Definição do problema SISTEMAS OPERACIONAIS. Conteúdo. Como solucionar o problema? 22/6/2009

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1 Definição do problema SISTEMAS OPERACIONAIS Um sistema de computação consiste de diversos dispositivos. Todos os dispositivos são complexos de manipular. Escrever programas que fazem usos desses dispositivos é uma tarefa difícil. Renato O. Violin Conteúdo Como solucionar o problema? Introdução ao S.O Gerenciamento de processos. Gerenciamento de memória. Dispositivos de Entrada/Saída.. Utilizar uma camada de software chamada sistema operacional. Ele gerencia todos esses dispositivos e fornece uma interface de mais alto nível para acesso ao hardware. 1

2 O que é um Sistema Operacional? É um software que realiza duas funções: Estende a máquina, isto é, esconde do programador a verdade sobre a programação do hardware e apresenta uma forma mais simples de acessar o hardware. Gerencia recursos, isto é, controla todo o hardware e controla a concorrência entre os diversos processos que tentam usar esse hardware. Resumindo... Sistema operacional é um software utilizado para facilitar a utilização do hardware, fornecendo ao usuário uma abstração maior, evitando que o programador acesse as instruções de hardware. O S.O gerencia os recursos de hardware, como por exemplo: endereçamento de memória, fila de processos para execução, concorrência entre processos. Exemplo de acesso ao hardware Estrutura de um computador moderno Queremos gravar dados em um disquete sem um S.O: O controlador do disquete tem 16 funções de baixo nível; Funções de leitura/escrita têm 13 parâmetros; Retornam 23 informações de status. É preciso verificar o status do motor. Se deixar ligado por muito tempo, ele desgasta. 2

3 Estrutura de um computador moderno Dispositivos físicos: circuitos, unidades de disco etc. Microprogramação: constituída por softwares capaz de interpretar e executar as instruções de máquina recebidas da camada superior. Estrutura de um computador moderno Utilitários: compiladores, editores texto, interpretador de comando. Aplicativos: navegador web, bate-papo etc. Estrutura de um computador moderno Linguagem de máquina: instruções que movem os dados pela maquina efetuando operações lógicas e aritméticas. Sistema operacional: esconde a complexidade do hardware e gerencia os recursos compartilhados. Evolução dos S.O 3

4 1ª geração ( ) (cont.) Os sistemas operacionais evoluíram com o passar dos anos, acompanhando a arquitetura dos computadores que executavam. Computador baseado em válvulas Computador ENIAC 1ª geração ( ) 2ª geração ( ) Foi marcada pelo invento das válvulas. Computadores eram formados por milhares de válvulas ocupando salas imensas. Não havia conceito de sistema operacional. O acesso era feito diretamente nos painéis do equipamento, onde o usuário programa seus cálculos. Surge o ENIAC, onde a programação era por fios e pinos. Marcada por três avanços: Utilização dos transistores em grande quantidade. Sistema de processamento em batch. Surgimento de linguagens de programação de alto nível (Fortran, Algol e Cobol). Criação de mainframes. Programas deixam de ter relação direta com o hardware. 4

5 2ª geração ( ) 3ª geração ( ) Processamento em batch: Programas eram gravados em cartões perfurados. Após a leitura, eles eram salvos em uma fita magnética de entrada. A fita de entrada era colocada no computador de grande porte (IBM 7094). Ao final do processamento, gravava o resultado em uma segunda fita (de saída). A segunda fita (de saída) era colocada em um computador (IBM 1401) que lia a fita de saída e imprimia seu conteúdo. Surgimento dos circuitos integrados. Surgimento das técnicas de: Multiprogramação: execução de vários programas por meio da divisão de memória em partes. Timesharing: divide o tempo de uso do processador entre todos os programas. 2ª geração ( ) (cont.) 4ª geração ( ) Surgimentos dos PCs (personal computers). Surgimento dos sistemas operacionais mais modernos: MS-DOS: linha de comando. Novel network : sistemas operacional de rede. Macintosh: baseado em janelas. Sistema de processamento batch 5

