Arquitetura de Sistemas Operacionais

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1 Arquitetura de Sistemas Operacionais 1. Histórico Tipos de Sistemas Operacionais Sistemas Monoprogramáveis Sistemas Multiprogramáveis Sistemas Batch Sistemas de Tempo Compartilhado Sistemas de Tempo Real Sistemas Multiprocessados Sistemas Multiprogramáveis Tratamento de Interrupções e Exceções Buffer Spool Reentrância Segurança e Proteção do Sistema Operações de E/S Estrutura do Sistema Operacional Estrutura do Sistema Funções do Sistema System Calls Modos de Acesso Arquiteturas: Sistemas monolíticos, em camadas e microkernel PROCESSO Componentes do processo Estados do processo Mudanças de estado Tipos de processo Gerência do Processador Funções Critérios de Escalonamento Escalonamentos Não-Preemptivos e Preemptivos Gerência de Memória / Memória Virtual Introdução Funções Alocação Contígua Simples Segmentação de programas

2 7.5 Alocação Particionada Estática Absoluta e Relocável Alocação Particionada Dinâmica Estratégias de Alocação de Partição Swapping Memória Virtual Algoritmos de substituição de páginas Gerência de sistemas de Arquivos Estrutura de diretórios Sistemas de alocação de arquivos Gerência de espaço livre Proteção de acesso BIBLIOGRAFIA

3 1. Histórico Antes da década de 50, os computadores eram muito difíceis de serem programados. Era necessário conhecer totalmente sua arquitetura, e tal operação era efetuada em painéis com cerca de conectores, em linguagem de máquina. Nesta fase os computadores não possuíam ainda dispositivos para interagir com o usuário, como teclados e monitores. Na década de 50, já com a utilização de transistores, sucedeu-se um grande avanço tecnológico, melhorando a velocidade dos processadores e a capacidade dos meios de armazenamento, em especial a memória e os discos magnéticos. Por volta de 1953 foi introduzido o primeiro sistema operacional, um programa de controle que permitia uma interação, mesmo que limitada, entre o operador e a máquina, otimizando a execução das tarefas. Em 1959 foi criada uma versão de sistema operacional que já implementava conceitos de memória virtual, conceito este largamente utilizado nos sistemas atuais. Na década de 60, a partir do surgimento dos circuitos integrados, foi possível difundir u uso de sistemas computacionais em empresas, com diminuição de custos e tamanho dos equipamentos. Além disso, esta década presenciou inúmeras inovações na área de sistemas operacionais, presentes até hoje, como os ambientes de multitarefa, multiprogramação, multiprocessamento e time-sharing, tendo o desenvolvimento destas técnicas avançado até o meado da década de 70, onde também foram implementadas as tecnologias baseadas em arquitetura VLSI (chips), as primeiras redes de computadores, e o desenvolvimento de diversas linguagens de programação de alto nível. A década de 80 foi marcada pela criação dos microcomputadores, baseados em microprocessadores de uso pessoal. Liderados pela IBM, diversos fabricantes seguiram por essa linha, porém alguns deles não abandonando a fabricação dos computadores de grande porte, como foi o caso da própria IBM. Nota-se que, a partir do meado da década de 80, acontece uma divisão de águas, com a indústria passando a produzir equipamentos de grande porte e muitos modelos de microcomputadores, que também precisavam de sistemas operacionais bastante evoluídos. Foram, então, utilizadas as técnicas modernas já existentes nos ambientes de grande porte na implementação de sistemas operacionais para os microcomputadores, com versões diversas, todas inicialmente monousuário/monotarefa (devido à baixa capacidade de armazenamento dos micros, naquela época). Com o avanço da tecnologia, os micros ganharam discos rígidos e outros periféricos, possibilitando a criação de sistemas operacionais mais evoluídos nesta categoria de computadores, quando surgiram os sistemas monousuário/multitarefa, que executam até hoje. 3

4 Cronologia Grande porte (mainframes) º Sistema Operacional Monoprogramável Monotarefa Sistemas Multitarefa Sistemas Multiprogramáveis Multitarefa Introduzido o conceito de Memória Virtual Microcomputadores 2. Tipos de Sistemas Operacionais Tipos de Sistemas Operacionais Sistemas Monoprogramáveis/ Monotarefa Sistemas Multiprogramáveis/ Multitarefa Sistemas Com Múltiplos Processadores 2.1 Sistemas Monoprogramáveis/Monotarefa Os primeiros sistemas operacionais eram voltados tipicamente para a execução de um único programa. Qualquer outra aplicação, para ser executada, deveria aguardar o término do programa corrente. Neste tipo de sistema, o processador, a memória e os periféricos permanecem exclusivamente dedicados à execução de um único programa. Os sistemas monoprogramáveis estão diretamente ligados ao surgimento, na década de 50/60, dos primeiros computadores. Embora os sistemas operacionais já tivessem evoluído com as tecnologias de multitarefa e multiprogramáveis, os sistemas monoprogramáveis voltaram a ser utilizados na plataforma de microcomputadores pessoais e estações de trabalho devido à baixa capacidade de armazenamento destas máquinas, na época. 4

5 Era muito clara a desvantagem deste tipo de sistema, no que diz respeito à limitação de tarefas (uma de cada vez), o que provocava um grande desperdício de recursos de hardware. CPU Memória Principal Dispositivos E/S Programa/Tarefa Sistema Monoprogramável/Monotarefa Comparados a outros sistemas, os monoprogramáveis são de simples implementação, não existindo muita preocupação com problemas decorrentes do compartilhamento de recursos como memória, processador e dispositivos de E/S. 2.2 Sistemas Multiprogramáveis/Multitarefa Constituindo-se uma evolução dos sistemas monoprogramáveis, neste tipo de sistema os recursos computacionais são compartilhados entre os diversos usuários e aplicações: enquanto um programa espera por um evento, outros programas podem estar processando neste mesmo intervalo de tempo. Neste caso, podemos observar o compartilhamento da memória e do processador. O sistema operacional se incumbe de gerenciar o acesso concorrente aos seus diversos recursos, como processador, memória e periféricos, de forma ordenada e protegida, entre os diversos programas. As vantagens do uso deste tipo de sistema são a redução do tempo de resposta das aplicações, além dos custos reduzidos devido ao compartilhamento dos recursos do sistema entre as diferentes aplicações. Apesar de mais eficientes que os monoprogramáveis, os sistemas multiprogramáveis são de implementação muito mais complexa. 5

