UNIVERSIDADE LUSÓFONA DE HUMANIDADES E TECNOLOGIAS CURSO DE ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA

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1 UNIVERSIDADE LUSÓFONA DE HUMANIDADES E TECNOLOGIAS CURSO DE ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA 2º Semestre 2004/2005 Programação de Sistemas 4/7/2005 Correcção 1. Qual a principal razão para que um SO suporte multiprogramação? A multiprogramação permite aumentar a utilização do CPU comutando a execução para um processo que esteja pronto a executar, sempre que o processo em execução se bloqueia. 2. Os primeiros processadores da Intel não suportavam o modo de operação dual (modos supervisor e utilizador). Discuta alguns dos potenciais problemas que poderiam surgir na tentativa de suportar um sistema operativo muti-programado num processador deste tipo. Existiriam muitos problemas relacionados com a execução concorrente de programas num sistema deste tipo. Com efeito, tudo o que é protegido num moderno sistema operativo estaria desprotegido. Isto significa que: Não existiria protecção de memória. Um processo poderia ler ou modificar a memória de outro processo. Um processo poderia também ler ou modificar a memória do próprio sistema operativo. O acesso ao temporizador do sistema não seria protegido. Um processo poderia reprogramar o temporizador como quisesse e prejudicar a execução de outro processo ou executar tanto tempo quanto quisesse. O acesso aos dispositivos estaria desprotegido. Um processo poderia aceder arbitrariamente aos dispositivos interferindo com a forma como os outros processos os utilizam. Instruções especiais do processador não estariam protegidas permitindo a qualquer processo interferir com o seu normal funcionamento etc Explique qual a diferença entre uma instrução privilegiada e uma instrução não privilegiada. Uma instrução não privilegiada é uma instrução que não requer privilégios especiais para ser executada e portanto tanto pode ser executada em modo supervisor (privilegiado) como em modo utilizador (não privilegiado). Uma instrução privilegiada é uma instrução que, por exemplo, por estar associada à manipulação das características que determinam a protecção de memória dos processos ou à manipulação dos dispositivos de E/S, apenas pode ser executada no modo de execução privilegiado. Qualquer tentativa de um processo executar uma destas instruções quando em modo utilizador dá origem a uma excepção que será tratada pelo sistema operativo com uma violação, conduzindo tipicamente à terminação do processo. 3. Explique qual a diferença entre deadlock e starvation. Um deadlock é uma situação em que um determinado processo está à espera de um recurso que directa ou indirectamente apenas ficará disponível depois de outro recurso retido por esse mesmo processo seja libertado. Como é evidente, por se encontrar em espera o processo nunca poderá libertar o recurso que daria origem à sua própria libertação. Starvation ocorre quando o gestor de um determinado recurso impede (injustamente) um processo de utilizar esse recurso em favor de outros processos no sistema. Enquanto o deadlock apenas pode ser resolvido abortando os processos envolvidos, a situação de starvation pode ser resolvida com um melhor algoritmo de gestão. 1/6

