Sistemas Operacionais. Prof. André Y. Kusumoto

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1 Sistemas Operacionais Prof. André Y. Kusumoto

2 Estruturas de Sistemas de Computação O sistema operacional precisa garantir a operação correta do sistema de computação. Operação dos Sistemas de Computação Um sistema de computação de uso geral moderno consiste em uma CPU e uma série de controladoras de dispositivos que são conectadas através de um barramento comum que fornece acesso à memória compartilhada Cada controladora de dispositivo está carregada de um tipo específico de dispositivo. 2/15

3 Operação dos Sistemas de Computação Para que um computador comece a funcionar por exemplo, quando é ligado ou reinicializado ele precisa ter um programa inicial para executar. Esse programa inicial, ou programa de partida (bootstrap program), tende a ser simples. O programa de partida deve saber como carregar o sistema operacional e iniciar a execução desse sistema. Para alcançar essa meta, o programa deve localizar e carregar na memória o kernel do sistema operacional. O sistema operacional em seguida inicia a execução do primeiro processo, como init. 3/15

4 Operação dos Sistemas de Computação A ocorrência de um evento é geralmente assinalada por uma interrupção de hardware ou software. O mecanismo de interrupções permite que o hardware "chame a atenção" da CPU quando há algo a ser feito. Existem muitos tipos diferentes de eventos que podem dispara uma interrupção, por exemplo, a conclusão de uma operação de I/O, divisão por zero e acesso inválido à memória. Para cada interrupção, uma rotina de serviço é designada responsável para tratar a interrupção. 4/15

5 Operação dos Sistemas de Computação As interrupções são uma parte importante de uma arquitetura de computador. Em geral, a tabela de ponteiros é chamada de vetor de endereços ou vetor de interrupção e armazenada na memória baixa (as primeiras 100 posições, aproximadamente). Os sistemas operacionais modernos são baseados em interrupções. Há um outro tipo de interrupção, as chamadas traps. Algumas são geradas pelo hardware, para indicar por exemplo overflow em operações aritméticas ou acesso a regiões de memória não permitidas. Essas são situações em que o programa não teria como prosseguir. 5/15

6 Interrupções de I/O Estrutura de I/O Para tratar de operações de I/O concorrentes para vários dispositivos, é necessário manter um registro dos muitos pedidos de I/O simultâneos. Para isso, o sistema operacional utiliza uma tabela contendo uma entrada para cada dispositivo de I/O: a tabela de status de dispositivo. Cada entrada na tabela indica o tipo, endereço e estado do dispositivo (não funciona, ocioso ou ocupado). É possível que outros processos emitam pedidos ao mesmo dispositivo, o sistema operacional também manterá uma fila de espera uma lista de pedidos em espera para cada dispositivo de I/O. 6/15

7 Interrupções de I/O Estrutura de I/O Um dispositivo de I/O interrompe quando precisa de serviço. Quando ocorre uma interrupção, o sistema operacional primeiro determina que dispositivo causou a interrupção. Em seguida, consulta a tabela de status para determinar o status desse dispositivo. Para a maioria dos dispositivos, uma interrupção indica a conclusão de um pedido de I/O. Se um processo estava esperando a conclusão desse pedido, podemos devolver o controle a ele. Caso o contrário, voltamos para o que quer estivéssemos fazendo antes da interrupção de I/O. 7/15

8 Estrutura de Armazenamento Os programas de computador precisam estar na memória principal (também chamada de Memória de Acesso Randômico, ou RAM) A memória principal é a única área de armazenamento que o processador pode acessar diretamente. Idealmente, teríamos programas e dados residentes na memória principal de forma permanente. Isso não é possível pelos dois motivos seguintes: 1. A memória principal geralmente é pequena demais para armazenar todos os programas e dados necessários de forma permanente. 2. A memória principal é um dispositivo de armazenamento volátil que perde seu conteúdo quando há falta de energia ou esta é desligada Assim, a maioria dos sistemas de computação fornece armazenamento secundário como uma extensão da memória principal. 8/15

9 Memória Principal Estrutura de Armazenamento A memória principal e os registradores incorporados ao próprio processador são o único tipo de memória que a CPU pode acessar diretamente Se os dados não estiverem na memória, deverão ser passados para lá antes que a CPU possa realizar qualquer operação com eles. Discos Magnéticos Os discos magnéticos fornecem uma boa parte do armazenamento secundário para os sistemas de computação modernos. 9/15

10 Proteção de Hardware Os primeiros sistemas de computação eram sistemas operados por programador com usuário único. Tinham controle completo sobre o sistema À medida que os sistemas operacionais se desenvolveram, no entanto, esse controle foi passado ao sistema operacional. Para melhorar a utilização do sistema, o sistema operacional começou a compartilhar recursos entre vários programas simultaneamente. A multiprogramação colocou vários programas na memória ao mesmo tempo. Um sistema operacional corretamente projetado deve garantir que um programa incorreto (ou malicioso) não cause a execução incorreta de outros programas. Muitos erros de programação são detectados pelo hardware. Se um programa de usuário falhar de algum modo por exemplo, tentando acessar memória que não esteja no espaço de endereçamento do usuário, o hardware vai gerar uma exceção, ou trap, para o sistema operacional. 10/15

11 Operação em Modo Dual Proteção de Hardware Para garantir a operação adequada, devemos proteger o sistema operacional e todos os outros programas e seus dados de qualquer programa funcionando mal. São necessários pelo menos dois modos de operação separados: o modo usuário e o modo monitor (também chamado de modo supervisor, modo sistema ou modo privilegiado). No momento da inicialização do sistema, o hardware inicia no modo monitor. O sistema operacional é então carregado e inicia os processos de usuário no modo usuário. Sempre que houver uma exceção ou interrupção, o hardware alterna do modo usuário para o modo monitor. Assim, sempre que o sistema operacional obtiver controle do computador, ele estará no modo monitor. Por exemplo, o MS-DOS foi escrito para arquitetura Intel 8088, que não possui bit de modo e, portanto, não tem modo dual. Um programa de usuário com problemas de execução pode apagar o sistema operacional gravando dados por cima dele. 11/15

12 Proteção de I/O Proteção de Hardware todas as instruções de I/O como instruções privilegiadas. Assim, os usuários não podem emitir estas instruções diretamente; devem fazê-lo por meio do sistema operacional. Proteção de Memória Para garantir a operação correta, é preciso proteger o vetor de interrupção e suas rotinas de serviço contra qualquer modificação por parte de um programa de usuário. Caso contrário, um programa de usuários poderá sobrescrever as instruções na rotina de serviço, introduzindo saltos para posições do seu programa e assim ganhando o controle das rotinas que executam em modo privilegiado. Qualquer tentativa por parte de um programa executando em modo usuário de acessar a memória do monitor ou a memória de outros usuários resulta em uma exceção para o monitor, que trata a tentativa como um erro fatal. 12/15

13 Proteção de CPU Proteção de Hardware A terceira peça do quebra-cabeça de proteção é garantir que o sistema operacional mantenha o controle. É preciso evitar que um programa de usuário fique preso em um laço infinito sem nunca devolver o controle ao sistema operacional. Para alcançar essa meta, podemos usar um timer (temporizador). Um timer pode ser configurado para interromper o computador após um período específico. Se o timer interromper, o controle é automaticamente transferido para o sistema operacional, que poderá tratar a interrupção como um erro fatal ou dar mais tempo ao programa. Uma técnica simples é inicializar o contador com o período que determinado programa pode executar. Outro uso do timer é computar a hora atual 13/15

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