6 5ª geração ( ) Monotarefa Surgimento da computação distribuída Um programa em execução que pode ser dividido em subprocessos para serem executados em outros computadores na rede. Surgimento do protocolo TCP/IP, padrão Ethernet e o modelo cliente/servidor. Surgimento da computação ubíqua Os primeiros S.O executavam um programa de cada vez. Os outros programas deveriam esperar o termino para poder executar. Todos os recursos ficavam dedicados a uma única tarefa. Multitarefa Conceitos básicos de S.O Suporta a execução concorrente de vários programas, dividindo os recursos. Classificado como: Monousuário e Multiusuário. Pode ser: Cooperativo: o processo libera a CPU voluntariamente (i.e não há interrupções) Preemptivo: quando o sistema gera uma interrupção e dá lugar a outro processo na CPU. 6

7 Processos Interpretador de comandos (Shell) É uma abstração de um programa em execução. Cada programa tem ao menos um processo concorrendo os recursos de sistema. Possui um espaço de endereçamento na memória. Pode assumir três estados: Execução Bloqueado Pronto Interface entre o usuário e o sistema operacional. É onde o usuário solicita a execução de programas. Multiprocessamento Sistemas com múltiplos processadores. Compartilham a mesma memória e dispositivos de entrada. Aumentam a capacidade computacional. Chamadas do sistema (System Calls) Interface entre softwares aplicativos e o sistema operacional. Exemplo: Criar arquivos. Acessar drive de disquete, CD-Rom etc. 7

8 Sistemas Operacionais e suas Características Gerenciamento de processos 8

9 Processos Processos Um processo é tudo aquilo que o processador executa. E a entidade pela qual a utilização da memória de um programa, tempo de processador e recursos de E/S podem ser gerenciados e monitorados pelo sistema operacional. O processo pode ser visto como a abstração de um programa em execução. Todo software executável em um computador moderno, até mesmo o sistema operacional, é organizado em processos. Os sistemas atuais permitem ao usuário a chaveamento de vários processos. Esse chaveamento nos dá a sensação de que os programas são executados paralelamente. Processos Troca de processos Exemplo João vai fazer um bolo. Ele vai utilizar uma receita para saber quais ingredientes e saber como preparar tudo. Quem é o processador? Quem é o programa? Quem é o processo? Como funciona a troca de processos? Salvar o conteúdo atual dos registradores da CPU referentes a um processo que esta deixando o processador. Carregar os registradores com o conteúdo do processo que esta ganhando a CPU. 9

10 Troca de processos Processos Principais eventos que levam à criação de processos início do sistema execução de chamada ao sistema de criação de processos solicitação do usuário para criar um novo processo Bloco de Controle do Processo Processos Estado do processo; Contador do programa; Registradores; Informações de escalonamento (prioridade); Inf. de gerência de memória Inf. sobre recursos (qtd. CPU, limite tempo...) Inf. sobre E/S (lista de dispositivos alocados, lista de arquivos abertos) Condições que levam ao término de processos saída normal (voluntária) saída por erro (voluntária) erro fatal (involuntário) cancelamento por um outro processo (involuntário) 10

11 Estados do processo Subprocessos O processador não pode ser ocupado por todos os processos ao mesmo tempo. Existe uma competição entre os processos para entrar em execução. O sistema operacional deve controlar essa competição. Uma aplicação pode ser dividida em partes que trabalham concorrentemente. Consiste em particionar o processo gerado para controlar a aplicação (processo pai) em outros subprocessos subordinados a este que são chamados de processos filhos, ou apenas subprocessos Estados do processo Subprocessos Pronto (aguardando na fila de processos) Execução (esta no processador) Bloqueado (aguardando E/S) 11

12 Subprocessos Threads Conforme aumenta-se a utilização de subprocessos, há um desperdício de tempo para criar e destruir estes. Para resolver este problema, criou-se o conceito de threads. Threads Exemplo Threads São consideradas processos mais leves. Enquanto os processos são usados para agrupar recursos, as threads são as entidades escalonadas para a execução na CPU. Um processo possui pelo menos uma thread (linha de controle). Aplicação: Processador de textos Uso: 3 threads Interação com o usuário (teclado) Formatação de texto Gravando o documento 12

