Sistemas Operacionais. Sistemas Operacionais de Dispositivos Ubíquos. Windows CE. Arquitetura do Windows CE. Funcionalidades do S.O.

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1 Sistemas Operacionais Sistemas Operacionais de Dispositivos Ubíquos Determina a funcionalidade b ásica de cada dispositivo de computação ubíqua Provavelmente não haverá Monopólio equivalente ao da MS/Intel (faixa de uso muito ampla e hardware muito restrito) Chips ARM, MIPS, Motorola, SH3/4, Transmeta SOs Palm OS, EPOC, W/CE (Consumer Electronics), Java Card, W/Smart Card, QXN, VxWorks etc. Duas tendências observadas: Palm OS e W/CE tornam-se mais similares (integram funcionalidade de telefonia) Linux embarcado ou BeOS no suporte a aplicações multimídia em dispositivos domésticos Windows CE Não é um S.O. de prateleira (cada fabricante de dispositivo precisa configurar o W/CE para a plataforma de processador específica de seu dispositivo) Normalmente o SO é entregue em ROM (em contraste com os SOs baseados em disco, orientados a desktop, como o Linux ou BeOS) Sistema monousuário W/CE oferecido em blocos modulares Permite a criação de um sistema apenas com as partes essenciais (economiza espaço precioso) Tamanho do SO é mantido consistente com o tamanho do dispositivo (computador de mão inclui mais funcionalidade em sua versão do W/CE do que um telefone inteligente) Diferencia-se totalmente do Palm OS que foi projetado exclusivamente e altamente otimizado para uma classe alvo de dispositivos W/CE Arquitetura do Windows CE Shells Internet Explorer Conectividade Remota Interfaces de Programação e de comunicação Núcleo GWE Armazena Objeto TCP/IP IrDA Serial Funcionalidades do S.O. W/CE Núcleo do SO W/CE: Gerenciamento de Processos e Threads Gerenciamento de memória Escalonamento de tarefas Tratamento de interrupção GWE Gerente de Gráficos/Janelas/Eventos Armazenagem de Objetos persistente do W/CE Inclui arquivos, registros e uma base de dados Interfaces de comunicação Infravermelho via IrDA, TCP/IP e drivers seriais W/CE - Gerenciamento de Processos e Threads Suporta 32 processos simultaneamente Suporta número ilimitado de threads (depende de memória física disponível) Threads Usadas para monitorar eventos assíncronos (interrupção de hardware, atividades do usuário) Cada thread possui uma fila de mensagens (postadas por outras threads, processos ou recursos do sistema) que são tratadas. Ex.: Núcleo envia mensagem WM_HIBERNATE (indica memória baixa ação: liberar memória imediatamente) Sincronização de Threads Coordenação de dados compartilhados => através de seções criticas, mutex e eventos (em vez de polling que desperdiça bateria) Prioridades de Threads 8 níveis (do ocioso ao tempo critico) Não podem mudar (exceto quando thread de baixa prioridade retém recurso que thread de alta prioridade precisa) 1

2 W/CE - Gerenciamento de Processos e Threads Interrupções Usadas para notificar o S.O. sobre eventos externos Tratamento em dois passos: 1. Um Roteador de Serviços de Interrupção (ISR) mapeia a requisição da interrupção para um Thread de Serviço de Interrupção (IST) passando o ID do thread para o núcleo 2. O núcleo envia mensagem para o IST que inicia o tratamento da interrupção Processamento separado do roteamento da interrupção => tempo de chamadas ao sistema é previsível e independente do estado atual do sistema (aplicações respondem a interrupções externas dentro de uma latência especificada) W/CE atende requisitos de um S.O. de tempo real => aplicações de tempo-crítico (comutação de telefonia, controle de processos de fabricação, sistemas automotivos de navegação etc) W/CE - Gerenciamento de Não diferencia, conceitualmente, entre os vários tipos de armazenagem cartões de memória flash, driversde disco, ROM, RAM são todos tratados da mesma forma Recursos de memória são acessados via API WIN32 virtual protegida (protege uma aplicação de outra) Suporta até 32MB por processo disponível é dividida em dois blocos: de programa de armazenagem de Programa Alocada e gerenciada como memória virtual - alocada para pilha e heap de aplicações em execução Pilha, heap e aplicações (que não do