6 CPU Programa/Tarefa Programa/Tarefa Programa/Tarefa Memória Principal Dispositivos E/S Sistema Multiprogramável/Multitarefa Programa/Tarefa Os sistemas multiprogramáveis/multitarefa podem ser classificados de acordo com a forma com que suas aplicações são gerenciadas, podendo ser divididos em sistemas batch, de tempo compartilhado e de tempo real, de acordo com a figura abaixo. Sistemas Multiprogramáveis/ Multitarefa Sistemas BATCH Sistemas de Tempo Compartilhado Sistemas de Tempo Real Sistemas BATCH Foram os primeiros sistemas multiprogramáveis a serem implementados na década de 60. Nesta modalidade, os programas eram submetidos para execução através de cartões perfurados e armazenados em disco ou fita, para posterior execução. Vem daí o nome batch (lote de cartões). O processamento em batch tem como característica não exigir interação do usuário com o sistema ou com a aplicação. Todas as entradas ou saídas são implementadas por meio de algum tipo de memória secundária, geralmente disco ou fita. Aplicações deste tipo eram utilizadas em cálculo numérico, compilações, back-ups, etc. 6

7 Estes sistemas, se bem projetados, podem ser bastante eficientes devido à melhor utilização do processador, mas podem oferecer tempos de resposta bastante longos. Atualmente, os sistemas operacionais simulam este tipo de processamento, não havendo sistemas dedicados a este tipo de execução Sistemas de Tempo Compartilhado Também chamados sistemas de time-sharing, permitem que diversos programas sejam executados a partir da divisão de tempo do processador em pequenos intervalos, denominados fatia de tempo (ou time-slice). Caso a fatia de tempo não seja suficiente para a conclusão do programa, este é interrompido pelo sistema operacional e substituído no processador por outro, enquanto aguarda nova fatia de tempo. Neste tipo de processamento, cada usuário tem a impressão de que a máquina está dedicada ao seu programa, como se ele fosse o único usuário a se utilizar do sistema. Geralmente permitem interação do usuário com a aplicação através de terminais compostos por monitor, teclado e mouse. Estes sistemas possuem uma linguagem de controle que permite ao usuário interagir com o sistema operacional através de comandos. Assim, é possível verificar arquivos armazenados em disco ou cancelar execução de programas. Normalmente, o sistema responde em apenas alguns segundos à maioria destes comandos, o que se levou a chamá-los também de sistemas on-line. A maioria das aplicações comerciais atualmente é processada em ambiente de tempo compartilhado, que oferece tempos baixos de respostas a seus usuários e menores custos, em função do alto grau de compartilhamento dos diversos recursos do sistema Sistemas de Tempo Real Este tipo de sistema é implementado de forma bastante semelhante ao de tempo compartilhado. O que caracteriza a diferença entre eles é o tempo exigido no processamento das aplicações. Enquanto nos sistemas de tempo compartilhado o tempo de processamento pode variar sem comprometer as aplicações em execução, nos sistemas de tempo real os tempos de execução devem estar dentro de limites rígidos, que devem ser obedecidos, caso contrário poderão ocorrer problemas irreparáveis. No sistema de tempo real não existe a idéia de fatia de tempo como nos sistemas de tempo compartilhado. Um programa ocupa o processador o tempo que for necessário ou até que apareça um outro com um nível de prioridade maior. Esta prioridade de execução é definida pela própria aplicação e não pelo sistema operacional, como nos sistemas de tempo compartilhado. 7

8 Estes sistemas são utilizados em aplicações de controle de processos, como monitoramento de refinarias de petróleo, controle de tráfego aéreo, de usinas, ou em qualquer aplicação onde o tempo de processamento é fator fundamental. 2.3 Sistemas com Múltiplos Processadores Os sistemas com múltiplos processadores caracterizam-se por possuir duas ou mais CPUs interligadas e trabalhando em conjunto. A vantagem deste tipo de sistema é permitir que vários programas sejam executados ao mesmo tempo ou que um mesmo programa seja subdividido em várias partes para serem executadas simultaneamente em mais de um processador. Esta técnica permitiu a criação de sistemas computacionais voltados para processamento científico, prospecção de petróleo, simulações, processamento de imagens e CAD. Um fator chave no desenvolvimento dos sistemas multiprocessados é a forma de comunicação entre as CPUs e o grau de compartilhamento da memória e dos dispositivos de E/S. Em função destes fatores, podemos classificar os sistemas multiprocessados de acordo com a figura a seguir: Sistemas com Múltiplos Processadores Sistemas Fortemente Acoplados Sistemas Fracamente Acoplados Simétricos Assimétricos Redes Distribuídos Tipos de Sistemas com Múltiplos Processadores Na figura podemos perceber a divisão dos sistemas multiprocessados em duas categorias iniciais: sistemas fortemente acoplados e fracamente acoplados. A grande diferença entre estas duas categorias é que nos sistemas fortemente acoplados existe apenas uma memória 8