13 Exemplo Threads Escalonamento Categorias de algoritmos Não-preemptivos Cooperativos Preemptivos Escalonamento Concorrência Vimos que o estado de pronto possui uma fila de processos aguardando a liberação da CPU. O componente que tenta manter o processador ocupado o tempo todo, escolhendo que será o próximo processo a ser executado é o escalonador. Os processo concorrem pelos recursos do sistema. Exemplo: fila de impressão 13

14 Deadlock Gerenciamento de memória Acontece quando dois ou mais processos estão disputando recursos e nenhum deles consegue seguir a execução porque ambos estão bloqueando uns aos outros. Exemplo: Dois processos querem gravar o CD. Processo P1 aloca o Gravador. Processo P2 aloca o HD. P1 espera P2 terminar de usar o HD. P2 espera P1 terminar de usar o gravador. Na memória principal ficam todos os programas e os dados que serão executados pelo processador. Possui menor capacidade e custo maior. S.O buscam minimizar a ocupação da memória e otimizar sua utilização. Componente é o gerenciador de memória. Gerenciamento de memória Gerenciamento de memória Tarefas do gerenciador de memória: Monitorar quais partes da memória estão utilizadas e quais estão disponíveis. Realizar alocação e liberação da memória para os processos. Gerenciamento do swapping (troca) entre a memória principal e a secundária. 14

15 Gerenciamento de memória Gerenciamento sem paginação Esquemas de gerenciamento de memória: Mantém os processo fixos na memória principal. monoprogramação Movem os processos entre a memória principal e secundária (swapping e paginação). multiprogramação Três maneiras simples de organizar memória com um sistema operacional e com processos. Gerenciamento sem paginação Foram utilizadas nos sistemas mais antigos. A memória era compartilhada entre o S.O e os programas. Chamada de monousuário ou monoprogramação. Somente um processo pode ser executado a cada instante. Gerenciamento de memória com partições fixas Em direção à multiprogramação foram criadas partições fixas com tamanhos diferentes na memória principal. A idéia é utilizar sempre o menor espaço possível. Com tamanho fixo das partições, todo espaço naquela partição que não era utilizado pelo processo era perdido. Funciona bem quando as tarefas são do mesmo tamanho ou quando os tamanhos são conhecidos previamente. 15

16 Partições fixas Gerenciamento de memória com partições fixas fila única Partições fixas de memória com filas separadas para cada partição Partições fixas de memória com fila única. Gerenciamento de memória com partições fixas Surge um problema quando partições grandes está com a fila vazia e uma fila para partição pequena está com a fila cheia. Solução: utilizar uma única fila. O processo mais próximo do início da fila que se ajusta na partição vazia poderia ser carregado. Troca de processos Nem sempre existe memória principal para todos os processos. Alguns processos devem ser mantidos no disco (memória secundária). Técnicas: Swapping. Memória virtual. 16

17 Swapping Swapping Consiste em trazer o processo inteiro do disco para a memória, executá-lo e devolve-lo para o disco. Os processos que estão sobrando ficam na memória secundária e trazidos de lá dinamicamente. Swapping Swapping Vantagem em relação às partições fixas: Número, posição e tamanho das partições variam dinamicamente. Com o tempo são criadas lacunas na memória principal. Técnica de compactação de memória para mover os dados para baixo. É provável que a área de dados (heap e pilha) do processo cresça durante a execução. Se houver espaço adjacente ele será alocado para o processo. Se não houver espaço adjacente o processo inteiro deverá ser movido para outra área da memória principal. Pode-se alocar uma memória extra sempre que fizer a troca ou mover um processo. 17

18 Swapping Memória virtual Um programa de 32 MB pode ser executado em uma máquina com apenas 8 MB, por meio de uma escolha cuidadosa feita pelo sistema operacional em que 8 MB será mantido ativo na memória em cada instante, dinamicamente, dando a ilusão de que o programa inteiro está na memória. Essa troca de módulos é a técnica de paginação. Memória virtual Divide-se o programa em módulos chamados overlays (sobreposição). No princípio, o programador deveria fazer a divisão do programa em módulos. Mais tarde, essa tarefa passou para o S.O. Assim, um programa grande que excedesse a memória física do computador poderia ser executado. Paginação No sistemas com memória virtual, o endereço virtual e físico não são os mesmos. Quem realiza o mapeamento dos endereços virtuais para o endereço físico é a unidade MMU (memory management unity). 18