2 4. Existem três situações distintas em que o controlo da execução pode ser transferido para o SO. Quais são? Inclua uma breve descrição de cada e de quando cada uma é utilizada. 1. Chamada ao Sistema. Um processo invoca uma chamada ao sistema como forma de requisitar um determinado serviço do sistema operativo. A chamada ao sistema é uma forma de transferência voluntária da execução para o sistema operativo. 2. Excepções. Resultantes de um comportamento anormal de um processo dão origem á execução de uma função de tratamento dessa excepção através de um mecanismo semelhante ao das interrupções. É o comportamento do processo que indirectamente provoca a transferência da execução para o sistema operativo. 3. Interrupções Hardware. Os dispositivos notificam o sistema operativo de acontecimentos que requerem a sua atenção (terminação de operações de E/S, relógio do sistema, etc.). Como consequência é executada a rotina de tratamento da respectiva interrupção que executa no contexto do sistema operativo. A transferência da execução para o sistema operativo faz-se sem qualquer intervenção do processo. 4. Processos do SO. São processos que executam serviços do sistema operativo (p.e. swapper e pagedeamon gestão da paginação). Estes processos são agendados como qualquer outro processo, no entanto executam no contexto do sistema operativo. 5. Explique o conceito de Memória Virtual e indique que características hardware são necessárias para que um SO possa fornecer esse tipo de serviço. A memória virtual é um método de dar aos processos a ilusão de que um sistema possui mais memória física do que aquela que de facto existe. Isto é conseguido utilizando a memória secundária e fazendo com que o SO transfira transparentemente informação desta para a memória principal e vice-versa como forma de manter na memória principal apenas os dados que são necessários aos processos que estão a executar em cada momento. As vantagens consistem no facto de poder executar aplicações de maiores dimensões e/ou mais aplicações simultaneamente. As desvantagens têm a ver com a penalização ao nível do desempenho. O suporte para a memória virtual tem a ver com a existência de uma unidade de gestão de memória no CPU que permita aos processos utilizarem endereços virtuais que são traduzidos em tempo de execução em endereços reais. Esta UGM deverá permitir a associação de determinados endereços lógicos a dados que estão ou não presentes na memória física e, neste último caso, gerar uma excepção que permita ao SO tomar as acções necessária para que os dados sejam colocados na memória física. Após isto a UGM deverá ainda permitir a re-execução da instrução que deu origem à excepção. 6. Explique a operação dos registos BASE e LIMITE. Que vantagens fornecem estes registos a um sistema operativo? Os registos BASE e LIMITE têm como objectivo possibilitar a implementação de protecção de memória por parte de um sistema operativo. Quando associados a um determinado processo, a BASE é preenchida (pelo SO) com o endereço mais baixo a que o processo pode aceder, enquanto o limite é preenchido com o maior valor do deslocamento (isto é, o valor da dimensão 1) que pode ser utilizado num endereço lógico que utilize esse bloco de memória. Para cada endereço lógico gerado pelo processo, o processador verifica se este está entre a base e o limite. Caso esteja permite o acesso, caso contrário gera uma excepção que permite ao SO lidar da forma que achar mais conveniente com a situação de violação de endereçamento. 7. Explique como podem ser utilizados semáforos em cada uma das seguintes situações. Ilustre cada resposta com um exemplo Um processo A não deve passar de uma instrução X no seu código a não ser que o processo B tenha passado no ponto Y do seu código. 2/6

3 Nota: Os semáforos são inicializados com 1 unidade. P A P B Instrução X -> Wait(S) Instrução Y -> Signal(S) 7.2. Um processo A não deve executar entre as instruções X 1 e X 2 enquanto outro proceso B executar entre as suas instruções Y 1 e Y 2, e vice-versa. Nota: Os semáforos são inicializados com 1 unidade. P A Instrução X 1 -> Wait(S) Instrução Y 1 -> Wait (S) Instrução X 2 -> Signal(S) Instrução Y 2 -> Signal(S) 7.3. Os processos A e B executam concorrentemente mas têm de se sincronizar nos pontos P e Q dos seus respectivos códigos. Isto é, A tem de esperar em P até que B chegue a Q e vice-versa. Nota: Os semáforos são inicializados com 1 unidade. P A Signal(S B ) Signal (S A ) Instrução P -> Wait(S A ) Instrução Q -> Wait (S B ) 8. Num determinado computador que utiliza paginação, foram seleccionados os seguintes parâmetros: Dimensão da Página: 1024 bytes Tabela de Páginas: 512 entradas 8.1. O que pode concluir sobre os endereços utilizados pelas instruções nesse computador? Os endereços utilizados pelas instruções (endereços lógicos) nesse computador têm o seguinte formato: 9 bits 10 bits Nº de Página Deslocamento 8.2. Que razões podem ter levado à escolha desta dimensão para as páginas? Páginas de dimensão reduzida como é o caso de uma págna de 1K têm como consequências: 1. Permite mais processos em RAM o que torna possível intercalar E/S e processamento de forma mais eficaz 2. Pouca informação para ler do disco, pelo que é mais eficiente 3. Menor probabilidade de fragmentação interna Qualquer destas razões (ou uma combinação delas) pode ter estado na base da escolha desta dimensão. 9. Defina fragmentação externa e fragmentação interna. Para cada um dos casos ilustre esquematicamente a sua resposta. Fazemos referência à expressão fragmentação quando nos referimos a zonas de memória que não são, ou não podem ser, aproveitadas de forma útil pelos processos. A fragmentação externa existe sempre que utilizamos algoritmos de gestão que manipulam (reservam e libertam) blocos de dimensão variável. Ao fim de algum tempo, existirão muitos blocos de memória livre de pequena dimensão que não podem ser aproveitados para satisfazer novos pedidos de reserva (são muito pequenos), embora globalmente possam perfazer uma quantidade significativa de memória. É a estas sobras que chamamos fragmentação externa (externa aos blocos pedidos). A fragmentação interna existe sempre que utilizamos algoritmos de gestão que manipulam blocos de dimensão fixa. Uma 3/6 P B P B