9 a ser compartilhada pelos processadores do conjunto, enquanto que nos fracamente acoplados cada sistema tem sua própria memória individual. A taxa de transferência entre processadores e memória em sistemas fortemente acoplados é muito maior que nos fracamente acoplados. Nos sistemas fortemente acoplados a memória principal e os dispositivos de E/S são gerenciados por um único sistema operacional. Quando todos os processadores na arquitetura são iguais, diz-se que o sistema é simétrico. No entanto, quando os processadores são diferentes, dá-se à arquitetura a denominação assimétrica. Nos sistemas fracamente acoplados, como os processadores estão em arquiteturas diferentes, somente interligados por cabos de interconexão, cada CPU constitui uma máquina independente, com memória própria, dispositivos de E/S e sistemas operacionais independentes. Nesta subdivisão, temos como exemplo as redes e os sistemas distribuídos. No ambiente de rede, existem dois ou mais sistemas independentes (hosts), interligados por linhas telefônicas, que oferecem algum tipo de serviço aos demais, permitindo que um host compartilhe seus recursos, como impressora e diretórios, com os outros hosts da rede. Enquanto nos sistemas em rede os usuários têm conhecimento dos hosts e seus serviços, nos sistemas distribuídos os sistema operacional esconde os detalhes dos hosts individuais e passa a tratá-los como um conjunto único, como se fosse um sistema só, fortemente acoplado. Os sistemas distribuídos permitem, por exemplo, que uma aplicação seja dividida em partes e que cada parte seja executada por hosts diferentes na rede. Para os usuários e suas aplicações é como se não existisse a rede, mas um único sistema centralizado. Outros exemplos de sistemas distribuídos são os clusters. Em um cluster podem existir dois ou mais servidores ligados por algum tipo de conexão de alto desempenho, e o usuário não conhece os nomes dos membros do cluster e nem quantos são. Quando é necessário algum serviço, basta solicitar ao cluster para obtê-lo, sem se preocupar com quem vai dispor e oferecer tal serviço. Clusters são muito utilizados em servidores de bancos de dados e Web. 9

10 3. Sistemas Multiprogramáveis Um Sistema Operacional pode ser visto como um conjunto de rotinas que executam concorrentemente de forma ordenada. A possibilidade de um processador executar instruções em paralelo com operações de entrada e saída permite que diversas tarefas sejam executadas concorrentemente. É este conceito de concorrência o princípio fundamental para o projeto e implementação de sistemas multiprogramáveis. Os sistemas multiprogramáveis surgiram a partir das limitações dos sistemas monoprogramáveis onde os recursos computacionais como processador, memória e dispositivos de E/S eram utilizados de maneira muito pouco eficiente, limitando seu desempenho, com muitos destes recursos permanecendo ociosos por longos períodos de tempo. Nos sistemas monoprogramáveis somente um programa pode estar em execução de cada vez, permanecendo o processador dedicado exclusivamente a uma tarefa, ficando ocioso enquanto uma operação de leitura em disco é realizada. O tempo de espera é relativamente longo, já que as operações de E/S são muito lentas se comparadas à velocidade de operação do processador. Outro aspecto a ser considerado é a sub-utilização da memória principal, onde um programa nem sempre ocupa todo o espaço disponível, ficando o restante inutilizado. Nos sistemas multiprogramáveis vários programas podem ser alocados na memória, concorrendo pelo uso do processador. Dessa forma, quando um programa solicita uma operação de E/S, outros programas poderão utilizar o processador, deixando a CPU menos ociosa e tornando o uso da memória mais eficiente, pois existem vários residentes e se revezando na utilização do processador. A utilização concorrente da CPU deve ser feita de maneira que, quando um programa perde o uso do processador e depois retorna para continuar sua execução, seu estado deve ser idêntico ao do momento em que foi interrompido. O programa deverá continuar sua execução exatamente na instrução seguinte àquela onde havia parado, aparentando ao usuário que nada aconteceu. Em sistemas de tempo compartilhado existe a impressão de que o computador está inteiramente dedicado ao usuário, ficando esse mecanismo totalmente transparente aos usuários. Quanto ao uso dos periféricos, é comum nos sistemas monoprogramáveis é comum termos, por exemplo, impressoras paradas por um grande período de tempo e discos com acesso restrito a um único usuário. Esses problemas são minimizados nos sistemas multiprogramáveis, onde é possível compartilhar os dispositivos de E/S, como impressoras e discos, entre diversos usuários e aplicativos. 10

11 3.1 Interrupção e Exceção Durante a execução de um programa, alguns eventos inesperados podem ocorrer, ocasionando um desvio forçado no seu fluxo normal de execução. Esses eventos são conhecidos como interrupção ou exceção, e podem ser resultado de sinalizações de algum dispositivo de hardware externo ao ambiente memória/processador. A diferença entre interrupção e exceção é dada pelo tipo de evento ocorrido, embora alguns autores e fabricantes não façam tal distinção. A interrupção é o mecanismo que permitiu a implementação da concorrência nos computadores, sendo o fundamento básico dos sistemas multiprogramáveis/multitarefa. Uma interrupção é sempre gerada por um evento externo ao programa e, sendo assim, independe da instrução que está sendo executada. Um exemplo de interrupção é quando um dispositivo avisa ao processador que alguma operação de E/S está completa. Neste caso, o processador deve interromper o programa para tratar o término da operação. Ao término de cada instrução a Unidade de Controle (situada dentro do processador) verifica a ocorrência de algum tipo de interrupção. Desta forma, o programa em execução é interrompido e seu controle é desviado para uma rotina do sistema responsável por tratar o evento ocorrido, denominada rotina de tratamento de interrupção. Para que o programa interrompido possa retornar posteriormente à sua execução é necessário que, no momento da interrupção, um certo conjunto de informações sobre sua execução seja preservado. Essas informações consistem basicamente no conteúdo dos registradores internos da CPU, que deverão ser restaurados para a continuação do programa. Programa Salva Contexto Interrupção Identifica a origem Trata a Interrupção Restaura Contexto Rotina de Tratamento Mecanismo de interrupção/exceção 11

