Arquitetura de Computadores Sistemas Operacionais I

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1 O que é um Sistema Operacional? Arquitetura de Computadores Sistemas Operacionais I Programa que atua como um intermediário entre um usuário do computador ou um programa e o hardware. Os 4 componentes de um Sistema Computacional Partida do Computador - Startup O programa bootstrap é carregado na iniciação ou reboot. Tipicamente é armazenado na ROM ou EPROM, geralmente conhecidos como firmware. Inicializa todos os aspectos do sistema. Carrega o núcleo do sistema operacional e inicializa a execução do computador. Objetivos de um Sistema Operacional Executar programas de forma conveniente para o usuário. Gerenciar os recursos de software e hardware como um todo. Utilizar os recursos de hardware de forma eficiente e segura. Histórico dos Sistemas Operacionais No início: Não havia sistemas operacionais. O usuário era o operador e programador da máquina. Necessidade da evolução: Melhor utilização de recursos. Avanço tecnológico. Incorporação de novos serviços. A evolução dos SOs está associada com a própria evolução da informática. 1

2 Evolução dos Computadores Primeira geração : Válvulas, cabos de ligação Segunda geração : Transistores, sistemas em lote (batch). Terceira geração : ICs e multiprogramação. Quarta gereação 1980 presente: Computadores pessoais, sistemas multitarefas. Sistemas em Lote (Batch) Introdução de operadores profissionais. Criação do conceito de Job: Programas e serem compilados e executados. Eram organizados em lotes. Dados e código eram agrupados, não havendo interação com o usuário. Execução seqüencial de lotes. Passagem entre Jobs era manual. Sistemas em Lote (Batch) Seqüência manual: Leitura. Execução. Impressão. Monitor Residente Seqüenciamento automático de Jobs. Um Job passa o controle para outro de forma automática. Sistema Operacional rudimentar. Monitor Residente: Programa que ficava residente na memória Primeiro programa a ser executado Passava o controle ao Job. Quando um Job terminava, o controle voltava ao Monitor Centralizava o acesso a periféricos Apenas um programa por vez Monitor Residente Sistema Batch Multiprogramados (Multiprogramação) Operações de E/S são lentas. A execução de um programa por vez é uma estratégia simples, mas ineficiente. Necessidade de multiprogramação: Gerenciamento mais complexo. 2

3 Multiprogramação Multiprogramação Possibilidade de mais de um programa em execução simultaneamente: Necessidade de interrupção. Mecanismos mais eficientes de acesso a disco. Necessidade de sistemas operacionais mais complexos. Sistemas timesharing: Terminais de usuários. Máquinas virtuais. Sistemas Monotarefas e Multitarefas Monotarefa: Uma tarefa por vez (simplicidade). Ex: MS-DOS. Multitarefa Mais de uma tarefa silmultaneamente. Não preemptivo: Windows de 16 bits. Preemptivo (mais complexos e eficientes): Unix, Windows NT, Windows 2000, etc. Sistemas Monousuários e Multiusuários Monousuário: Apenas um usuário por vez, mais pode ser multitarefa. Multiusuário Multiterminais. Sistemas em rede. Sistemas Distribuídos. Unix, Windows XP, Windows Vista, Linux, etc. Estrutura Visões do Sistema Operacional... User User User Ambiente Núcleo Hardware Sistema Operacional Como alocador de recursos: Gerenciar todos os recursos. Resolver conflitos e concorrências por recursos demodo a melhorar e eficiência do sistema como umtodo. Como Programa de Controle Controlar a execução de programas para prevenir erros e melhorar o uso do computador. 3

4 Funcionalidades Básicas Ambiente para a utilização do sistema: Gráfico ou textual. Ferramentas para criação de programas: Editores, depuradores, compiladores. Execução dos programas. Controle de acesso a arquivos Acesso a recurso do sistema: Memória, dispositivos de E/S. Contabilização do uso de recurso do Sistema: CPU, memória, etc. Detecção de erros. Núcleo do Sistema Operacional Define a abstração de uma máquina virtual sobre uma máquina real: Gerência do processador Gerência de memória real e virtual Gerência de E/S É acessado via chamadas ao sistema (system calls) Programa de Sistema Programas executados fora do núcleo e compõe o ambiente. Compiladores, ligadores, bibliotecas. Interpretadores de comandos (shell, no Unix). Funciona como interface para acesso ao núcleo. Programas Aplicativos Programas úteis para resolver problemas comuns ou realizar operações comuns: Navegadores web Planilhas Editores de texto Jogos Banco de dados Interação entre núcleo e ambiente Exemplos de Chamadas de Sistema 4

