Arquitetura de Sistemas Operacionais Machado/Maia. Arquitetura de Sistemas

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1 Arquitetura de Sistemas Operacionais Capítulo 4 Estrutura do Sistema Operacional Cap. 4 Estrutura do Sistema 1

2 Sistemas Operacionais Pitágoras Fadom Divinópolis Material Utilizado na disciplina Sistemas Operacionais do 4º Período 2º. Termo 2010 Sistemas Informação Prof. Alan Mendes Marotta Livro texto: Arquitetura de Sistemas Operacionais Francis Berenger Machado e Luiz Paulo Maia Cap. 4 Estrutura do Sistema 2

3 Tópicos e resumos Arquitetura de Sistemas Operacionais Autores: Francis Berenger Machado e Luiz Paulo Maia Elaborado por Renato Hadad Atualizado por Alan Mendes Marotta Cap. 4 Estrutura do Sistema 3

4 Sumário Introdução System calls Modos de acesso Arquitetura monolítica Arquitetura em camadas Máquina virtual Arquitetura microkernel Projeto do sistema Cap. 4 Estrutura do Sistema 4

5 Introdução O S.O. é formado por um conjunto de rotinas que oferecem serviços aos usuários, as aplicações e ao próprio S.O.; Este conjunto é denominado núcleo do sistema ou kernel; Cap. 4 Estrutura do Sistema 5

6 Não confundir: Núcleo do sistema operacional; Introdução Aplicações, utilizadas pelos usuários e escondem todos os detalhes de interação com o sistema; Utilitários, permitem aos usuários, administradores e desenvolvedores uma interação amigável com o sistema; Interpretador de comandos, o mesmo dos utilitários. Cap. 4 Estrutura do Sistema 6

7 Introdução Sistema computacional Aplicativos Utilitários Núcleo do Sistema Operacional Hardware Cap. 4 Estrutura do Sistema 7

8 Introdução A grande dificuldade em compreender a estrutura e o funcionamento de S.O.: Não é executado de forma seqüencial, como começo, meio e fim; Os procedimentos são executados concorrentemente, sem ordem predefinida, com base em eventos assíncronos (dissociados do tempos) Muitos dos eventos estão relacionados com o hardware e tarefas do próprio S.O; Cap. 4 Estrutura do Sistema 8

9 As principais funções do núcleo: Tratamento de interrupções e exceções; Introdução Criação e eliminação de processos e threads; Sincronização e comunicação entre processos e threads; Escalonamento e controle de processos e threads; Gerência de memória; Gerência de sistema de arquivos; Gerência de dispositivos de E/S; Suporte a redes locais e distribuídas; Contabilização do uso do sistema; Auditoria e segurança do sistema. Cap. 4 Estrutura do Sistema 9

10 Introdução A estrutura do sistema operacional, isto é, a forma como o código do sistema é organizado e o interrelacionamento entre os seus diversos componentes podem variar conforme a concepção do projeto. Estas abordagens serão tratadas neste capítulo, inicialmente serão discutidos: System calls; Modos de acessos. Cap. 4 Estrutura do Sistema 10

11 System Calls É necessário implementar mecanismos de proteção ao núcleo do sistema e de acessos aos seus serviços; System calls (chamadas ao sistema) podem ser entendidas como portas de entrada para acesso ao núcleo do sistema operacional a a seus serviços; Termo tipicamente usado em UNIX, outros termos: System services (OpenVMS); Application Program Interface API (Windows) Cap. 4 Estrutura do Sistema 11

12 System Calls Para cada serviço disponível existe uma system calls; Cada S.O. possui seu próprio conjunto de chamadas (nomes, parâmetros e formas de ativação); Problema portabilidade; Cap. 4 Estrutura do Sistema 12

13 System Calls System call System Call Núcleo do Sistema Operacional Aplicação Biblioteca Hardware Cap. 4 Estrutura do Sistema 13

