Estrutura de S.O. Roteiro. BC Sistemas Operacionais. Prof. Marcelo Z. do Nascimento. Aula 02 2 Quadrimestre. de 2010

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1 BC Sistemas Operacionais Estrutura de S.O. Aula 02 2 Quadrimestre de 2010 Prof. Marcelo Z. do Nascimento Roteiro Serviço do sistema operacional Interface Chamadas de sistemas (System Call) Programas do sistema Projeto e Implementação Estrutura do SO Máquinas Virtuais Leitura Sugerida

2 Serviço do SO Objetivo: Um conjunto de serviços para fornecer funções úteis aos usuários. Interface de usuário: Linha de comando => utililiza comandos em modo texto; Batch => comandos e diretivas para controlar esses comandos são introduzidos em arquivos para execução; Interface gráfica => (graphic user interface GUI) sistema de janela com apontamento para direcionar E/S. Exemplo: Linux, Windows, etc. Serviço do SO Execução de programa: Capaz de carregar um programa para a memória e executar esse programa; Encerrar sua execução. Operações de E/S Funções especiais desejadas a um determinado dispositivo não podem ser controladas pelo usuário; S.O. => precisa prover meios de realizar operações de E/S.

3 Serviço do SO Manipulação de arquivos: Programas precisam ler e gravar arquivos e diretórios; Programas incluem gerência de permissões para permitir ou negar o acesso aos arquivos; Comunicações: Processos precisam trocar informações com outros processos; Usa memória compartilhada ou troca de mensagens; Serviço do SO Detecção de erro: O SO precisa estar ciente dos possíveis erros; Podem ocorrer nos recursos de hardware ou programa do usuário; SO precisa tratar de forma apropriada para garantir eficiência máxima nas requisições (interrupções).

4 Serviço do SO Para garantir a operação eficiente do próprio sistema. Alocação de recurso: O SO controla tipos diferentes de recursos e alguns podem ter código de alocação especial (ciclo da CPU, memória) e outros podem ter código de requisição e liberação (E/S); Exemplo: a CPU -> rotina de escalonamento que considerará a velocidade da CPU na manipulação dos processos. Serviço do SO Contabilidade: O tempo de uso de um recurso e quais recursos foram utilizados pelos usuários => registros (log de sistema). Proteção e segurança: Vários processos sendo executados ao mesmo tempo não podem interferir uns com os outros, ou com o próprio SO. Garantir controle de acesso aos recursos: Ex. Autenticação de usuário (login e password);

5 Interface Interpretador de comando: recebe e executa o próximo comando especificado pelo usuário; SO => pode incluir o interpretador no kernel ou tratar como um programa especial que é executado quando o usuário entra no sistema; Exemplo: Shells =>Konsole; Implementação: O próprio interpretador contém o código para executar o comando. Exemplo: Tarefa ->Excluir um arquivo (salta para uma seção de seu código que define os parâmetros e faz uma chamada (system call)); Interpretador => Implementação: Interface Os comandos são executados por meio de programas do sistema; O Interpretador não entende o comando => identifica um arquivo e carrega para memória e executa. Código do arquivo função que define as ações solicitadas. Exemplo: Unix => rm aula1.txt (procura o arquivo rm e carrega para memória e executa com os parâmetros de aula1.txt). O interpretador não precisa ser modificado para novos comandos. Exemplo: shells => bash e csh.

6 Interface Interface gráfica (GUI): para ativar um programa é necessário apenas clicar em um botão ou ícone com o mouse; Surgiu em 1970 na instalação de PARC da Xerox; A grande maioria dos sistema inclui as interfaces: interpretador de comandos e GUI; Exemplos: MAC OS X tem GUI Aqua com kernel UNIX e usa interpretador shell; Solaris tem interpretador com interfaces GUI (KDE). Chamadas de Sistema Provêem uma interface com os serviços disponíveis em um SO; Estão disponíveis como rotinas em C ou C++; São utilizados pelos desenvolvedores de aplicação por meio de uma Application Program Interface (API), que permitem o uso de uma chamada ao sistema; Exemplo: Win32 API para Windows; POSIX API para sistemas baseados em POSIX (Portable Operating System Interface)incluem as versões do UNIX, Linux e Mac OS X; Java API para Java virtual machine (JVM).

7 Chamadas de Sistema Método read( ) Exemplo da API Java Padrão byte[] b buffer onde os dados são lidos int off offset inicial em b onde os dados são escritos int len o número máximo de bytes

8 Chamadas de Sistema Porque usar uma API para fazer chamada em vez de um system call? Portabilidade do programa => qualquer sistema que admite a mesma API permite que o programa seja compilado e executado; System Call mais difícil de se trabalhar do que API Exemplo: API POSIX e Win32; Implementação -> System Call Chamadas de Sistema Um número é associado a cada system call; Uma interface mantém uma tabela indexada de acordo com cada número; A interface de system call solicita uma chamada no kernel do SO e retorna o estado da chamada e o valor de retorno; A solicitação não precisa saber como o system call do SO é implementado; Obedece à API e entende o que o SO fará como resultado Os detalhes da interface do SO é escondido do programador pela API: Controlada pela biblioteca de suporte em tempo de execução

9 Implementação -> System Call => Open Chamadas de Sistema Chamadas de Sistema Exemplo: um programa em C invocando uma chamada a biblioteca printf, a qual solicita a system call write( ) do SO.

