Máquinas virtuais. Máquina virtual de um processo. Máquinas virtuais (3) Máquina virtual de sistema. Máquinas virtuais (1) VMware para Windows e Linux

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1 System API Máquinas virtuais System ISA (Instruction Set Architecture) Aplicações Chamadas ao sistema Sistema de Operação Hardware User ISA (Instruction Set Architecture) Uma máquina virtual executa software (um processo ou um sistema completo) da mesma maneira do que a máquina para a qual o software foi desenvolvido Máquina virtual de um processo Process virtual machine implementa uma máquina virtual na qual o processo se baseia Capaz de suportar um único processo o hardware e SO podem variar que o programa é o mesmo Guest Runtime Host Processo Software de virtualização SO hardware Virtual Machine SO - 07/ SO - 07/08 2 Máquina virtual de sistema Máquinas virtuais (3) System Virtual Machine permite executar o próprio SO Guest Aplicações SO Virtual Machine Monitor Software de Virtualização Virtual Machine Non-virtual Machine Virtual Machine Host hardware SO - 07/ SO - 07/08 4 VMware para Windows e Linux Máquinas virtuais (1) Uma máquina virtual de sistema leva a organização em camadas ao extremo: esconde completamente o hardware e o kernel nativo Uma máquina virtual pode fornecer uma interface idêntica ao hardware subjacente ou outro Os recursos da máquina física são partilhados para criar máquinas virtuais O escalonamento do pode criar a aparência de que o SO hospedeiro tem o seu próprio Idem para a memória e periféricos O, memória e periféricos virtuais podem não ter qualquer relação com os reais SO - 07/ SO - 07/08 6 1

2 Máquinas virtuais (2) O conceito de máquina virtual (VM) suporta protecção porque cada VM é separada das outras VMs; dificulta a partilha directa de recursos. Um sistema que suporta VMs é o ideal para investigação e desenvolvimento de SOs. O desenvolvimento é feito numa VM em vez de sobre o hardware e não perturba a operação normal O conceito de VM é difícil de implementar eficazmente, uma vez que é necessário um duplicado exacto da máquina hardware SO - 07/08 7 Máquinas virtuais (3) O conceito de máquina virtual (VM) suporta protecção porque cada VM é separada das outras VMs; dificulta a partilha directa de recursos. Um sistema que suporta VMs é o ideal para investigação e desenvolvimento de SOs. O desenvolvimento é feito numa VM em vez de sobre o hardware e não perturba a operação normal O conceito de VM é difícil de implementar eficazmente, uma vez que é necessário um duplicado exacto da máquina hardware SO - 07/08 8 Tipos de SOs para multiprocessadores (1) Tipos de SOs para multiprocessadores(2) Bus Bus Cada tem um SO separado Multiprocessadores Mestre Escravo SO - 07/ SO - 07/08 10 Tipos de SOs para multiprocessadores (3) Bus Multiprocessadores simétricos Modelo SMP (symmetric multiprocessor) Real-Time Systems O tempo de resposta é fundamental certas acções têm de ocorrer em determinados instantes de tempo ou dentro de um pequeno intervalo A correcção do sistema depende não só do resultado produzido mas também do momento em que os resultados são produzidos O SO e os processos reagem a eventos que ocorrem no mundo exterior em tempo real e os processos devem conseguir lidar com eles SO - 07/ SO - 07/