sistema) em RAM S.O. e aplicações embutidas (Pocket Word) armazenadas e executadas diretamente da ROM (execução no lugar economiza tempo de carregamento) W/CE - Gerenciamento de de Armazenagem Inclui os dados persistentes (normalmente armazenado em disco rígido) Parte da memória volátil é referida como armazenagem de objetos (que retém registros do sistema, diretórios, todas as aplicações e dados do usuário) tamanho maximo de 16MB Fora da área de armazenagem de objetos, bases de dados e sistemas de arquivos podem ser instalados (em RAM, ROM ou dispositivos externos) Cada sistema de arquivos pode ser dividido em múltiplos volumes (representados como pastas do diretório raiz dos sistemas de arquivos) Dados podem ser salvos em objetos arquivos ou bases de dados Arquivos são automaticamento comprimidos Suporta Heap especial para o Sistema de Arquivos, registros e armazenagem de objetos (até 256MB) com serviço de transação para assegurar integridade dos dados Mecanismos de Acesso à memória suportados paginada com uso de cache e sem uso de cache não paginada com uso de cache e sem uso de cache W/CE - Gerenciamento de Virtual Até 4GB via MMU Tabela de páginas mantida pelo hardware Mapa de Virtual Reservado para o Sistema (espaço modo kernel) compartilhada Vaga 32 Processo 32 : : Vaga 2 Processo 2 Vaga 1 Processo 1 Vaga 0 Processo atual FFFF FFFF Mapa de do Processo Espaço Virtual Livre (Heaps, Pilhas, Biblioteca de carga dinâmica) Heap Pilha Dados Estáticos Imagem Executável 64KB reservado W/CE Interface do Usuário ilar à família MS/W Suporta menus, caixas de diálogo, ícones, som, vídeo, reconhecimento de escrita a mão Toda aplicação tem que ter pelo menos uma janela (mesmo que esta não possa ser mostrada - todas as mensagens que uma aplicação envia ou recebe são passadas pela fila de mensagens do thread da janela correspondente) Janela => ponto de entrada de cada aplicação (laço que trata mensagens, como eventos do usuário que são despachados para a rotina de aplicação apropriada) GWE Subsistema de Gráficos, Janelas e Eventos APIs de programação da interface Inclui funções de gerenciamento de energia e troca de mensagens Unicode é o formato de texto nativo (2 bytes por caractere) W/CE Segurança Suporta biblioteca criptográfica (CAPI) => armazena informação segura na memória Assinatura com chave pública para autenticação de aplicações Uso de cartão inteligente para segurança de dados sensíveis (dados de até 64KB em cartão acesso mais lento(eeprom x RAM) Comunicação e Rede Suporta comunicação serial SLIP e PPP (via cabo e infravermelho) Conexões de Rede (protocolos da Internet e de troca de arquivos) API WinInet (HTTP e FTP) API WinSock (sockets que suportam TCP/IP) API IrSock suporte a comunicação infravermelha (via IrDA Infrared Data Association) RAS Remote Access Servicesuporta upload/download de arquivos (via PPP para conectar no servidor) API Telephony suporta comunicação via modem para um hospedeiro remoto (só chama não recebe chamadas) 2

3 W/CE Periféricos e Drivers Driversnecessários: bateria, tela, porta serial, InfraVermelho, painel de toque Tipos de driversno W/CE: Nativos drivers de baixo nível que usam características embutidas de um dispositivo (fonte ou teclado), ligados com o núcleo e residentes em ROM Interface de fluxo de dados (serial) carregados como DLLs dedicadas Baseados na especificação da Interface de Driver de Rede (NDIS) protocolos podem ser implementados independentes dos drivers de hardware USB para conectar periféricos Outros tipos de drivers podem ser instalados (impressora, modem) Driversnativos são integrados na configuração do W/CE pelo fabricante do dispositivo Integração com o Hardware do Dispositivo W/CE Shells Núcleo Camada de Abstraç ão do Hardware Internet Explorer Aplicaçõ es Drivers Nativos Hardware OEM *Original Equipment Manufacturers Conectividade Remota Interfaces de Programação e de comunicaçã o GWE Armazena Objeto Drivers de Fluxos de I/F TCP/IP IrDA Serial Fabricante de dispositivo (OEM)* Symbian EPOC Criado pela Psion (agora mantido pela Symbian fundada pela Psio, Motorola, Panasonic, Ericsson e Nokia em 1998) EPOC v.5 - disponível