TI SO do Ponto de Vista do Programador de Aplicações

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1 TI SO do Ponto de Vista do Programador de Aplicações

2 SO do Ponto de Vista do Programador de Aplicações

3 Interface Coerente para as Aplicações Especialmente importante se: Há várias plataformas hardware que usam o SO O hardware evolui Permite que: Programador de aplicações programe uma aplicação que se executam sobre qualquer plataforma hardware desde que tenha o mesmo SO O Windows é um bom exemplo: Suporta as mesmas aplicações em plataformas hardware distintas

4 Entidades Visíveis para o Programador Bibliotecas (ex., DLLs) Chamadas ao SO ( system call ) Ferramentas de desenvolvimento (ex., editor, compilador, linker, debugger ) Máquinas virtuais (ex.,.net, Java) Ex.: Windows XP:

5 Interface do SO Protecção: Chamadas Sistema A função sistema é parte do SO A biblioteca sistema é linkada com o código da aplicação O código da biblioteca sistema invoca a função sistema aytavés de um trap O trap muda o modo de execução de user para kernel As estruturas de dados do SO são acedidas apenas por código de confiança (i.e. do próprio SO)

6 Chamadas Sistema Vantagens: Código das funções sistema são partilhadas por todos os processos Modificação das funções sistema é transparente para as aplicações (desde que a interface se mantenha)

7 Chamadas Sistema (cont( cont.) Aplicação Excutável Bibliotecas do Sistema User mode Kernel mode Tabela de Indirecção trap Sistema Operativo Função Sistema A Função Sistema Z Hardware Ponto de Vista do Programador de Aplicações

8 SO do Ponto de Vista do seu Programador, daquele que o produz

9 Componentes do SO Tarefas sob responsabilidade do SO: Gestão do processador (CPU) Gestão de memória (RAM) Gestão do I/O: Gestão de periféricos (teclado, rato, etc.) Gestão da memória persistente (discos) Comunicação (rede) Interface com o utilizador (shell, GUI) Ponto de Vista do seu Programador

10 Gestão do Processador (1) Processo é a entidade activa dentro da qual se executa um programa: Ocupa memória RAM (ex. stack) e registos (ex. program counter) SO gere os processos (sem ter em conta de que programa se trata) SO garante que: Cada processo utiliza o processador durante o tempo que é necessário ao seu funcionamento O processador é usado de forma a que não seja desperdiçado (eg. editor de texto que está à espera que o utilizador introduza caracteres não deve ocupar o processador) A responsabilidade de escalonar os processos ao processador é do SO Ponto de Vista do seu Programador

11 Gestão do Processador (1) Num SO que suporte apenas a execução de um processo o escalonamento é trivial: O SO permite que o processo inicie a sua execução, interronpendo a sua execução apenas para lidar com interrupções e input do utilizador Interrupções são eventos especiais enviados ao CPU: Algumas interrupções não podem ser ignoradas (ex. erros na memória RAM) Num SO que suporte múltiplos processos (multitasking OS) o escalonamento é mais complexo: O CPU executa apenas um proesso de cada vez mas dá a ilusão que todos eles se executam em simultâneo Implica que haja troca dos processos que estão a usar o CPU muitas vezes por segundo Ponto de Vista do seu Programador

12 Gestão do Processador (2) Process switching : O SO atribui um certo número de ciclos CPU a cada processo (time-slice) Quanto o time-slice termina, o SO guarda os registos relativos ao processo (inclui o program counter que indica qual a instrução corrente assim como o stack) Carrega os registos e o stack relativo ao processo que irá usar o CPU durante o próximo time-slice Este process switching é feito tão rapidamente e o time-slice é tão pequeno que, do ponto de vista do utilizador, parece que todos os processos se executam ao mesmo tempo SO do Ponto de Vista do seu Programador

13 Gestão do Processador (2) Se há muitos (demasiados para a capacidade do computador) processos: O próprio SO requer ciclos CPU para executar o seu código O SO acaba por gastar grabnde parte sdo seu tempo a fazer o process switching em vez deste executarem trabalho útil Este comportamento é designado por thrashing Ponto de Vista do seu Programador

14 Gestão do Processador (3) P1 P2 P3 P1 P2 Tempo real de execução dos processos t P3 Utilização do processador t Ponto de Vista do seu Programador