19 Paginação Paginação Paginação Paginação Como exemplo, nosso computador possui 32 KB de memória física. Queremos executar um programa de 64 KB. O programa não pode ser carregado totalmente na memória. Assim, partes do programa serão carregadas quando necessário. Neste caso, as páginas marcadas com um X não estão mapeadas no momento. Se o programa tentar utilizar, ocorrerá o pagefault. Ele deverá escolher uma página pouco utilizada, colocá-la em disco e carregar a pagina desejada. 19

20 Algoritmos de substituição de páginas Algoritmos de substituição de páginas Algoritmo FIFO Baixo custo. Mantém uma lista de todas as páginas, com a página mais velha no inicio e a mais nova no fim. Quando recebe um page-fault a primeira página a sair é a mais velha (início da fila). Pouco utilizado porque pode ser removida páginas muito utilizadas Algoritmos de substituição de páginas Relógio Utiliza um bit (R) - referenciada Assim o SO sabe qual página é mais ou menos utilizada. As páginas são mantidas em lista circular. Um ponteiro aponta para a mais antiga. Se acontecer um page-fault verifica o bit (R). Se for 0 é porque não esta referenciada e substituirá. Se for 1, seta R = 0 e avança o ponteiro até encontrar uma pagina com R = 0. Algoritmos de substituição de páginas Algoritmo LRU (least recently used) Baseia-se na idéia de que uma página utilizada recentemente pode ser utilizada novamente. Portanto, páginas que não foram utilizadas recentemente provavelmente permanecerão nãoutilizadas durante mais tempo. Assim, ele remove as páginas menos utilizadas recentemente. 20

21 Os dispositivos de E/S são a comunicação do sistema operacional com o mundo externo. Os dispositivos de entrada e saída são controlados pelos sistemas operacionais. O S.O emite comandos para os dispositivos, realiza tratamento de erros e oferecer uma interface simples, que abranja todos os dispositivos do sistema. Esses dispositivos apresentam uma grande variação de velocidades. Para que o sistema operacional controle um dispositivo de E/S é necessário que interaja com um componente eletrônico chamado controlador de dispositivo e um dispositivo mecânico. Controlador de dispositivo Placa de circuito eletrônico. Dispositivo mecânico É o dispositivo propriamente dito 21

22 Exemplo: Mouse O componente eletrônico seria o circuito que interpreta as coordenadas X e Y e envia para o SO posicionar o cursor na tela. O componente mecânico seria a esfera ou o dispositivo ótico e os botões. Buffers: Região de memória temporária utilizada para escrita e leitura de dados. São utilizados quando existe uma diferença entre a taxa em que os dados são recebidos e a taxa em que eles podem ser processados. Também são utilizados como armazenamento temporário (ex. buffer do HD). Drivers de dispositivo são os programas que possibilitam a comunicação entre o S.O e o dispositivo. São desenvolvidos pelo fabricante do dispositivo. Cada S.O precisa do seus próprios drivers. Além de controlar o dispositivo, o driver também trata os erros. Maneiras que as operações de E/S são feitas: E/S programada. E/S orientada por interrupção. E/S usando DMA. 22

23 E/S programada: Consiste em ter o processador dedicando-se totalmente ao periférico enquanto durar a comunicação. O processador deve obter os dados do dispositivo E/S e transferi-los para memória. Nesse tempo o processador nunca é interrompido. Desvantagem: processador fica alocado enquanto não terminar a transferência. Como acontece a interrupção E/S orientada por interrupção: Quando um dispositivo de E/S finaliza o seu trabalho gera uma interrupção que segue por meio do barramento, até o processador para ser atendido. O sinal de interrupção faz com que o processador pare o que esta processando para atender essa interrupção. Melhor do que a E/S programada, pois elimina ciclos de espera desnecessários, mas ainda o processador é usado em qualquer operação E/S. E/S por DMA (Direct Memory Access) O controlador de DMA faz todo o trabalho de transferência de dados de um dispositivo de E/S no lugar do processador principal. A vantagem do DMA é diminuir as interrupções que chegam até o processador principal para que o sistema tenha um desempenho global melhor 23