12 Para cada tipo de interrupção existe uma rotina de tratamento associada, para onde o fluxo do programa é desviado. A identificação do tipo de evento ocorrido é fundamental para determinar o endereço da rotina adequada ao tratamento da interrupção. As interrupções podem ser geradas: - Pelo programa do usuário (entrada de dados pela console ou teclado) - Pelo hardware (operações de E/S) - Pelo sistema operacional (ao término da fatia de tempo do processador destinada ao programa) As interrupções sempre são tratadas pelo Sistema Operacional. A exceção é um evento semelhante à interrupção, pois também de fato interrompe um programa. A principal diferença é que a exceção é o resultado da execução de uma instrução dentro do próprio programa, como a divisão por zero ou a ocorrência de um overflow (estouro de capacidade de um campo) numa operação aritmética. Na maioria das vezes, a exceção provoca um erro fatal no sistema, causando o término anormal do programa. Isto se deve ao fato de que a exceção é melhor tratada dentro do próprio programa, com instruções escritas pelo programador. 3.2 Buffer A técnica de buffering consiste nua utilização de uma área em memória principal, denominada buffer, criada e mantida pelo Sistema Operacional, com a finalidade de auxiliar a transferência de dados entre dispositivos de E/S e a memória. O buffer permite minimizar a disparidade de velocidade entre o processador e os dispositivos de E/S, e tem como objetivo principal manter tanto os dispositivos de E/S como o processador ocupados a maior parte do tempo. A unidade de transferência do mecanismo de buffering é o registro. O buffer deve permitir o armazenamento de vários registros, de forma que o processador tenha à sua disposição dados suficientes para processar sem ter que interromper o programa a cada leitura/gravação no dispositivo de E/S. Enquanto o processador está ocupado processando, os dispositivos de E/S estão efetuando operações para outros processos. 3.3 SPOOL A técnica de spooling foi criada inicialmente para auxiliar a submissão de processos ao sistema, sendo os processos gravados em fita para posterior leitura e execução. 12

13 Com o aparecimento dos terminais para acesso ao sistema, esta técnica teve sua função adaptada para armazenar o resultado da impressão dos programas em execução. Isto é conseguido através da criação e manutenção, pelo Sistema Operacional de uma grande área em disco, com a finalidade de simular uma impressora. Desta forma, todos os usuários e seus programas imprimem, na verdade, para este arquivo em disco, liberando a associação dos dispositivos de impressão diretamente aos programas que estão executando. O usuário consegue visualizar o resultado de seus programas na tela dos terminais, gerando assim mais eficiência e economia de papel e fita de impressão. À proporção que vão sendo gerados no SPOOL, os relatórios vão sendo liberados para impressão pelo operador do sistema, de forma ordenada e seqüencial. Para cada usuário, é como se ele tivesse uma impressora associada para si. 3.4 Reentrância É comum, em sistemas multiprogramáveis, vários usuários utilizarem os mesmos aplicativos simultaneamente, como editores de texto, compiladores e outros utilitários. Nesta situação, se cada usuário que utilizasse um destes aplicativos trouxesse o código executável para a memória, haveria então diversas cópias de um mesmo programa ocupando espaço na memória, o que causaria um grande desperdício de espaço. Reentrância é a capacidade de um código executável (código reentrante) ser compartilhado por vários usuários, exigindo apenas uma cópia do programa em memória. A reentrância permite que cada usuário esteja executando um trecho diferente do código reentrante, manipulando dados próprios, exclusivos de cada usuário. Normalmente códigos reentrantes são utilizados em utilitários do sistema, como editores, compiladores e linkers, promovendo um uso mais eficiente da memória e um desempenho maior do sistema. Alguns sistemas operacionais permitem a possibilidade de se implementar o conceito de reentrância em aplicações desenvolvidas pelo próprio usuário, mas não é comum. 3.5 Segurança e Proteção do Sistema A eficiência proporcionada por um ambiente multiprogramável implica em maior complexidade do sistema operacional, já que alguns problemas de proteção surgem como decorrência deste tipo de implementação. Considerando-se que diversos usuários estão compartilhando os mesmos recursos, como memória, processador e dispositivos de E/S, faz-se então necessário existir mecanismos de proteção para garantir a confiabilidade e a integridade dos dados e programas dos usuários, além do próprio sistema operacional. 13

14 Como vários programas ocupam a memória principal simultaneamente, cada usuário possui uma área reservada onde seus programas e dados são armazenados durante o processamento. O sistema operacional deve possuir mecanismos de proteção a essas áreas, de forma a preservar as informações nela contidas. Caso um programa tente acessar uma posição de memória fora de sua área, um erro indicando a violação de acesso deve ocorrer, sendo responsabilidade do sistema operacional o controle eficiente do compartilhamento dos recursos e a sincronização da comunicação, evitando problemas de consistência. Semelhante ao compartilhamento da memória, um disco também armazena arquivos de diferentes usuários. Novamente o sistema operacional deve garantir a integridade e confiabilidade dos dados de cada usuário. Todo o controle da segurança do sistema é implementado pelo sistema operacional, a partir de mecanismos como grupos de usuários, perfis de usuários e direitos de acesso. A proteção começa geralmente no procedimento de login, quando o usuário faz a conexão inicial ao sistema, através de nome do usuário e senha. A partir daí, toda uma estrutura de controle é iniciada, em função da identificação do usuário, no sentido de proteger as áreas alocadas em memória, em disco, e até mesmo o uso do processador. A proteção e segurança do sistema pode ser implementada também a nível do programa do usuário, com a inserção de rotinas específicas dentro do programa para controlar o acesso de usuários ao aplicativo, além de controlar internamente quais telas e funções tal usuário pode acessar. 3.6 Operações de Entrada e Saída Nos primeiros sistemas computacionais, a comunicação entre o processador e os periféricos era direta, sendo o processador responsável por efetuar as operações de leitura/gravação nos dispositivos. O surgimento do controlador de E/S permitiu ao processador agir de maneira independente dos dispositivos de E/S. Com esse novo elemento, o processador não mais se comunicava diretamente com os periféricos, mas sim via controlador. Passou a existir então três maneiras básicas de se implementar operações de E/S: - por programa: o processador sincronizava-se com o periférico e iniciava a transferência de dados, ficando permanentemente testando o estado do periférico para saber quando a operação chegaria ao seu final. O processador ficava ocupado até o término da operação de E/S. 14

