Apresentação e Introdução

Transcrição

1 Apresentação e Introdução Sistemas Operativos Apresentação da UC Breve enquadramento histórico Definição Arquitectura geral Introdução ao mecanismo de System Call Alguns slides adaptados de slides do Eng. João Patriarca

2 Programa Enquadramento 1 semana Implementação de system call Gestão de memória 3 a 4 semanas Endereço virtuais e endereços físicos Mecanismos hardware MMU Memória virtual Bibliotecas de ligação dinâmica Processos e Threads 4 a 5 semanas Programação Concorrente Mecanismos de Sincronização Input/Output 2 semanas Acesso síncrono e assíncrono Comunicação em rede Sockets Sistemas de Ficheiros 2 semanas

3 Avaliação Avaliações 3 Trabalhos práticos Grupos de 2/3 pessoas. A média da componente prática bem como a classificação do 3º trabalho têm de ter avaliação positiva (>= 9,5). 2 Testes, sendo o primeiro durante o calendário lectivo e o segundo coincidente com a 1ª época de exame Nota mínima de 8 valores para cada teste. Média dos dois testes >= 9,5 valores Nota Final 50% Testes + 50% Trabalhos e discussão

4 Bibliografia Operating Systems: Internals and Design Principles, Sixth Edition William Stallings Prentice-Hall,2009 principal Windows via C/C++, Fifth Edition Jeffrey Richter Microsoft Press, 2007 Windows Internals, Fifth Edition Mark Russinovitch, David Salomon Microsoft Press, 2009 secundária

5 O que é um sistema operativo? Camada de software que abstrai o hardware das aplicações com o objectivo de: Simplificar e uniformizar o acesso à máquina física, mapeando os recursos físicos em recursos lógicos, acessíveis através de uma API (Aplication Program Interface). Gerir de forma eficiente a utilização dos recursos oferecidos pela máquina física (CPU, memória, dispositivos externos) entre todos os utilizadores (aplicações em execução). Interface com o utilizador Aplicações Modo Utilizador(User) Modo Supervisor(Kernel) Bibliotecas utilitárias Aplication Program Interface Sistema Operativo Hardware Interface programática Sistemas Operativos 5

6 Evolução dos Sistemas Operativos Pré-História - Processamento em série com alocação de tempo fixa por utilizador - Carregamento em lotes de jobs (tarefas a executar). Multi-utilizador em utilização de tempo real - Tempo partilhado com time slice - Endereçamento Virtual (isolamento) - Memória Virtual (swapping/paging file) Mono-utilizador, mono e multi programa - Interfaces gráficas Sistemas em Rede Sistemas Distribuídos Sistemas Multiprocessador Multi-Tarefa Sistemas assimétricos e simétricos Arquitecturas UMA e NUMA Sistemas para pequenos dispositivos - Sistemas Embebidos - Telemóveis,PDA s Sistemas para a cloud Multics Unix BSD-Unix MSDOS Mac,Windows, Unix + X- Windows Sun OS Mach OS Windows NT, Solaris, Linux ecos Symbian, IOS, Windows Phone, Android Sistemas Operativos 6

7 Evolução dos sistemas operativos [fins anos 40, meios 50] Processamento em série Computador de elevadas dimensões e caro ( electrónica discreta com válvulas como elementos activos, de muito reduzida fiabilidade). Muitos utilizadores usavam o mesmo computador, mas apenas um de cada vez, por períodos de tempo pré estabelecidos Os programas eram escritos directamente em linguagem máquina e executavam diretamente na arquitetura: Não existia o conceito de sistema operativo O programa era dado num cartão colocado num dispositivo de entrada (nos primeiros computadores a codificação era directa através de um plugboard) e carregado em memória e colocado em execução através de um programa monitor Sistemas Operativos 7

8 Evolução dos sistemas operativos [meios 50, início 60s] Sistemas batch (em lote) A invenção do transistor permitiu a construção de computadores com mais capacidade e muito mais fiáveis (mainframes). O computador continua a ser uma peça extremanente cara, usada para executar cálculos e resolver equações diferencias. Apareceimento da linguagem assembly e da primeira linguagem de alto nível FORTRAN. Surgiram os primeiros sistemas operativos que eram essecialmente carregadores e executores de programas em lote. Os programas dos vários utilizadores, escritos em fortran e assembly, eram recolhidos em cartões perfurados. Numa primeira fase um computador mais pequeno (computador de I/O), lia os cartões perfurados para uma fita. Um operador colocada manualmente a fita no computador de cálculo. A execução em lote gerava outra fita com os resultados, também recolhida manualmente e levada para o computador de I/O para impressão., sendo finalmente os resultados distribuídos aos utilizadores Sistemas Operativos 8