24 Disco rígido (HD): São considerados os repositórios de dados mais populares. Constituídos por um ou vários discos sobrepostos unidos por um eixo central girando a uma velocidade constante. São organizados em cilindros, os quais contem trilhas. Essas trilhas sofrem outra divisão em setores com 512 bytes. A transferência dos dados ocorrem de duas maneiras: Blocos de informação: Dados são armazenados em blocos de tamanho fixo. Ex.: CD-Rom, HD. Caracteres: Os caracteres são enviados e recebidos sem considerar qualquer estrutura. Ex.: Mouse, teclado, placa rede, impressora. 24

25 Para calcular a capacidade do disco: Capacidade Real = cabeças x cilindros x setores x 512 Numero de cilindros = número de trilhas. RAID (redundant array of inexpensive* disks): Conjunto de discos redundantes e independentes que otimizam as operações de E/S e a segurança dos dados. A estratégia é substituir um disco grande por vários discos menores. Trabalha em cinco níveis*. Disco rígido (HD): O tempo para ler/gravar é dado por: Tempo de posicionamento (tempo necessário para mover o braço para o cilindro correto). Atraso de rotação (tempo necessário para encontrar o setor correto sob o cabeçote de leitura/gravação). Tempo de transferência real do dado. RAID 0 espalhamento de dados RAID 1 espelhamento de dados 25

26 RAID RAID 2 - Igual ao RAID 0, porém com esquema de detecção de erros. Para saber mais sobre RAID acesse: RAID 3 Versão simplificada do RAID 2, pois usa um disco rígido extra para armazenamento de informações de paridade RAID 4 similar ao RAID 3, só que mais rápido por usar blocos de dados. RAID 5 - Similar ao RAID 3 e 4, só que grava as informações de paridade dentro dos próprios discos. Disco ótico: A informação gravada em um CD-Rom é lida por um feixe de laser de baixa intensidade. O feixe de laser atravessa a cobertura de verniz, enquanto o motor gira o disco de resina plástica, e ao encontrar um sulco, a intensidade da luz refletiva muda. Essa intensidade é sentida por um foto-sensor que em seguida converte em um sinal digital. Os CD-ROMs não têm cilindros concêntricos, como os discos magnéticos. Contem uma única espiral. 26

27 Relógios: Os relógios são considerados essenciais, pois mantêm a hora atualizada e evitam que um processo monopolize a CPU. Gera interrupções. Funções: Manter a hora e o dia Evitar que processos ocupem a CPU por muito tempo. Contabilizar o uso da CPU, isto é, saber quanto tempo um processo esteve em execução. Gravação do CD-Rom É utilizado um laser de alta potência para criar pontos negros na camada refletiva. Onde o laser não atinge fica transparente. Essa diferença simula a depressão e a superfície. Gerenciamento de energia: É função do S.O fazer o gerenciamento de energia. Duas abordagens: S.O desliga os componentes S.O diminui a energia, causando perda de desempenho. 27

28 Disco rígido (HD): Consome muita energia para manter o disco girando mesmo quando não há atividade. O S.O pode cortar totalmente a energia e qualquer atividade faz o disco voltar a funcionar. Pode causar atrasos consideráveis. Consumo de energia de várias partes de um laptop Monitor: O S.O coloca o monitor em um estado de dormindo. Qualquer toque no teclado ou movimento no mouse o S.O acorda o monitor. CPU: Sempre que a CPU se torna ociosa o S.O reduz a voltagem dela. Memória: A memória pode ser desligada. Antes, todo o conteúdo é copiado para o disco rígido. 28