15 Gestão de Memória (1) SO garante que: Cada processo tem memória suficiente para se executar Os processos estão protegidos uns dos outros (i.e. os processos não acedem à memória onde se encontram os dados de outros) Os diferentes tipos de memória (RAM, cache, disco) são usados de forma a que cada processo se execute o mais rapidamente possível CPU cache RAM disco Ponto de Vista do seu Programador

16 Memóriavirtual: Gestão de Memória (1) Programas endereçam a memória de forma lógica (endereços virtuais) Endereços virtuais são traduzidos em tempo de execução para endereços reais Nem todos os dados asscociados a um dado processo precisam de estar em memória principal (RAM) durante a sua execução Os dados que não são necessários são guardados em disco O SO garante que um dado processo apenas acede aos dados que estão no seu espaço de endereçamento CPU cache RAM disco Ponto de Vista do seu Programador

17 Gestão de Memória A memória cache é usada de forma a aumentar o desempenho: O CPU demora cerca de 60 nanosegundos a aceder à RAM (devido à RAM em si) Isto é muito lento quando comparado com a velocidade do próprio CPU (ex. um ciclo pode ocupar apenas 2 nanosegundos) Caches L1 e L2 existem dentro do CPU Caches L1 e L2 fazem cache dos dados que estão na RAM que por sua vez faz caching dos dados que estão em disco Alguns periféricos têm, eles próprios, a sua cache (ex. discos têm memória que faz caching de dados de modo a evitar o custo da movimentação mecânica da cabeça de leitura) Ponto de Vista do seu Programador

18 Gestão de Memória (2) Valorestípicos: L1 cache acesso feito à velocidade do CPU (10 nanosegundos, dimensão vai de 4 kilobytes a 16 kilobytes ) L2 cache acesso a memória do tipo SRAM (cerca de 20 a 30 nanosecgundos, dimensão de 128 kilobytes a 512 kilobytes) Memória principal acesso a memória do tipo RAM (cerca de 60 nanosegundos, dimensão de 32 megabytes a 512 megabytes) Disco rígido - mecânico, lento (cerca de 12 millisegundos, dimensão de 4 gigabytes a 80 gigabytes) Rede/Internet muito lento (mais de um 1 segundo, dimensão enorme) Ponto de Vista do seu Programador

19 Gestão de Memória acesso mais rápido CPU registers Cache L1 Cache L2 RAM Removable Drives Network/ Internet Storage Hard Disk maior dimensão Ponto de Vista do seu Programador

20 Gestão de Periféricos A interacção entre o SO e o hardware (que não esteja na motherboard) é feito através de um driver Um driveré: Um programa que se executa no SO (em kernel-mode) Cada periférico necessita de um driver Ex.: um driver de disco aceita os dados de um ficheiro que o SO lhe envia e escreve o respectivo stream de bytes no disco O driver interage com o SO de modo a SO do Ponto de Vista do seu Programador

21 Gestão de Periféricos A interacção entre o SO e o hardware (que não esteja na motherboard) é feito através de um driver Um driveré: Um programa que se executa no SO (em kernel-mode) Cada periférico necessita de um driver Ex.: um driver de disco aceita os dados de um ficheiro que o SO lhe envia e escreve o respectivo stream de bytes no disco Ponto de Vista do seu Programador

22 Gestão do Disco Formatação de baixo nível: Estabelece os sectores e pistas nos pratos O início e o fim de cada sector é escrito no prato respectivo Formatação de alto nível : Escreve as estruturas de dados do sistema de ficheiros no disco (ex. fileallocation table) Ponto de Vista do seu Programador

23 Gestão da Comunicação Processo produtor Envio Mensagem Recepção Processo consumidor Canal de comunicação

24 Canal de Comunicação Na definição da arquitectura de comunicação é fundamental ter presente: como são transferidos os dados entre os espaços de endereçamento dos processos qual a sincronização associada Ponto de Vista do seu Programador

25 Canal de Comunicação O canal de comunicação pode ser implementado com dois tipos de mecanismos: memória partilhada: os processos acedem a uma zona de memória que faz parte do espaço de endereçamento dos processos comunicantes o canal é implementado pelo núcleo do sistema operativo; os dados são sempre copiados para o núcleo antes de serem transferidos Ponto de Vista do seu Programador

26 Arquitectura da Comunicação: cópia através do núcleo Variável com a mensagem Variável que recebe a mensagem Espaço de endereçamento do produtor Espaço de endereçamento do consumidor Tampão no núcleo Espaço de endereçamento do núcleo Ponto de Vista do seu Programador