15 - por interrupção: evoluindo o processo anterior, após o início da transferência de dados o processador passou a ficar livre para realizar outras tarefas. Assim, em determinados intervalos de tempo o sistema operacional deveria testar o estado dos periféricos para saber se a operação de E/S tinha terminado. Este tipo de operação permitiu um certo grau de paralelismo, já que um programa poderia ser processado enquanto uma operação de leitura/gravação em periférico estava sendo efetuada. Isto permitiu a implementação dos primeiros sistemas multiprogramáveis. CPU Memória Principal Controlador Dispositivos de E/S - A necessidade de se transmitir cada vez um volume maior de informações trouxe uma evolução significativa nas operações de E/S. Em vez de o processador ser interrompido várias vezes para interrogar os dispositivos para saber do resultado das operações, o que diminuía sua eficiência devido ao excesso de interrupções, foi criado um dispositivo de transferência de dados chamado de DMA Direct Memory Access. Esta técnica permite que um bloco de dados seja transferido entre a memória e os dispositivos de E/S sem a intervenção do processador, a não ser no início (quando a operação é solicitada) e no final da transferência (quando o processador é notificado sobre o término da operação). Na figura a seguir, podemos ver a implementação do canal de E/S gerenciando vários controladores e, ligados a estes, vários periféricos. 15

16 O canal de E/S funciona então como uma interface entre os controladores e a CPU, como mostra a figura a seguir: CPU Memória Principal Canal de E/S Controlador Controlador Dispositivos de E/S Dispositivos de E/S 16

17 4. Estrutura do Sistema Operacional 4.1 Estrutura do Sistema USUÁRIO UTILITÁRIOS NÚCLEO DO SISTEMA HARDWARE Hierarquia do Sistema Operacional O sistema operacional é formado por um conjunto de rotinas que oferecem serviços essenciais aos usuários, às suas aplicações, e também ao próprio sistema. A esse conjunto de rotinas dá-se o nome de núcleo do sistema ou kernel. É fundamental não se confundir o núcleo do sistema com aplicações, utilitários ou o interpretador de comandos, que acompanham o sistema operacional. As aplicações são utilizadas pelos usuários de maneira transparente, escondendo todos os detalhes da interação com o sistema. Os utilitários, como os compiladores, editores de texto e interpretadores de comandos permitem aos usuários, desenvolvedores e administradores de sistema uma interação amigável com o sistema. Existe uma grande dificuldade em compreender a estrutura e o funcionamento do sistema operacional, pois ele não é executado como uma aplicação tipicamente seqüencial, com início, meio e fim. Os procedimentos do sistema são executados concorrentemente sem uma ordem específica ou predefinida, com base em eventos dissociados do tempo. Muitos desses eventos estão relacionados ao hardware e a tarefas internas do próprio sistema operacional. 17

18 4.2 Funções do Sistema As principais funções do núcleo encontradas na maioria dos sistemas comerciais são as seguintes: - Tratamento de interrupções e exceções: já explicados anteriormente, em detalhes; - Criação e eliminação de processos: função responsável por alocar em memória todos os recursos necessários à execução do processo. É esta função que aloca em memória, além do executável, o contexto do processo, o buffer de leitura/gravação (se necessário), além de listas e estruturas de controle utilizadas pelo sistema operacional. Nesta função também são estabelecidos vínculos físicos a arquivos em disco, fitas e outros periféricos que serão usados no processamento. Quando do fim da execução do programa, é esta função que desaloca todos os espaços em memória ocupados pelo processo, liberando-os para futuras alocações a outros processos; - Escalonamento e controle de processos: função responsável por organizar a fila de acesso ao processador. Utiliza parâmetros do sistema e do perfil do usuário para estabelecer a ordem em que os processos permanecerão à espera pela liberação da CPU, para então entrarem em execução; - Gerência de memória: função responsável por fornecer à função de criação/eliminação de processos os endereços em memória disponíveis para alocação; - Gerência de sistemas de arquivos: responsável pelo gerenciamento dos arquivos, bem como seu compartilhamento pelos diversos usuários, implementando mecanismos de controle da segurança e direitos de acesso às áreas utilizadas pelos usuários nos diversos dispositivos; - Gerência de dispositivos de E/S: responsável por gerenciar os dispositivos, prestando auxílio à criação/eliminação de processos e á gerência de sistemas de arquivos no que diz respeito ao endereçamento e associação de arquivos em periféricos; - Suporte a redes e teleprocessamento: é esta função que executa todos os serviços de rede, fazendo o empacotamento das mensagens vindas dos terminais para a CPU central e vice-versa, além de controlar e confirmar o envio e recebimento de todas as mensagens que trafegam pela rede; - Contabilização de uso do sistema: responsável por contabilizar o uso de todos os recursos do sistema consumidos pelos usuários e suas aplicações. São registrados: tempo de CPU, tempo corrido, quantidade de área alocada em memória, em disco, linhas impressas, páginas de papel, entre outros. Isto se faz necessário para servir de subsídio para análise de performance, estatísticas de gastos com material de consumo e também para definição de custos de processamento.; 18

