sistemas Operacionais agosto/2014 Prof. Jairo 20 / 45

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