10 Chamadas de Sistema Exemplo: Um programa em C => read ( ) do SO. Chamadas de Sistema Passagem de parâmetros: Outras informações devem ser passadas: Não apenas a identificação que pode variar de acordo com cada SO ou chamada; Há 3 formas de passar os parâmetros para o SO: Simples: por meio de registradores; Pode ter mais parâmetros que registradores: Bloco ou tabela na memória e o endereço do bloco é passado como parâmetro em um registrado; Ex. Aproximação adotada no Linux e Solaris.

11 Chamadas de Sistema Simples: por meio de registradores Passagem de parâmetros: Chamadas de Sistema Pilha: programas colocados na pilha e retirados pelo SO. Não limita o número ou extensão dos parâmetros. Java: método java invoca um código em C ou C++ que seja nativo à arquitetura em que o programa está sendo executado; Feito por meio de Java Native Interface (JNI).

12 Chamadas de Sistema Linux: Acesse o seguinte arquivo: $cat /usr/include/bits/syscall.h Para verificar a lista de system call suportado Veja também o arquivo: $cat /usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.s Exemplo: strace em Linux Num PC com SO Linux execute o seguinte comando: $ strace -c ls Mostra um sumário dos system call solicitado durante a execução do comando ls $ strace -o teste1.out ls Mostra o sumário do system call solicitado durante a execução do ls e salva no arquivo teste1.out $ man strace Mostra informações (manual) do camando strace

13 Tipos de Chamadas de Sistema Controle de Processos (end, abort, load, execute, create and terminate process, wait,...); Exemplo: Interromper um programa; Administração de Arquivos (create and delete file, open, close, read, write,...); Administração de Dispositivos (request and release device, read, write,...); Manutenção de informação (get and set time or date, get or set system data, get process, file or device attributes,...); Comunicações (create and delete conections, send, receive messages, transfer status information,...). Programas do sistema Os programas do SO fornecem uma interface para desenvolvimento e execução de aplicativos. Alguns são interface do usuário para chamadas de sistema. Exemplo: Gerenciamento de arquivo: create, copy, delete, etc. Estado do sistema: espaço em disco, memória utilizada e CPU em uso. Comandos: $top, $ps, $du, $df, $who Linguagem de programação: compiladores e debuggers. Comandos: $man gdb (Gnu Debugger), $gcc -v

14 Comunicação: , conexão de rede e info IP. Comandos: $pine, $ping $host $wget. Programas do sistema Projeto e Implementação do SO No projeto e implementação de um SO não existem soluções completas para esses problemas; Empregam técnicas de provaram ter sucesso. Define-se: objetivos e especificações; Pode ser afetado pela escolha do hardware ou tipo de sistema. Os requisitos podem ser tratados: Usuário: SO deve ser conveniente de uso, fácil de aprender e usar, confiável, rápido e seguro. Sistema: SO deve ser fácil de projetar, implementar, manter, livres de erros e eficiente.

15 Um importante princípio é separar: Política: O que será feito? Mecanismo: Como fazer algo? A separação é importante para flexibilidade Políticas podem mudar entre lugares e com tempo; Mecanismo não sensível a mudança na política (desejável). Exemplo: Projeto e Implementação do SO Política: programas com uso intenso de E/S devem ter prioridade em relação aqueles com uso de CPU Mecanismo: implementa um sistema de prioridade com diferentes níveis. Implementação do SO Tradicionalmente escrito em linguagem assembly, porém agora são escritos em linguagens de mais alto nível (C, C++,...) O código escrito em uma linguagem de alto nível: Pode ser escrito mais rápido. É mais compacto. É mais fácil de entender e depurar. Um SO é muito mais fácil de portar (mover para algum outro hardware) se ele é escrito em uma linguagem de alto nível. Projeto e Implementação do SO

16 Implementação do SO Projeto e Implementação do SO SO em linguagem de alto nível apresentam velocidades reduzidas e maiores requisitos de armazenamento. A melhoria no desempenho dos SOs tende a ser resultado de melhores estruturas de dados e algoritmos do que excelentes códigos em linguagem assembly. Estruturas de SO Um SO precisa ser arquitetado com cuidado para funcionar de modo apropriado e ser modificado com facilidade. Exemplos: Simples monolítico => uma camada Em camadas; MicroKernel; Modular; Virtual Machines.

17 Estruturas de SO Simples MS-DOS escrito para prover o máximo de funcionalidade no menor espaço; Não é dividido em módulos; Apesar do MS-DOS ter alguma estrutura, suas interfaces e níveis de funcionalidade não são bem separadas. Estruturas de SO Simples UNIX (original) limitado pela funcionalidade do hardware. Esse UNIX consiste de 2 partes separadas: Programas do Sistema. O núcleo (kernel) Consiste de tudo abaixo da interface de system call e acima do hardware físico. Provê o sistema de arquivos, escalonamento da CPU, administração de memória e outras funções do sistema operacional; Um grande número de funções para um único nível.