para NEC V30H (16 bits) e ARM/StrongARM (32 bits) Sistema de tempo-real multi-tarefa (baixa latência no tratamento de interrupção e chaveamento de contexto de tarefas) =>ideal para responder ao usuário e receber dados do ar ao mesmo tempo preemptivo (escalonador orientado a prioridade) mono-usuário escrito em C++ Suporta e troca de mensagens, sincronização de dados (entre dispositivo e PC) e linguagem Java Diferentes tipos de plataforma: Crystal comunicadores com teclado pequeno Quartz pequenos comunicadores Pearl fones móveis inteligentes VGA completo Suporte para bluetooth e WAP SO EPOC Arquitetura do EPOC Base de Dados Servidor de Janela Servidor de Arquivos GUI - EIKON Middleware Impressão Armazena stream Base Drivers de Dispositivos Biblioteca padrão Núcleo Arquitetura do EPOC Base - Contém sistema de execução e núcleo com dois componentes: F32 - fornece carregador de bootstrap, acesso e monitoramento de sistemas de arquivo E32 fornece escalonador, interrupção de relógio, gerenciamento de driversdo dispositivo e gerenciamento de memória (conceito de MMU para separar os espaços de endereço para cada aplicação, além de ferramentas para checagem de erros de acesso fora da memória, desalocação de memória, verificação e limpeza de pilha e heap) Middleware Suporte a aplicação (SGBD, armazenamento de fluxos de caracteres, impressão, servidor de janelas, etc) GUI EIKON Suporta separação entre função da interface e apresentação da interface => importante quando tamanhos de tela e funcionalidades de dispositivos mudam muito EIKON estrutura para GUIs que é parte do SDK do EPOC (oferece elementos de interface gráfica padrão: botões diálogos, e menus; trata a entrada de dados e de comandos) Symbian EPOC Linguagens de Programação C++, Java e OPL (baseada no Basic) Ferramentas necessárias SDK do Symbian C++ (emulador para windows, GNU C++ personalizado, documentação, tutorial etc) MS Visual C++ (emulador EPOC para windows roda sobre o Visual C++) Cada aplicação no EPOC tem ID único para identificação de arquivo e associação faixa 0x a 0x0fffffff reservada para propósito de desenvolvimento e teste Antes da aplicação ser liberada, um ID único tem que ser solicitado a Symbian 3

4 Ciclo de Desenvolvimento do EPOC PC Compilar para o EPOC Programa Final Editar Compilar para o PC Executar Depurar Dispositivo EPOC Palm OS Desenvolvido pela Palm Inc. (apesar de proprietário, domina 70% do mercado de dispositivos de mão) Razões para o sucesso projetado especificamente para PDAs Fácil de usar Número limitado de características altamente otimizadas => uso de pouca memória e de UCP => vida mais longa de bateria Novas versões suportam comunicação bluetooth, 64K cores => PDAs multimídia integrados a fones móveis Disponíveis da Palm, Sony, IBM, HandSpring e outras Interface do Usuário Formulários Controles Fontes Diálogos Menus Desenhos Botões Palm OS Arquitetura do Palm OS Gerenciamento de Banco de Dados Espaço de execução Espaço do Sistema Globais Gerenciamento do Sistema Microkernel Eventos Cadeia de caracteres Texto internacional Data/hora Alarmes Som Comunicação TCP/IP Serial IrDA Palm OS Gerenciamento de Para manter o S.O. pequeno e rápido, o Palm OS não separa as aplicações umas das outras Problemas de estabilidade => se uma aplicação cai, o sistema todo cai Problemas de segurança => cada aplicação pode ler e alterar dados de outras aplicações têm que ser extremamente bem construídas e testadas Palm OS Gerenciamento de Toda a memória de um Palm reside em cartões de memória (um cartão e uma unidade lógica de RAM, ROM ou ambas) Cada cartão de memória tem um espaço de endereço maximo teórico de 256MB! e dividida em: Heap dinâmico Heap de armazenamento Heaps gerenciados separadamente Espaço deixado para a aplicação e muito pequeno (<36KB) Manter memória da aplicação a menor possível Evitar geração de estruturas grandes de pilhas Evitar uso de variáveis globais e copias de base de dados na memória dinâmica Heap dinâmico é análogo à memória de programa do W/CE Heap de Armazenamento Alocação dinâmica do Sistema Alocação dinâmica da aplicação Pilha da Aplicação Globais da Aplicação Heap Dinâmico (64 KB) Palm OS Gerenciamento de Heap de Armazenamento Retém dados permanentes (base de dados, arquivos fonte da aplicação não sofre reset) Protegida contra escrita (acessada apenas através do gerente de memória) Acesso rápido de leitura e lento de escrita Integridade garantida através de suporte a transações Sistema operacional e aplicações embutidas => ROM Gerente de memória aloca (em pedaços de 64KB), desaloca, muda o tamanho e impede o acesso a pedaços da memória (podem estar na memória dinâmica ou de armazenamento) Palm OS não usa sistema de arquivo Armazenamento estruturado em base de dados Cada base de dados possui múltiplos registros Base de dados gerenciada por gerenciador de base de dados 4

5 RAM Dinâmica Alocação Dinâmica Variáveis Globais Pilha Blocos Realocáveis Impedidos Blocos Realocáveis Blocos não Realocáveis RAM de Armazenamento Base de Dados Nome da Base de Dados Versão Num Modificação Info de aplicação Info de Ordenação Tipo/criador Num de registros ID Registro Atributo Registro ID Registro Atributo Registro Arquitetura da do Palm SO Palm OS Orientado a Eventos Apenas uma aplicação roda por vez Não suporta threads Invocação de aplicações uma aplicação de busca pode invocar outras aplicações para que elas façam, por ex., uma consulta em suas bases de dado controle volta para a aplicação que chamou Palm OS é orientado a eventos que são tratados por tratadores de eventos Tipos de eventos Ações do usuário quando interfaceando com a aplicação Notificações do sistema (alarme de tempo) Específicos da aplicação (solicitação de busca Programadores devem evitar código que faça processamento enquanto espera por um evento (intervalo de teste x teste contínuo - polling) Palm OS - Desenvolvimento de Linguagens de programação disponíveis: C, C++ e Java Dois pacotes para desenvolvimento de aplicações: SDK (APIs para desenvolver aplicações, funções de interface do usuário, gerenciamento do sistema e comunicação) CDK Conduit Development Kit suporta a implementação de conduites Para troca e sincronização de dados entre uma aplicação de mesa e uma aplicação que roda no dispositivo Suporte para programação CodeWarrior da Metrowerk Compilador GNU C para Palm OS Cada aplicação tem que ter um ID único (creator ID) obtido da Palm QNX Neutrino Suporta MIPS, PowerPC e x86 em set-top-boxes, dispositivos automotivos esforços para usa-lo em dispositivos de mão Suporte ao gerenciamento de energia Interface gráfica adequada (Photon) Sistema de tempo-real mono-usuário Microkernel (12KB) envolto por uma coleção de processo opcionais (gerentes de recursos) que oferecem compatibilidade com o POSIX e UNIX QNX varia de um SO embarcado baseado em ROM ate SO completo com suporte de rede (dependendo dos recursos que são incluídos em tempo de execução) Adota Modelo de Processo Universal (arquitetura baseada em microkernel) Permite a separação dos processos em diferentes espaços de endereço (processos do usuário e processos de gerente de recursos) => sistema altamente confiável e estável Arquitetura do QNX Neutrino Photon Sistemas de Arquivo QNX Neutrino Gerenciadores de E/S MicroKernel Driversde Dispositivo Driversde Rede Outros Drivers Gráficos QNX Neutrino Serviços do Microkernel IPC Comunicação Inter-Processo Baseado em troca de mensagens Permite atribuição de prioridades Escalonamento de processos Comunicação em rede de baixo nível Despacho de interrupção Gerenciamento de memória Separa espaços de endereço das aplicações Proteção de memória para aplicações e serviços do sistema que executam em threads diferentes Desenvolvimento de software para o QNX C é a linguagem preferencial GNU C++ ou Watcom C++ PhAB para criar protótipos rápidos 5