4 vez que qualquer pedido de memória tem de ser arredondado (para cima) para uma dimensão que seja múltipla da dimensão dos blocos que estão a ser geridos, em média teremos sempre alguma sobra, isto é alguns bytes que estão em excesso do valor pedido. É a estas sobras que chamamos fragmentação interna (interna aos blocos pedidos). 10. Porque é que alguns dispositivos de E/S suportam transferência de dados caracter a caracter enquanto outros apenas suportam a transferência de blocos de maiores dimensões? Trata-se de um compromisso entre eficiência e a capacidade de responder rapidamente. Alguns dispositivos, tais como os teclados, são supostos transmitir cada caracter para que o sistema operativo possa responder imediatamente a cada tecla premida pelo utilizador. Para outros dispositivos, tais como os discos magnéticos, transferir a informação caracter a caracter resultaria num desempenho péssimo, já que nestes casos existe uma penalização significativa associada a cada transferência (tempo de posicionamento, tempo de latência, etc.) e não a cada byte. Nestes casos a transferência de dados bloco a bloco permite reduzir substancialmente o efeito dessa penalização. 11. Cinco processos A, B, C, D e E possuem os seguintes tempos de chegada, execução, e prioridades. Um valor mais pequeno significa maior prioridade. Processo Tempo de Chegada Tempo de Execução Prioridade A B C D E Preencha a seguinte tabela para os processos acima descritos. Justifique as suas respostas com diagramas de Gant. Política de Scheduling Tempo de Espera Tempo Médio A B C D E de Espera Shortest-Job First (Não-Preemptivo) /5=19.4 Prioridades (Preemptivo) /5=33 Round-Robin (quantum=4) /5=39.4 Shortest-Job First (Não-Preemptivo) Prioridades (Preemptivo) Round-Robin (quantum=4) 12. Diga qual a sequência de páginas colocadas em memória, admitindo a seguinte sequência de referências, por cada um dos algoritmos seguintes (e para o número de páginas físicas mostrado). Qual gera o menor número de faltas de página? FIFO (3 pág.) LRU (5 pág.) Óptimo (3 pág.) 4/6

5 Considere um sistema de ficheiros que pode utilizar três estratégias para reserva de blocos de disco contígua, ligada e indexada. Acabámos de ler a informação referente a um determinado ficheiro o que nos fornece, para os casos contíguo e ligado, o endereço do primeiro bloco, e para o caso indexado o endereço do bloco de índices. Precisamos agora de ler o 10º bloco de dados do ficheiro para memória. Quantos blocos de disco temos de ler utilizando cada uma destas estratégias? Contígua: 1 bloco (Sabendo o endereço do primeiro sabemos o do último) Ligada: 10 blocos (Temos de ler todos do 1º ao 10º) Indexada: 2 blocos (O indice do 10º bloco a partir do bloco de índices e depois o 10º bloco) 14. Um disco possui 300 cilindros numerados de 0 a 299. A cabeça está no cilindro 200 e vai em direcção ao cilindro 199. A fila de pedidos é, por ordem, 12, 36, 28, 124, 56, 18, 178, 236. Diga por que ordem serão visitados os cilindros de acordo com os seguintes algoritmos: C-SCAN LOOK 200, 178, 124, 56, 36, 28, 18, 12, 0, 299, , 178, 124, 56, 36, 28, 18, 12, Assuma que possui um disco no seu portátil com as seguintes características: Capacidade: 20 GB Taxa de transferencia Máxima: MB/s Taxa de Transferencia Sustentada: 34.5 MB/s Tempo Médio de Posicionamento (Seek Time): 12 ms Velocidade de rotação: 5400 RPM Número de Bytes por Sector: Quanto tempo demorará a leitura de um ficheiro de 200 MB guardado em sectores do disco contíguos (i.e. pode utilizar a Taxa de Transferência Sustentada)? Latência Média = * 0.5 / 5400 ~ 5.6 ms Tempo de Leitura = Tempo de Posicionamento + Latência Média + Tempo de Transferência = 12 ms ms MB / 34.5 MB / s ~ 5.8 s 5/6

6 15.2. Quanto tempo demorará a ler o ficheiro se este estiver armazenado em sectores aleatórios do disco (os blocos estão espalhados aleatoriamente pelo disco) Tempo de Leitura = (Posicionamento + Latência Média + Transferência 1 Bloco) x Nº Blocos Transferência 1 Bloco = 12 ms + 5.6ms + 512B/48.25MB/s = 12ms + 5.6ms usec ~ 17.6 ms Tempo de Leitura = ms x (200 MB / 512 B) = ms x (2 x 200 x 1024) = ms x blocos = 7213 s ~ 2 horas 6/6