19 - Auditoria e segurança do sistema: função extremamente importante, pois detecta e registra (num arquivo especial de LOG) todas as ocorrências de erro e violação de direitos de acesso ao sistema, aos arquivos, à memória e a todos os recursos do sistema. O arquivo de LOG é usado pela gerência de sistemas, com o intuito de verificar e aperfeiçoar os mecanismos de segurança e proteção ao sistema. A estrutura do sistema, a maneira como ele é organizado e o inter-relacionamento entre seus diversos componentes pode variar conforme a concepção do projeto do sistema. 4.3 System Calls Uma grande preocupação no projeto de sistemas operacionais se refere à implementação de mecanismos de proteção ao núcleo do sistema e também o controle de acesso aos serviços oferecidos pelo sistema. Caso uma aplicação que tenha acesso ao núcleo realize alguma operação que altere sua integridade, todo o sistema poderá ficar comprometido e inoperante. As system calls podem ser entendidas como uma porta de entrada para acesso ao núcleo do sistema e aos seus serviços. Sempre que um usuário ou uma aplicação necessita de algum serviço do sistema, é realizada uma chamada a uma de suas rotinas através de uma system call. Através dos parâmetros fornecidos na system call, a solicitação é processada e uma resposta é enviada à aplicação juntamente com um estado de conclusão indicando o sucesso ou não da operação. Para cada serviço disponível existe uma system call associada, e cada sistema operacional possui seu próprio conjunto de chamadas, com nomes, parâmetros e formas de ativação específicos. Isto explica por que uma aplicação desenvolvida utilizando serviços de um determinado sistema operacional não pode ser diretamente portada para um outro sistema. Aplicação System Call Núcleo do Sistema Operacional Biblioteca Hardware 19

20 4.4 Modos de Acesso Existem certas instruções que não podem ser colocadas diretamente à disposição das aplicações, pois a sua utilização indevida poderia ocasionar sérios problemas à integridade do sistema. Imagine que uma aplicação atualize um arquivo em disco. O programa, por si só, não pode especificar diretamente as instruções que acessam seus dados no disco pois, como o disco é um recurso compartilhado, sua utilização deve ser gerenciada unicamente pelo sistema operacional. Tal procedimento evita que a aplicação possa ter acesso a qualquer área do disco indiscriminadamente, o que poderia comprometer a segurança e a integridade do sistema de arquivos. Assim, fica claro que existem certas instruções que só podem ser executadas pelo sistema operacional ou sob sua supervisão. As instruções que têm o poder de comprometer o sistema são chamadas de instruções privilegiadas, enquanto as instruções que não comprometem o funcionamento do sistema chamam-se instruções não-privilegiadas. Para que uma aplicação possa executar uma instrução privilegiada, é preciso que haja um mecanismo de proteção no processador, chamado modos de acesso. Existem basicamente dois modos de acesso ao processador: modo usuário e modo kernel. Quando o processador trabalha no modo usuário, somente instruções não-privilegiadas podem ser executadas, tendo assim acesso a um número limitado de instruções do processador. Já no modo kernel (ou supervisor), a aplicação pode ter acesso ao conjunto total de instruções do processador. A melhor maneira de controlar o acesso às instruções privilegiadas é permitir que apenas o sistema operacional tenha acesso a elas. Sempre que uma aplicação necessita executar uma instrução privilegiada, a solicitação deve ser feita através de uma system call, que altera o modo de acesso ao processador do modo usuário para o modo kernel. Ao término da execução da rotina do sistema, o modo de acesso retorna para o modo usuário. 20

21 4.5 Arquiteturas: Sistemas monolíticos, em camadas e microkernel - Arquitetura monolítica: é caracterizada por possuir seus módulos compilados separadamente mas linkados formando um único e enorme programa executável. Onde os módulos podem interagir livremente. Os primeiros sistemas operacionais foram desenvolvidos com base nesta arquitetura, o que tornava seu desenvolvimento e, principalmente, sua manutenção muito difíceis. Como vantagens desta arquitetura podemos citar a rapidez de execução e simplicidade de implementação. Como desvantagens, a limitação quanto a inovações futuras e a dificuldade de manutenção. Aplicação Aplicação Modo Usuário Modo Kernel System call Núcleo do Sistema Hardware Arquitetura monolítica 21

22 - Arquitetura em camadas: com o aumento do tamanho do código dos sistemas operacionais, técnicas de programação estruturada e modular foram incorporadas em seu projeto.na arquitetura em camadas, o sistema é dividido em níveis sobrepostos. Cada camada oferece um conjunto de funções que podem ser utilizadas somente pelas camadas superiores. Neste tipo de implementação as camadas mais internas são mais privilegiadas que as camadas mais externas. A vantagem da estruturação em camadas é o isolamento das funções do sistema, facilitando sua manutenção. Uma desvantagem é o desempenho, comprometido devido às várias mudanças de estado do processador provocado pela mudança de camadas. A figura a seguir mostra esta arquitetura. Camada Usuário Camada Supervisor Camada Executivo Kernel Arquitetura em camadas - Arquitetura microkernel (cliente x servidor): uma tendência nos sistemas operacionais modernos é tornar o núcleo do sistema o menor e o mais simples possível. Para implementar esta idéia, os serviços do sistema são disponibilizados através de processos, onde cada um é responsável por oferecer um conjunto específico de funções, como gerência de arquivos, gerência de processos, gerência de memória e escalonamento. Sempre que uma aplicação deseja algum serviço, é realizada uma solicitação ao processo responsável. Neste caso, a aplicação que está solicitando o serviço é chamada de cliente, enquanto o processo que responde à solicitação é chamado de servidor. Um cliente, que pode ser uma aplicação do usuário ou um outro componente do sistema operacional, solicita um serviço enviando uma mensagem para o servidor. O servidor responde ao cliente através de uma outra mensagem. A principal função do núcleo é realizar a comunicação, ou seja, a troca de mensagens entre o cliente e o servidor. A utilização 22