14 System Calls A ISO e IEEE propôs a criação de uma biblioteca de chamadas padronizadas, chamada de POSIX (Portable Operating System Interface for Unix); Permite que uma aplicação seja executada em qualquer S.O. que suportasse este padrão; Inicialmente voltado para a unificação do UNIX, foi incorporado na maioria dos S.O.modernos; Cap. 4 Estrutura do Sistema 14

15 System Calls O mecanismo de ativação e comunicação entre o programa e o S.O. é semelhante a chamada de uma sub-rotina pelo programa; A maioria dos programadores e usuários desconhecem os detalhes envolvidos nos system calls; Por exemplo, o comando de leitura;15 Cap. 4 Estrutura do Sistema 15

16 System Calls Funções Gerência de processos e threads Gerência de memória Gerência do sistema de arquivos Gerência de dispositivos System calls Criação e eliminação de processos e threads Alteração das características de processos e threads Sincronização e comunicação entre processos e threads Obtenção de informações sobre processos e threads Alocação e desalocação de memória Criação e eliminação de arquivos e diretórios Alteração das características de arquivos e diretórios Abrir e fechar arquivos Leitura e gravação de arquivos Obtenção de informações sobre arquivos e diretórios Alocação de desalocação de dispositivos Operações de entrada/saída em dispositivos Obtenção de informações sobre dispositivos Cap. 4 Estrutura do Sistema 16

17 De forma simplificada: System Calls Comando da linguagem de alto nível é convertido em uma chamada a uma system call compilador; É executada verifica a ocorrência de erros; Retorna os dados ao programa de forma transparente ao usuário; Cap. 4 Estrutura do Sistema 17

18 Modos de Acesso Certas instruções não podem ser colocadas diretamente à disposição das aplicações; Coloca em risco à integridade do sistema; Exemplo, instruções de acesso ao disco, pois é um recurso compartilhado e o acesso deve ser gerenciado, unicamente, pelo S.O. Portanto, certas instruções só podem ser executadas pelo S.O., ou sob a sua supervisão; Cap. 4 Estrutura do Sistema 18

19 Tipos de instruções Privilegiadas Modos de Acesso Instruções que podem comprometer o sistema; Não-privilegiadas Instruções não oferecem risco ao sistema; Para existir estes tipos de instruções é necessário que o processador implemente um mecanismo de proteção, conhecido como modo de acessos; Cap. 4 Estrutura do Sistema 19

20 Modos de acesso Usuário Modos de Acesso Aplicação só pode executar instruções não-privilegiadas; Acesso a um número reduzido de instruções do processador; Kernel ou supervisor Aplicação tem acesso ao conjunto completo de instruções do processador; Cap. 4 Estrutura do Sistema 20

21 Modos de Acesso O modo de acesso de uma aplicação é determinado por um conjunto de bits, localizado no PSW; A melhor maneira de controlar o acesso as instruções privilegiadas e permitir que apenas o S.O. tenha acesso a elas; Uma instrução privilegiada deve ser executada através de um system call, que altera o modo de acesso; Cap. 4 Estrutura do Sistema 21

22 Modos de Acesso Chamada a uma rotina do sistema Cap. 4 Estrutura do Sistema 22

23 Modos de Acesso Caso uma aplicação tente executar uma instrução privilegiada em modo usuário, o processador sinalizará um erro; Para acessar um disco: Aplicação solicita a operação de E/S ao S.O., através de um system call; O modo de acesso é alterado para kernel; É executada a rotina de E/S; O modo de acesso é alterado para usuário; Cap. 4 Estrutura do Sistema 23

24 Modos de Acesso O mecanismo de modo de acesso é uma boa forma de proteger o próprio núcleo do S.O. residente na memória principal; Para tanto, para escrever na área de memória onde reside o S.O., o programa deve estar em modo kernel; Cap. 4 Estrutura do Sistema 24