5 Serviços de um SO para o usuário Interface com usuário: Interface de linha de comando. Interface gráfica(gui). Batch. Execução de programas Carregar, executar e terminar de forma normal ou com erro. Operações de I/O Operações com arquivos ou com dispositivos de entrada e saída. Manipulação de arquivos Ler, escrever, manipular, criar, apagar, determinar permissões. Serviços de um SO para o usuário Comunicação Troca de informação entre processos: Memória compartilhada. Troca de mensagens. Detecção de erros O SO necessita constantemente ficar alerta a possíveis erros e prover meios de recuperação desses erros. Erros de CPU, memória, I/O. Ferramentas de debug. Serviços de um SO usados por ele mesmo Alocação de recursos Quando múltiplos usuários executam tarefas concorrentemente, recursos devem ser alocados para cada um deles. Contabilidade Ter o controle sobre tempo de uso dos recursos dos sistema por parte dos usuários. Proteção Garantir o controle sobre todos os acessos a recursos do sistema. Segurança Impor autenticação a usuários externos, de forma a defender o sistema de tentativas inválidas de acesso aos recursos do sistema. Interface com usuário Linha de comando GUI Interface de linha de comando Implementada ou no kernel ou na forma de programas externos. Duas formas de funcionamento: Comandos são executadas por funções nativas do próprio interpretador de comandos (shell). Shell chama programas externos para executar funções. Interface Gráfica com o Usuário (GUI) Interface amigável que utiliza metáforas para facilitar o uso do SO. Icones representam arquivos, programa, ações, etc. A maioria dos SO incluem tanto GUI como interface de linha de comando: Linux Windows Vista Solaris 5

6 Chamadas de Sistema Fornecem uma interface com os serviços providos pelo SO. Essas chamadas são disponibilizadas como rotinas escritas em linguagens de alto nível (C or C++). São normalmente acessadas pelos programadores por meio de Application Program Interface (API). Win32 POSIX Java API Examplo de uma Chamada de Sistema Cópia de Arquivo Implementação de uma chamada de Sistema Uma interface de chamadas mantém uma tabela com todas as chamadas indexadas por números. A interface de chamadas invoca a chamada desejada dentro do kernel do SO e retorna o valor da chamada. Quem utiliza a chamada de sistema não necessita saber nada sobre a implementação da mesma (API). Relação entre API Chamadas SO Passagem de Parâmetros para Chamadas de Sistema Frequentemente, mais informações devem ser passadas as chamadas de sistema. Existem 3 métodos normalmente utilizados: Passar os parâmetros nos resgistradores. Porém, as vezes pode existir mais parâmetros que registradores. Guardar os parâmetros em uma tabela e colocar o endereço da tabela em um registrador (Linux). Colocar os parâmetros em uma pilha. Passagem de parâmetros via tabela 6

7 Tipos de Chamadas de Sistema Controle de Processos Gerenciamento de Arquivos Gerenciamento de Dispositivos Manutenção de Informação Comunicações Projeto e implementação de um SO O primeiro problema no projeto de um SO é definir objetivos e especificações. Objetivos e especificações variam muito dependendo do hardware e do sistema: Sistemas multiusuárioas Tempo real Projeto e implementação de um SO Requisitos são classificados em dois grupos: Objetivos do usuário Objetivos do sistema Não existe uma solução única para o desenvolvimento de um SO. Projeto e implementação de um SO Princípios importantes em tempo de projeto: Política O que deve ser feito? Políticas determinam o que deve ser feito em determinada situação. Mecanismo Como deve ser feito? Mecanismos determinam como se fazer algo. A separação entre mecanismo e política é de fundamental importância no projeto de SO. SO de estrutura simples Estrutura do MS-DOS MS-DOS Escrito para prover o máximo de funcionalidade usando pouca memória. Não dividio em módulos As interfaces e níveis de interface não são bem separados. Ná época de seu desenvolvimento não existia proteção por hardware. 7

8 Estrutura em Camadas Estrutura em Camadas O SO é dividido em um certo número de camadas, onde cada camada fornece serviço para a camada superior a ela. Vantagens: Excelente para debug em tempo de implementação. Desvantagens: É difícil separar algumas funcionalidades em camadas. Existe um overhead inerente a chamada de camada a camada. Microkernel Remove-se do kernel todos os componentes não essenciais para o espaço do usuário. Funcionalidades : gerência de processos e memória comunicação. Vantagens: Facilidade de extensão do SO. Porte para outras arquiteturas. Confiabilidade e segurança. Desvantagens: Custo adicional na comunicação entre processos e kernel UNIX Limitado pelo hardware da época, o UNIX original possui uma estrutura limitada. Estrutura separada em duas partes: Programas de sistema Kernel Maior problema: Grande concentração de funções em um mesmo nível (Kernel) UNIX Estrutura em Módulos A maioria dos sistemas operacionais modernos implementam modulos de kernel. Utiliza abordagem por orientação a objetos Cada componente possui um núcleo separado. Módulos se podem se comunicar diretamente entre si. Cada módulo é carregado a medida que for sendo necessário. De uma forma geral, parecido com a abordagem por camadas, porém mais flexível e eficiente. 8

9 Solaris 9