23 deste modelo permite que os servidores operem em modo usuário, não tendo acesso direto a certos componentes do sistema. Apenas o núcleo do sistema, responsável pela comunicação entre clientes e servidores, executa em modo kernel. Como conseqüência, se ocorrer um erro em algum servidor,este poderá parar, mas o sistema não ficará inteiramente comprometido, aumentando assim a sua disponibilidade. Como os servidores se comunicam através de trocas de mensagens, não importa se os clientes e servidores processam em um sistema com um único processador, com vários processadores ou ainda em um ambiente de sistema distribuído. A arquitetura microkernel permite isolar as funções do sistema operacional por diversos servidores pequenos e dedicados a serviços específicos, tornando o núcleo menor, mais fácil de depurar (procurar e solucionar erros) e, com isso, aumentando a sua confiabilidade. Apesar de todas as vantagens deste modelo, sua implementação é muito difícil. A começar pelo desempenho, comprometido devido às várias trocas de modo de acesso a cada troca de mensagens entre cliente e servidor. Outro problema é que certas funções do sistema operacional, como operações de E/S, exigem acesso direto ao hardware. Assim, o núcleo do sistema, além de promover a comunicação entre clientes e servidores, passa a incorpora funções críticas do sistema, como escalonamento, tratamento de interrupções e gerência de dispositivos. Servidor Arquivo Servidor Processo Servidor Memória Servidor Impressão Servidor Rede Modo Usuário Modo Kernel Microkernel Hardware 23

24 5. PROCESSO O conceito de processo é a base para a implementação de um sistema multiprogramável. O processador é projetado apenas para executar instruções, não sendo capaz de distinguir qual programa se encontra em execução.a gerência de um ambiente multiprogramável é função exclusiva do sistema operacional, que deve controlar a execução dos diversos programas e o uso concorrente do processador. A gerência do processador é uma das principais funções de um sistema operacional. Através dos processos, um programa pode alocar recursos, compartilhar dados e trocar informações. 5.1 Componentes do processo Um processo pode ser entendido inicialmente como um programa em execução, que tem suas informações mantidas pelo sistema operacional. Num sistema multiusuário, cada usuário tem a impressão de possuir o processador e todos os demais recursos reservados exclusivamente para si, mas isto não é verdade. Todos os recursos estão sendo compartilhados, inclusive a CPU. Neste caso, o processador executa o processo do usuário por um intervalo de tempo e, no instante seguinte, poderá estar processando um outro programa, do mesmo ou de outro usuário. Para que a troca de processos possa ser feita sem problemas, é necessário que todas as informações do programa que está sendo interrompido sejam guardadas, para que ele possa retornar à CPU exatamente do ponto em que parou, não lhe faltando nenhuma informação vital à sua continuação. Todas as informações necessárias à execução de um programa fazem parte do processo. Um processo também pode ser definido como o ambiente onde o programa é executado. Este ambiente, além das informações sobre a execução, possui também a quantidade de recursos do sistema que o programa pode utilizar,como espaço de endereçamento, tempo do processador e área em disco. Um processo é formado por três partes: contexto de software, contexto de hardware e espaço de endereçamento, que juntas mantêm todas as informações necessárias à execução de um programa. 24

25 Estrutura do processo: Contexto de Software Programa Contexto de Hardware Espaço de endereçamento Contexto de Software: neste contexto são especificadas características e limites dos recursos que podem ser alocados pelo processo, como número máximo de arquivos abertos, prioridade de execução, número máximo de linhas impressas, etc. Muitas destas características são criadas no momento da criação do processo, quando da sua alocação. O sistema operacional obtém, a partir do cadastro de usuários e do cadastro de contas no sistema, as informações e características que valerão para o processo. O contexto de software é composto por tr?es grupos de informações: - Identificação: neste grupo são guardadas informações sobre o usuário que criou o processo, e, em função disso, suas áreas de atuação no sistema. - Quotas: são os limites de recursos do sistema que um processo pode alocar, como área utilizada em disco, em memória, limite de linhas impressas, número máximo de arquivos abertos, número máximo de operações de E/S pendentes, tempo limite de CPU, etc. - Privilégios: diz respeito principalmente às prioridades assumidas pelo processo durante sua execução. Contexto de Hardware: armazena o conteúdo dos registradores gerais da CPU, além dos registradores de uso específico. Quando um processo está em execução, o seu contexto de hardware está armazenado nos registradores da CPU. No momento em que o processo perde a utilização da CPU, o sistema salva as informações no contexto de hardware do processo. A troca de um processo por outro no processador, comandada pelo sistema operacional, é denominada troca de contexto, que consiste em salvar o conteúdo dos registradores do processo que está deixando a CPU e carrega-los com os valores 25