9 Evolução dos sistemas operativos [60s] Sistemas Time-sharing O modelo de execução em lotes não se adequava a programas que envolviam a leitura, processamento e escrita de ficheiros, que intervalavam operações de I/O com processamento. Como o acesso ao perférico de armazenamento era extemamente lento comparado com o CPU, este último fica subutilizado, o que mesmo numa perspectiva económica era um grande problema. Surgiram os sistemas em lote com multiprograma, em que vários programas podiam ser carregados em dieferentes partições de memória e executados em (pseudo) paralelismo. Como uma evolução do modelo em lote com multiprograma, surgiu o conceito timesharing, onde o CPU de ser partilhado directamente por múltiplos utilizadores em simultâneo e em tempo real, tanto utilizadores finais como programadores. Cada utilizador dispõe de um terminal onde pode editar, compilar e executar programas. A dinâmica do utilizador é bastante mais lenta que a do CPU permitindo um único CPU ser partilhado por múltiplos utilizadores. Esta perspetiva de utilização suporta-se na infra-estrutura Temporizador para escalonar o CPU por tempos contantes pelos múltiplos programas criando a ilusão de uma execução contínua (quantum de computação) Sistemas Operativos 9

10 Evolução dos sistemas operativos [80s] MSDOS Mudança de paradigma hardware a preço acessível: mainframe PC Menos exigente que um mainframe, o MSDOS é uniprograma. 1981, DOS 1.0, SO desenvolvido pela Microsoft para o primeiro PC da IBM 4000 linhas de código fonte assembly - Ocupava 8K Bytes de memória no Intel , DOS 2.0, desenvolvido para o primeiro PC IBM com disco, PC XT. O SO suportava um esquema hierárquico de directorias (muito restritivo ainda: apenas uma directoria com 64 ficheiros no máximo, adequado apenas paraa era da disquete, mas inadequado para discos rígidos). Ocupava já 24K Bytes de memória residente 1984, DOS 3.0, para o PC AT (Intel 286) O SO não retira partido da nova arquitectura considerando um 8086 rápido Ainda assim passou a ocupar 36K Bytes 1984, DOS 3.1, suporte de PC s em rede 1987, DOS 3.3 para a nova linha de PC s da IMB, PS/2 Continua a não retirar partido dos recursos proporcionados pelas novas arquitecturas Arquitectura Intel386 a 32 bits, ocupava 46K Bytes Este sistema operativo não consegue acompanhar a evolução do hardware Sistemas Operativos 10

11 Evolução dos sistemas operativos Windows Em paralelo (anos 80), a Microsoft desenvolve GUI que será colocado ente o utilizador e o DOS 1990, Windows 3.0, executa por cima do DOS Na tentativa falhada, de junto com a IBM, em desenvolver novo SO que tirasse proveito das novas arquitecturas,inicia um caminho próprio com o desenvolvimento do Windows NT Para além de aproveitar os recursos proporcionados pelas novas arquiteturas, disponibiliza sistema multitarefa tanto num ambiente mono utilizador como para vários utilizadores. 1993, Windows NT 3.1, mesmo GUI que o Windows 3.1 (sucessor do Windows 3.0) Novo SO a 32 bits 1996, Windows NT 4.0 Baseado na arquitetura interna do NT 3.x Mesmo GUI que o Windows 95 (sucessor do Windows 3.1) Principal alteração arquitetónica na mudança para modo kernel de alguns componentes gráficos pertencentes ao subsistema Win32que executavam em modo user. 2000, Windows NT 2000, arquitetura do kernel idêntica ao do NT 4.0 Adição de serviços e funcionalidades de suporte a sistemas em rede. Elemento central do Windows 2000: active directory Adicionadas facilidades Plug&Play, tal como no Windows 98 (sucessor do Windows 95) Adicionadas facilidades de gestão de consumo, tal como no Windows 98 (sucessor do Windows 95) Primeiro a distinguir a versão Servidora da versão pessoal: inclui serviços para componentes servidor em rede 2001, Windows XP, versão Home, Professional 2003, Windows Server 2003 Suporta CPUs a 32 bits e 64 bits (64 bit Intel Intanium) O primeiro service pack suporta os processadores AMD64, versão desktop e servidora 2007, Windows Vista Suporta arquiteturas Intel x86 e arquiteturas AMD x64 Versão servidora: Windows Server , Windows 7, Windows 7 foi uma atualização mais modesta e focalizada para a linha Windows 2012, Windows 8 suportado em diferentes tipos de dispositivos Sistemas Operativos 11

12 Evolução dos sistemas operativos UNIX 1970, PDP-7, Bells Labs (envolveu as mesmas pessoas do projecto MIT s Project MAC que deu origem ao CTSS e ao Multics) Primeiro milestone com o PDP-11 e o seguinte milestone com a rescrita do SO em C 1974, primeira vez publicado numa Revista Técnica 1976, licenças comerciais e para uso académico Primeira versão UNIX fora deste consórcio Bell e AT&T: UNIX BSD (Berkeley Software Distribution) 1982, Bell Labs combinou as várias variantes UNIX AT&T dando origem à versão com nome comercial UNIX System III, e mais tarde, com a adição de novas funcionalidades, a versão UNIX System V Sistemas UNIX modernos: System V Release 4 (SVR4), by AT&T and Sun Microsystems: combinação de funcionalidades do SVR3, 4.3BSD, Microsoft Xenix System V, e SunOS 4.4BSD: uma das versões mais amplamente usadas foi a FreeBSD; o MAC OS X, é baseado no FreeBSD 5.0 e no Mach 3.0 microkernel Solaris 10: baseado no SVR Sistemas Operativos 12