6 BeOS Suporta multi-usuário (em Set-top-boxes, caixas multimídia etc) S.O. altamente otimizado para aplicações multimídia Arquitetura baseada no modelo de multi-processador simétrico (permite que cada processador execute partes do S.O. dando a cada processador acesso total a todos os recursos) Suporta memória virtual e multi-tarefa preemptiva Suporta multithread Chaveamento rápido entre centenas de pequenas tarefas Tarefas podem ser colocadas rapidamente em múltiplos processadores e realocadas de acordo com a carga do processador do sistema Gerenciamento de Suporta memória virtual Suporta proteção de memória entre as aplicações Sistema de Arquivo Suporta sistema de arquivo de 64 bits (acesso a até 18bilhões de GB) x 32 bits (acesso até 4GB) Desenvolvimento de Software para o BeOS Conformidade com POSIX => reuso de código Rica biblioteca de suporte MM (gráficos 2D/3D, OpenGL, MPEG, WAV, etc) Suporte a C e C++ (Intel e PowerPC) Linux Embarcado Linux enxuto com suporte especial para dispositivos ubíquos Arquitetura microkernel (serviços e características podem ser compiladas no kernel ou carregadas como módulos dinamicamente ligados em tempo de execução) Suporte multiusuario Sistema multitarefa, preemptivo, com escalonadores de tempo-real opcionais Suporte básico para múltiplos processadores Tamanho do kernel pode variar de 200KB a vários MB (critica ao linux para dispositivos ubíquos: necessita de memória em tempo de execução de 2 a 8 MB) Gerenciamento de Proteção de memória entre aplicações virtual (com paginação) Interface do usuário Versões enxutas do X-Window Versões para processadores MIPS, ARM, Motorola e Intel Chips Suportados Estrutura do SO Proteção Tamanho do S.O. Segurança Multitarefa Exs. Dispos. Palm Motorola Dragon Ball Camadas Não Minúsculo Nenhuma Não PDAs EPOC NEC, ARM Camadas Pequeno Baixa Fones Móveis W/CE X86, SH3/4, ARM, PowerPC, MIPS Modular Pequeno Alta PC de Bolsos QNX Modular Médio Média Carros, casa BeOS X86, X86, PowerPC, powerpc MIPS Camadas Grande Alta Set-Top Boxes Linux X86, PowerPC, MIPS, ARM Modular Pequeno - Grande Alta Set-Top Boxes Java Card Plataforma carregada pelo núcleo de um S.O. nativo não diretamente acessável pelas aplicações (não é um S.O. de cartões inteligentes) Pilha de software do Java Card Executivo do cartão gerencia o cartão e é o elo de comunicação entre uma applet e o código fora do cartão JVM executa o bytecode da applet e das funções de biblioteca que ela usa Estrutura Java Card funções de biblioteca (API JavaCard padrão) Applets instaladas no cartão tem tempo de vida infinito (a menos que explicitamente desinstaladas) Applets são selecionadas pela aplicação fora do cartão APDUs ByteCode Java Código de maquina Pilha de Software Java Card Executivo do cartão Applet3 Applet2 Applet1 JVM Métodos Nativos (Kernel do SO) Estrutura Java Card Windows para Smart Cards API bem definida (esconde detalhes do cartão e funcionalidade independente de cartão) Usa bytecode gerado pelo VisualBasic (a ser executado em um ambiente de execução no cartão) Sistema de arquivo utiliza FAT File Access Table Número e tamanho de partições estabelecidos durante configuração (uma apenas é suportada no momento) Segurança Autenticação Conceito de known principals (usuário, grupo de usuários, ou sistemas) Protocolo sofisticado de autenticação (usando protocolo padrão d e encriptação de dados - DES) Configurável => Um arquivo no cartão é criado para definir como é o processo de autenticação de um known principal Autorização Uso de ACLs (Lista de Controle de Acesso) estabelecimento de direitos de acesso através de mecanismos de autorização (regras lógicas que definem quem tem permissão para fazer o que com um arquivo em particular) ACLs armazenadas dentro de arquivos => permite proteger as ACLs através de ACLs associadas 6

7 Windows para Smart Cards Applets no W/SmartCard Implementadas em código nativo ou Visual Basic (compiladas em bytecode, interpretadas por um sistema de execução e executadas por MV genérica) Maior limitação: não suporta cadeias de caracteres Plug-ins podem ser usados (funcionalidades estendidas de criptografia) S.O. expõe as seguintes APIs: Interface de Arquivos Interface de Autenticação e autorização Interface de criptografia Interface de Utilitários Windows Card x SmartCard ISO7816 Modelo de direitos de acesso são completamente diferentes => torna a interoperabilidade difícil Você Faz... Como o sistema operacional pode influenciar na implementação de sua aplicação nos dispositivos que você escolheu? Envie resposta hoje para regina@dc.ufscar.br Assunto: Comp.Ubiqua-3 7