26 referentes ao do novo processo que irá executar. Essa operação resume-se em substituir o contexto de hardware de um processo pelo de outro. Espaço de endereçamento: é a área de memória pertencente a um processo onde as instruções e os dados do programa são armazenados para execução. Cada processo possui seu próprio espaço de endereçamento, que deve ser devidamente protegido do acesso dos demais processos. Os contextos de software e de hardware não fazem parte do espaço de endereçamento. Bloco de controle do processo: é a estrutura de dados que compõe o processo, contendo os contextos de software e de hardware e o espaço de endereçamento. O BCP reside em memória, numa área reservada ao sistema operacional. 5.2 Estados do processo Num sistema multiprogramável, um processo não deve alocar a CPU com exclusividade, de forma que possa existir um compartilhamento no uso do processador. Os processos passam por diferentes estados ao longo do processamento, em função de eventos gerados pelo sistema operacional, pelo hardware, ou pelo próprio programa. São estados possíveis de um processo: - Criação: neste estado o processo está sendo alocado na memória, sendo criado no sistema. Todos os recursos necessários à execução do processo são reservados durante a passagem do processo por este estado, o que acontece uma única vez. Vários processos podem estar neste estado, ao mesmo tempo. - Pronto: é o estado onde os processos, depois de criados ou quando retornam do tratamento de uma interrupção, permanecem aguardando a liberação da CPU para que possam iniciar ou continuar seu processamento. É como se fosse uma fila, gerenciada pelo sistema operacional, que se incumbe de organizar os processos de acordo com as informações contidas no contexto de software (identificação, quotas e privilégios). Vários processos podem estar neste estado, ao mesmo tempo. - Execução: é onde o processo efetivamente utiliza a CPU. Ele permanece no processador até que seja interrompido ou termine sua execução. Neste estado, somente um processo pode permanecer de cada vez, já que existe apenas um processador. - Espera: neste estado estão todos os processos que sofreram algum tipo de interrupção de E/S, onde permanecem até que a intervenção seja resolvida. Vários processos podem estar neste estado, ao mesmo tempo. 26

27 - Saída: é o estado final do processo, quando este termina seu processamento. Vários processos podem estar neste estado, ao mesmo tempo. 5.3 Mudanças de estado do processo Um processo muda de estado diversas vezes durante sua permanência no sistema, devido aos eventos ocorridos durante sua execução. São mudanças possíveis: - Criação Pronto: o processo foi criado, tem seus recursos alocados, e está apto a disputar o uso da CPU. - Pronto Execução: o processo é o primeiro da fila de pronto e a CPU fica disponível. Neste momento o processo passa a ocupar a CPU, permanecendo em execução até que seja interrompido ou termine sua execução. - Execução Pronto: o processo foi interrompido por fatia de tempo ou por prioridade. Ainda precisa de mais tempo na CPU para terminar sua execução, não tem nenhuma intervenção pendente, por isso volta à fila de pronto para disputar novamente o uso da CPU. - Execução Espera: esta transição acontece quando o processo foi interrompido por E/S. Significa que deve permanecer no estado de espera até que a interrupção seja tratada pelo sistema. Neste estado o processo fica impedido de disputar o uso da CPU. - Espera Pronto: Após o término do tratamento da interrupção, o processo volta à fila de pronto para disputar novamente o uso da CPU. - Execução Saída: o processo terminou, e não mais disputará o uso da CPU. A seguir, a figura mostra as mudanças possíveis de estado de um processo. Pronto Execução Mudanças de estado de um processo 27

28 5.4 Tipos de processos Além dos processos do usuário, a CPU também executa processos do sistema. São aqueles que oferecem os serviços do sistema operacional aos usuários, como criação/eliminação de processos, tratamento de interrupção e todos aqueles correspondentes às funções do sistema já estudadas. Estes executam sempre, com certa prioridade, concorrendo com os processos do usuário. Os processos em execução, do usuário, podem assumir dois tipos diferentes, de acordo com suas características de uso de CPU e periféricos: - Processo CPU-bound: é aquele processo que utiliza muito a CPU. Ele ganha uma fatia de tempo e a utiliza por inteiro, sem desperdiçar nenhum tempo. É o caso de programas científicos, de cálculo numérico, estatística, matemática, e também na área de simulação. Normalmente fazem pouca ou nenhuma entrada de dados, e muito processamento. - Processo I/O-bound: é o tipo de processo que utiliza muito mais E/S do que CPU. Aplicações em Banco de Dados, onde se faz consultas e atualizações constantes em arquivos em disco são um bom exemplo deste tipo de processo. De acordo com essas características, podemos dizer que este tipo de processo permanece mais tempo em espera (tratando interrupções) do que propriamente em execução, ocupando a CPU por períodos mínimos de tempo. 28

29 6. Gerência do Processador 6.1 Funções Com o surgimento dos sistemas multiprogramáveis, onde múltiplos processos poderiam permanecer na memória e disputar o uso de um único processador, a gerência do processador tornou-se uma das atividades mais importantes em um sistema operacional. A partir do momento em que vários processos podem estar no estado de pronto, devem ser estabelecidos critérios para definir qual processo será escolhido para fazer uso do processador. Tais critérios compõem a política de escalonamento, que é a base da gerência do processador e da multiprogramação em um sistema operacional. Dentre as funções da gerência do processador, podemos citar: manter o processador ocupado a maior parte do tempo. balancear o uso da CPU entre processos, privilegiar a execução de aplicações críticas, maximizar o throughput e oferecer tempos de resposta razoáveis aos usuários interativos. Cada sistema operacional possui sua política de escalonamento adequada ao seu propósito e às suas características. Sistemas de tempo compartilhado, por exemplo, possuem requisitos de escalonamento distintos dos sistemas de tempo real. 6.2 Critérios de escalonamento - Utilização do processador: corresponde a uma taxa de utilização, que na maioria dos sistemas varia entre 30 e 90%. Uma utilização abaixo dos 30% indicaria um sistema ocioso, com carga de processamento baixa, enquanto uma taxa de utilização acima dos 90% pode indicar um sistema bastante carregado, próximo da sua capacidade máxima (em alguns casos tal situação pode levar a um crash travamento do sistema). - Throughput: é o número de processos executados em um determinado intervalo de tempo. Quanto maior o throughput, maior o número de tarefas executadas em função do tempo. A maximização do throughput é desejada na maioria dos sistemas. - Tempo de Processador: é o tempo que um processo leva no estado de execução, durante seu processamento. As políticas de escalonamento não interferem neste parâmetro, sendo este tempo função apenas do código executável e da entrada/saída de dados. - Tempo de Espera (pela CPU): é todo o tempo que o processo permanece na fila de pronto, aguardando a liberação da CPU para ser executado. A redução deste tempo de espera é desejada pela maioria das políticas de escalonamento. 29