13 Evolução dos sistemas operativos Linux Variante UNIX para arquiteturas IBM PC (Intel 80386) 1991, primeira versão publicada na Internet pelo autor original Linus Torvalds (alunos finalista de curso de ciências da computação) o código fonte foi publicado e livre Rapidamente aceite pela comunidade colaborando na evolução do SO Atualmente suportado num grande número de plataformas Sistemas Operativos 13

14 Arquitectura do Sistema Operativo (monolítica) User mode Biblioteca de system calls (API) Kernel mode Gestão de Memória Gestão de Processos Sistema Operativo Comunicação e sincronização Sistemas de Ficheiros Gestão de I/O Interrupções e Gestores de Periféricos Hardware Arquitectura monolítica Organização em módulos Estruturas de dados globais Serviços do SO executam no contexto do processo chamador Sistemas Operativos 14

15 Arquitetura do Sistema Operativo (micro-kernel) User mode Gestores de periféricos Sistema de Ficheiros Aplicações As aplicações usam os canais de comunicação prividenciados pelo microkernel para usar os serviços dos componentes em user mode Kernel mode gestão processos e interrupções Micro kernel comunicação e sincronização gestão de espaços de endereçamento Arquitectura micro-kernel No kernel apenas os módulos essenciais: gestão de interrupções e processos, espaços de endereçamento, comunicação e sincronização. Outras componentes do S.O. como serviços em modo utilizador: memória virtual, device drivers, sistemas de ficheiros. Os serviços comunicam entre si através de mecanismos de comunicação através de mensagens providenciado pelo (micro) kernel. Adequado em ambientes distribuídos: processos servidores locais ou remotos são tratados da mesma forma. Também potencia o aumento da robustez uma vez que a falha num servidor pode permitir a sua eventual reiniciação sem comprometer de forma irreversível o resto do sistema Sistemas Operativos 15

16 Arquitectura simplificada do Windows NT smss.exe csrss.exe kernel32.dll user32.dll Ntdll.dll ntoskrnl.exe win32k.sys hal.dll Tirado do livro: Windows Internals, 5 Ed, de Russinovitch, Solomon e Ionescu Sistemas Operativos 16

17 Arquitectura do Windows NT (tipos de processos) The four basic types of user-mode processes are described as follows: System processes, such as the logon process and the session manager, that are not Windows services. (That is, they are not started by the service control manager) Service processes that host Windows services, such as the Task Scheduler and Spooler services. Services generally have the requirement that they run independently of user logons. Many Windows server applications, such as Microsoft SQL Server and Microsoft Exchange Server, also include components that run as services. User applications, which can be one of six types: Windows 32-bit, Windows 64-bit, Windows bit, MS-DOS 16-bit, POSIX 32-bit, or OS/2 32-bit. Environment subsystem server processes, which implement part of the support for the operating system environment, or personality presented to the user and programmer. Windows NT originally shipped with three environment subsystems: Windows, POSIX, and OS/2. OS/2 was dropped as of Windows As of Windows XP, only the Windows subsystem is shipped in the base product an enhanced POSIX subsystem is available as part of the free Services for Unix product. Retirado de Windows Internals Mark Russinovich & Al Sistemas Operativos 17

18 Requisitos típicos do hardware Mínimo de 2 níveis de execução Modo Utilizador (User Mode), Modo Supervisor (Kernel Mode) Instruções privilegiadas Comutação controlada entre modos de execução Mecanismos para criação de espaços de endereçamento virtuais Tradução entre endereços virtuais e endereços físicos Periféricos inteligentes Suportar a execução de operações de I/O de forma independente do CPU. Interrupções e DMA Timer Suporte a base de tempo do sistema. Entre outras razões para suportar um mecanismo de preempção na execução de processos ( evitar a monopolização do CPU) Sistemas Operativos 18

19 Alguma terminologia Processo instância de execução de um programa. Consiste num espaço de endereçamento, um ou mais fios de execução (threads) e conjunto de objectos sistema utilizados Memory Management Unit (MMU) Entidade hardware que mapeia, os endereços (virtuais) especificadas pelo execução de um programa em endereços físicos Espaço de endereçamento virtual Memory Management Unit RAM Scheduler Tabelas de mapeamento(por cada processo) construídas pelo SO Entidade que escalona, segundo as políticas especificadas, as threads activas para execução pelos CPUs disponíveis Sistemas Operativos 19

20 Bibliografia Stallings, Operating Systems Cap. 2, Operating Systems Overview, Secções 2.1 a 2.5 Solomon,Russinovitch- Windows Internal, 5ªEd Cap. 1, Concepts and Tools, Sec. 1.1 e 1.2 Cap. 2, System Architecture, Sec 2.1, 2.2 e Sistemas Operativos 20