27 Relação do SO(TI) com o Hardware

28 Componentes Principais CPU: O cérebro do computador Memória: Acesso aleatório (RAM) guarda temporariamente os dados que estão a ser usados pelo computador Memória de leitura (ROM) guarda informação permanente que é acedida apenas em nodo de leitura (i.e. nunca é alterada) basic input/output system (BIOS) tipo de ROM que é usada pelo computador para estabelecer comunicações básicas quando é ligado Relação com o Hardware

29 Componentes Principais Motherboard : Placa com circuitos integrados (ex. CPU) com todos os componentes principais do computador à qual todos os restantes componentes estão ligados Fonte de alimentação: Transformafdor que faz a ligação da motherboard à energia eléctrica fornecida Disco rígido: Suporte de memória persistente de grande capacidade. Controlador IDE (Integrated Drive Electronics): Interface primária para o disco rígido, CD e floppy Relação com o Hardware

30 Motherboard

31 Motherboard A motherboard é um circuito impresso com múltiplas camadas: Um ou mais processadores BIOS (basic input/output system chip) Slots para memória chip set com portos de I/O ports e controladores Slots PCI (peripheral component interconnect) Slots ISA (industry standard architecture) Slots AGP (accelerated graphics port) Portos USB (universal serial bus) Ventoinhas de arrefecimento do CPU Relação com o Hardware

32 Motherboard Slots PCI têm vindo a substituir os slots ISA (mais antigos): Mas ambos têm vindo a ser substituídos por portos USB Relação com o Hardware

33 Bus Motherboards com Pentium têm um bus de dados com 64 bits: Largura (em bits) da ligação do CPU aos restantes componentes Mas o Pentium usa registos de 32 bits para as instruções de 32 bits Relação com o Hardware

34 Exemplos: Bus Industry Standard Architecture (ISA) - 8 ou 16 bits Extended Industry Standard Architecture (EISA) - 8 ou16 bits Microchannel Architecture (MCA) - 16 ou 32 bits Peripheral Component Interconnect (PCI) - 32 ou 64 bits Accelerated Graphics Port (AGP ) - 32 bits Relação do SO com o Hardware

35 Microprocessador O primeiro microprocessador foi o Intel 4004 (1971): Adição e subtração (4 bits de cada vez) O primeiro microprocessador num desktop foi o Intel 8080 (1974): Um computador de 8-bits O primeiro microprocessador num IBM PC ( ) foi o Intel 8088 and then: 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentuim III, Pentium 4 Relação com o Hardware

36 Microprocessador

37 Microprocessador Executa instruções máquina: A ALU (Arithmetic/Logic Unit) executa operações matemáticas (adição, subtracção, multiplicação e divisão) Microprocessadores actuais suportam operações de vírgula flutuante Move dados entre posições de memória Efectua testes de variáveis e salta para um novo conjunto de instruções em funções do resultado dos testes Relação com o Hardware

38 Interrupções Interrompe o curso normal de execução de instruções pelo processador Aumenta a eficiência do processador: Permite ao processador efectuar outras operações enquanto operações de I/O estão em curso Relação com o Hardware

39 Interrupções Há vários tipos de interrupções: Program Overflow aritmético Divisão por zero Execução de instrução ilegal Referência fora do espeço de enedereçamento do processo Timer I/O Falha de hardware Handler da interupção: Código que determina que interrupção ocurreu e executa as acções que forem necessárias Relação com o Hardware

40 TI - SO e hardware: como interagem Quando um PC é ligado: O primeiro conjunto de instruções que se executa é o que se encontra na ROM Examina se o hardware está operacional (power-on self test - POST) Verifica se há erros de funcionamento no CPU, RAM e BIOS e guarda o resultado numa posição pre-definida de memória Quando o POST tiver sido concluído, o software da ROM (firmware) inicializa o drive de disco Esta activação permite encontrar a primeira parte do SO: bootstrap loader Relação com o Hardware

41 TI - SO e hardware: como interagem Bootstrap loader: Pequeno programa que faz o carregamento SO para memória Inicializa os drivers que fazem a interface com os vários periféricos Organiza (dividindo) a memória em partes que contém o SO e outr que é dedicada às aplicações Passa o controle ao SO Relação com o Hardware

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