29 A solução é utilizar um meio de armazenamento chamado arquivos. Para criar arquivos é preciso informar um nome: No MS-DOS os nomes eram limitados a 8 caracteres. Nos S.O atuais podem ter até 255 caracteres. Todos os programas precisam armazenar e recuperar dados. Os processos não podem armazenar grande quantidade de dados no seu espaço de endereçamento. Quando o processo chega ao final os dados no seu espaço se perdem. Precisamos que vários processos acessem os mesmos dados. Estrutura dos arquivos: Sequência de bytes O S.O não se importa com o conteúdo do arquivo. O significado deve ser dado pelo programa do usuário. Sequência de registros Arquivos são uma sequência de registros. Esses registros possuem tamanho fixo. Operação de leitura/escrita sobrepõe ou anexa um registro. 29

30 Árvore de registros: Cada registro contém um campo chave. A árvore é ordenada pelo campo chave. Facilita a busca por um registro dentro do arquivo. Além do arquivo guardar o nome e os dados, ele pode associar informações como: Data e hora de criação. Tamanho do arquivo. Esses itens são chamados atributos. 30

31 Diretórios: Pode conter centenas de arquivos ou nenhum arquivo. Pode conter outros diretórios. A diferença do arquivo é que ele mantém uma tabela de ponteiros para outros arquivos/diretórios. Nomes de caminhos: Caminho absoluto: Formado pelo caminho entre o diretório raiz e o arquivo. Caminho relativo: Formado pelo caminho entre o diretório atual e o arquivo. Sistema de arquivos: Um disco rígido pode ser dividido em uma ou mais partições. Todo disco possui um setor 0 que chamamos de MBR (master boot record), que é utilizado para iniciar o computador. O BIOS lê e executa o setor 0 do disco em busca de uma partição ativa. 31

32 Esquema de partição de disco: Superbloco: fornece informações tais como: identificação do sistema de arquivos, número de blocos do sistema de arquivos etc. Blocos livres: informa a quantidade de blocos livres no sistema. I-nodes: uma estrutura de dados com informações sobre os arquivos. Diretório raiz: contem o topo da árvore de diretórios. Arquivos e pastas: conteúdo propriamente dito. Questão: Como é feito o controle de quais blocos do disco estão relacionados com quais arquivos? Em outras palavras, como os arquivos são gravados e distribuídos entre os blocos? Métodos de gravação: Alocação contínua. Alocação por lista encadeada. I-nodes Alocação contínua: Consiste em armazenar cada arquivo em blocos contíguos. Implementação simples. Para localizar um arquivo basta saber o endereço do primeiro bloco e o número de blocos do arquivo. Bom desempenho para leitura. Desvantagem que o disco fica fragmentado. Estrutura geral de uma partição do disco. 32

33 Tabela de alocação Alocação por lista encadeada: Os arquivos são armazenados em blocos lincados. Os primeiros bits de cada bloco é o ponteiro para o próximo bloco. Não acontece fragmentação. Acesso aleatório lento, pois os blocos tem que ser lidos um de cada vez até chegar no arquivo desejado. I-node Estrutura de dados (pequena tabela) que mantém informações e os endereços de disco dos blocos do arquivo. A principal diferença da tabela de alocação é que apenas o i-node fica na memória apenas quando o arquivo está em uso. 33

34 Exemplos de sistemas de arquivos: CD-Rom: ISO 9660: produzido com limitações para atender alguns sistemas operacionais (MS-DOS) Estendido para Joliet : Nome de arquivos longos. Conjuntos de caracteres Unicode. Diretório com profundidade maior que 8 níveis. Esquema de um I-node Confiabilidade dos sistemas de arquivos: O sistema de arquivos pode ser danificados por vários motivos: Queda de energia. HD defeituoso. Erro de software. Deve-se possuir copias de segurança. Cópia física. Cópia lógica. Exemplos de sistemas de arquivos: Windows: NTFS: até 16 TB. 34

35 Exemplos de sistemas de arquivos: Linux: ext-2: 16 TB ext-3: 16 TB com journaling. ReiserFS: 16 TB com journaling. JFS: 4 PT (petabytes) com journaling. XFS: 16 EX (exabytes) com journaling. Journaling: é um log que o SO faz antes de escrever qualquer dado no disco. 35