18 Estruturas de SO Estruturas de SO Abordagem em camadas: O SO é dividido em um número de camadas (níveis), cada uma construída no topo de uma camada inferior: A camada mais baixa (camada 0), é o hardware; A camada mais alta (camada N) é a interface com o usuário. Com modularidade, as camadas são selecionadas tais que cada uma utiliza funções (operações) e serviços somente de camadas de mais baixo nível; Dificuldade diz respeito ao cuidado na definição das camadas.

19 Estruturas de SO Abordagem em camadas: Exemplo: Driver de dispositivo para o espaço em disco utilizado pelo algoritmo de Memória Virtual, deve estar em nível inferior ao das rotinas de gerenciamento de memória (espaço em disco); Exemplo: Windows NT. Microkernel Estrutura o SO removendo todo os componentes não essenciais do kernel e implementa-os como programas de sistema e de nível de usuário: Pouco consenso quais serviços devem permanecer no kernel; Geralmente, gerência memória e processo. Fornecer comunicação (troca de mensagem); Exemplo: Windows NT (Win32). Estruturas de SO

20 SO moderno (Solaris, Linux) implementam os módulos kernel Usa técnicas de orientação objetos; Cada componenete é separado; Kernel possui um conjunto de componentes; Estruturas de SO Cada um é carregado de acordo com a necessidade dentro do kernel. Semelhante a estrutura em camada mas com maior flexibilidade; Fácil de manter, atualizar e depurar: foca em um módulo em cada vez; Eficiente: módulos podem cada um ao outro diretamente. Estrutura de módulo: Solaris

21 Estrutura de módulo: Linux Execute: $ /sbin/lsmod exibe uma lista dos módulos carregados no momento. $ /sbin/modprobe Para carregar um módulo do kernel, use o comando seguido do nome do módulo do kernel. $ /sbin/modinfo para exibir informações sobre um módulo do kernel. Estrutura Híbrida: Mac OS X Aproximação em camada com uma camada com microkernel: Mach: gerência de memoria, comunicação interprocesso e chamada de procedimento remoto. BSD: sistema de arquivo, interface de comandos, redes e APIs POSIX; Permite desenvolvimento de módulo carregados dinamicamente.

22 Máquinas Virtuais A idéia é separar o hardware ou PC em vários ambientes de execução diferentes; O SO cria a ilusão de múltiplos processos => cada um executando na seu próprio processador com sua própria memória (virtual); Os recursos do PC são compartilhados para criar as máquinas virtuais. Escalonamento da CPU pode criar a aparência de que os usuários têm seus próprios processadores. Sistema de Arquivos e Spooling provêm impressoras virtuais, etc. Um terminal normal de tempo compartilhado de usuário serve como o console do operador da máquina virtual. Máquinas Virtuais Non-virtual Machine Virtual Machine

23 Máquinas Virtuais (MV) Porque usar máquina virtual? Em pesquisas e desenvolvimento: Testes de SO em MV com várias configurações; Tarefa de mudar o SO: mais rápido testar em MV; MV fornecem proteção completa dos sistemas pesquisado; Cada máquina é isolada de outras e dificilmente compartilha recursos. Exemplo: VMware Java Virtual Machine Arquitetura do VMware

24 Java Especificação para computador abstrato; Consistem em um carregador de classes e um interpretador que executa os códigos de bytes independente da arquitetura. Java Pode ser implementado em cima de um sistema operacional hospedeiro; Independente da arquitetura e portáveis.

25 Ambiente de Desenvolvimento em Java Ambiente em tempo de compilação; Ambiente em tempo de execução. SO em Java JX foi escrito quase totalmente em Java; Organizado em domínios => máquina virtual independente; Heap=> aloca memória na criação do objeto e threads; O domínio Zero=> inicialização do sistema, estado da CPU: Feito em linguagem C e Assembly Comunicação por meio de portais (semelhante Mach)

26 SO em Java JX; Temas abordados: Aula 02 - Sumário O SO fornece 2 tipos de serviços Facilidades para usuário Uso eficiente de recursos As interfaces com usuário: CLI (shells) or GUI (windows) Sistema de chamadas: interface de programação com os serviços do SO Normalmente utiliza API Programas do sistema: comunicação com SO e pode usar system call Compiladores, editores, etc Projeto de So: deve tratar separado política e mecanismo Estrutura do SO: simples, camadas, microkernel, modular e MV

27 Silberschatz, A., Galvin, P. B. Gagne, G. Sistemas Operacionais com Java. 7º, edição. Editora, Campus, Leituras Sugeridas Silberschatz, Abraham; Galvin, Peter Baer; Gagne, Greg. Fundamentos de sistemas operacionais. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, es/indexe.html Acesse o link abaixo: Nota de Aula Obrigado!!!

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