25 Arquitetura Monolítica Na arquitetura monolítica, o S.O. é formado por um único e grande programa executável; Vários módulos são compilados e linkeditados para forma-lo; Os primeiros S.O. seguiram este modelo; MS-DOS e nos primeiros UNIX; Desenvolvimento e manutenção bastante difíceis; Cap. 4 Estrutura do Sistema 25

26 Arquitetura Monolítica Arquitetura monolítica aplicação aplicação Modo usuário Modo kernel System call Hardware Cap. 4 Estrutura do Sistema 26

27 Arquitetura de Camadas Técnicas de programação estrutura e modular foram incorporadas ao desenvolvimento de S.O. Na arquitetura de camadas, o sistema é divido em níveis sobrepostos; Cada camada oferece um conjunto de funções que pode ser utilizada apenas pelas camadas superiores; Primeiro sistema, THE (Technisiche Hogeschool Eindhoven), construído por Dijkstra, possua seis camadas; Posteriormente, o MULTICS e o OpenVMS; Neste sistema as camadas interna são mais privilegiadas; Cap. 4 Estrutura do Sistema 27

28 Arquitetura de Camadas Arquitetura do OpenVMS Cap. 4 Estrutura do Sistema 28

29 Máquina Virtual Um sistema computacional é formado por níveis (camadas), onde o mais baixo é o hardware; Acima desta camada está o S.O.; O modelo máquina virtual (Virtual Machine VM), cria um nível entre o S.O. e o hardware, chamado gerencia de máquinas virtuais; Este nível cria diversas MV independentes, onde cada MV oferece uma cópia virtual do hardware, incluindo os modos de acesso, interrupções, dispositivos de E/S etc.; Cap. 4 Estrutura do Sistema 29

30 Máquina Virtual Máquina virtual VM 1 VM 2 VM n Ap 1 Ap 2 Ap n SO 1 SO 2 SO n HV 1 HV 2 HV n Gerência de Máquinas Virtuais Hardware Cap. 4 Estrutura do Sistema 30

31 Máquina Virtual Como cada VM é independente é possível cada VM ter seu próprio S.O.; IBM implementou, na década de 1960, este modelo no sistema VM/370, permitindo que aplicações do OS/360 (batch) fossem executadas e conviver com aplicações de tempo compartilhado; Este modelo cria o isolamento total entre cada VM; A desvantagem é a sua grande complexidade devido à necessidade de compartilhar e gerenciar os recursos entre as diversas VMs; Cap. 4 Estrutura do Sistema 31

32 Máquina Virtual Outro exemplo é a linguagem Java; Para executar um programa em Java é necessário uma maquina virtual Java (Java Virtual Machine JVM); Qualquer S.O. pode suportar uma aplicação em Java, deste que exista uma JVM desenvolvida para ele; Assim a aplicação não precisa ser recompilada para cada sistema computacional, tornando independente do hardware e do S.O.; A desvantagem é o menor desempenho que uma aplicação executada diretamente para uma arquitetura especifica; Cap. 4 Estrutura do Sistema 32

33 Máquina virtual Java Máquina Virtual Aplicação Máquina Virtual Java Sistema Operacional Hardware Cap. 4 Estrutura do Sistema 33

34 Arquitetura Microkernel Tendência atual é tornar o núcleo do S.O. o menor e o mais simples possível; Para tanto os serviços são disponibilizados através de processos, onde cada processo oferece um conjunto específico de funções: Gerência de arquivos; Gerência de processos; Gerência de memória; Gerência de escalonamento. Cap. 4 Estrutura do Sistema 34

35 Arquitetura Microkernel Quando a aplicação deseja algum serviço é feita uma solicitação ao processo responsável; A aplicação é chamada de cliente; O processo é chamado de servidor; Um outro componente do S.O. pode ser cliente. A principal função do núcleo é realizar a comunicação entre cliente e servidor; Cap. 4 Estrutura do Sistema 35

36 Arquitetura Microkernel Arquitetura microkernel mensagem mensagem Modo usuário Modo kernel Microkernel Hardware Cap. 4 Estrutura do Sistema 36

37 Arquitetura Microkernel O conceito de Arquitetura Microkernel surgiu no Mach, na década de 1980, na universidade de Carnegie-Mellon. O núcleo do Mach oferecia: Gerência de processos; Gerência de memória; Comunicação por troca de mensagens; Operações de E/S; Todas em modo usuário; Cap. 4 Estrutura do Sistema 37

38 Arquitetura Microkernel Este modelo permite que os servidores sejam executados em modo usuário; Apenas o núcleo do sistema executa no modo kernel; Assim, se ocorrer um erro em um servidor, este pode parar, mas o sistema não ficará totalmente comprometido; Aumento da disponibilidade; Cap. 4 Estrutura do Sistema 38

39 Arquitetura Microkernel Como os servidores comunicam através de trocas de mensagens, não importa se o sistema possui um ou mais processadores e se estes são fortemente ou fracamente acoplados; Esta implementação em ambientes distribuídos permite que o cliente solicite um serviço e a resposta seja processada remotamente; Permite acrescentar novos servidores; Confere grande escalabilidade ao S.O. Cap. 4 Estrutura do Sistema 39

40 Arquitetura Microkernel Permite isolar as funções do S.O. em diversos processos; Núcleo menor; Mais fácil de depurar; Aumento da confiabilidade; Manutenção mais fácil; Mais flexível; Maior portabilidade; Cap. 4 Estrutura do Sistema 40

41 Arquitetura Microkernel Implementação mais difícil (na prática); Problema de desempenho, devido a comunicação entre cliente e servidor; Certas funções do S.O. exigem acesso direto ao hardware, por exemplo: E/S; O que implementado na realidade é uma combinação do modelo de camadas como o de Microkernel; Cap. 4 Estrutura do Sistema 41

42 Arquitetura Microkernel O núcleo além da comunicação é responsável por outras funções críticas: Escalonamento; Tratamento de interrupções; Gerência de dispositivos; Projetos desta arquitetura: Exokernel (MIT); L4 (Universidade de Dresden); Amoeba (Vrje Universiteit); A maioria relacionada aos sistemas operacionais distribuídos; Cap. 4 Estrutura do Sistema 42

43 Projeto do Sistema O projeto de S.O é complexo e deve atender diversos requisitos, alguns conflitantes: Confiabilidade; Portabilidade; Manutenibilidade; Flexibilidade; Desempenho; Cap. 4 Estrutura do Sistema 43

44 O projeto depende: Projeto do Sistema Do hardware que irá suportá-lo; Tipo do sistema: Batch; Tempo compartilhado Monousuário ou multiusuário; tempo real; etc. Cap. 4 Estrutura do Sistema 44

45 Projeto do Sistema Primeiros S.O. escritos totalmente em assembly com um milhão de instruções (IBM OS/360); Com a evolução do S.O., o número de instruções passa a 20 milhões (MULTICS); Passou a usar técnicas de programação modular, linguagens de alto nível (PL/I e Algol); Cap. 4 Estrutura do Sistema 45

46 Projeto do Sistema Nos sistemas atuais o número de linhas de código pode chegar a 40 milhões (Windows 2000), grande parte escrita em C/C++ e em alguns casos, utiliza-se a programação orientada a objetos; Vantagens do uso POO: Melhoria na organização das funções e recursos do sistema; Redução do tempo de desenvolvimento; Maior facilidade na manutenção e extensão do sistema; Facilidade de implementação do modelo de computação distribuída. Cap. 4 Estrutura do Sistema 46

47 Projeto do Sistema A desvantagem do uso da POO em relação ao assembly é a perda de desempenho; Um princípio importante no projeto de S.O é a separação entre as políticas e os mecanismos: Política define o que deve ser feito; Mecanismos define como implementar uma determinada política; Cap. 4 Estrutura do Sistema 47

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