3 Tipos de sistemas de tempo real Sistemas Hard real-time garante que uma dada tarefa é completada em menos que um determinado limite de tempo (deadline) Os SOs generalistas não dão garantias suficientes, mas existem outros: QNX, VxWorks Sistemas Soft real-time tenta que os processos de tempo-real completem dentro do seu limite de tempo (normalmente atribuindo-lhes maior prioridade do que aos processos normais ) Os SOs como o Linux e o MS-Windows/XP/etc. oferecem facilidades para isto SO - 07/08 13 Características Os sistemas de tempo-real não são destinados ao uso directo pelo utilizador não necessita de interfaces gráficas, aplicações gerais, sistema de desenvolvimento, São normalmente sistemas embutidos com todas as limitações de hardware/software definidas durante o desenho do sistema SO - 07/08 14 Características (2) Cada instalação destina-se a um fim específico Programador/construtor especifica os processos. Estes vão, provavelmente, residir permanentemente em memória (memória virtual desligada) Prioridades relativas dos processos e suas deadlines para hard-realtime verifica-se se as deadlines podem ser garantidas SO durante a execução garante As tarefas mais críticas têm prioridade o cumprimento das deadlines, ou uma degradação "justa" SO - 07/08 16 Modelo de Processos Diagrama de estados de um processo Escolhido para correr PRONTO (READY) EXECUTANDO (RUNNING) Perda do Fim Multiprogramação de 4 programas Conceptualmente são 4 processos sequenciais independentes Com um só um processo activo em cada momento Criação O recurso pretendido ficou disponível Para correr, necessita de um recurso não disponível BLOQUEADO (BLOCKED) TERMINADO SO - 07/ SO - 07/

4 Estados de um processo Durante a execução o processo muda de estado Executando (Running) quando está a executar instruções. Bloqueado (Waiting ou blocked) o processo está à espera que ocorra um dado evento. Pronto (Ready) o processo espera que lhe seja atribuído um processador Terminado (Terminated) o processo terminou a execução do seu programa Recursos e atributos de um processo Recursos Zonas de memória (código, dados, pilha, ) Canais em uso (ficheiros abertos) Fluxo(s) de execução Registos do (incluindo IP/PC) Atributos Directoria de trabalho Utilizador e direitos/permissões SO - 07/ SO - 07/08 20 Chamada ao sistema rápida Exemplo getpid() Chamada ao sistema lenta Exemplo read (canal, buffer, nbytes) e não há dados disponíveis! processo a correr em modo utilizador Código do sistema Instrução máquina return from interrupt Interrupção por software Código do utilizador SO corre em nome do processo em modo supervisor SO - 07/08 21 Processo a correr em modo utilizador 1- Interrupção por software SO corre em nome do processo em modo supervisor 5- Instrução máquina return from interrupt 4- Processo escolhido pelo SO para ocupar o 2- Processo não pode prosseguir: os dados pretendidos não estão disponíveis Processo pronto a correr Código do utilizador Processo bloqueado (à espera) 3- Interrupção hardware assinalou que os dados pedidos estão disponíveis Código do sistema SO - 07/08 22 Descritor do processo Process Control Block (PCB) (1) Informação associada a cada processo: Estado do processo Informação para gestão do Inclui Instruction Pointer / Program counter Restantes registos do Zonas de memória associadas ao processo Estado das operações de I/O correntes Informação de contabilidade [ ] Descritor de um processo Process Control Block (PCB) SO - 07/ SO - 07/

5 SO escalonador de processos Perfis dos programas O kernel faz a gestão de baixo nível: Partilha o entre os processos prontos a executar Trata interrupções e algumas podem alterar o estado dos processos bloqueados Perif. entrada Perif. saída O I/O domina (I/O bound) tempo Perif. entrada Perif. saída O processamento domina ( bound) tempo SO - 07/ SO - 07/08 26 Escalonamento A reordenação dos trabalhos pode rentabilizar o e os periféricos Perif. entrada Perif. saída Escalonando os trabalhos tempo Time-sharing Um programa bound pode monopolizar a máquina Mau para o uso dos periféricos Mau para a interactividade Há que partilhar do tempo de por cooperação entre os programas por preensão do pelo SO (preemption) Time slice ou quantum Cada programa usa no máximo uma determinada fatia de tempo, sendo-lhe o apreendido pelo SO se gastar todo esse tempo SO - 07/ SO - 07/08 28 Troca de contexto entre processos O processo não continua a executar preensão: Processo -bound esgota a sua quota de tempo (interrupt do relógio) processo requereu uma chamada lenta 1. SO salvaguarda o estado do processo no PCB 2. Reprograma o relógio para um novo time-slice 3. SO elege um processo para execução e carrega o seu estado a partir do respectivo PCB este estado havia sido salvaguardado anteriormente Espaço de memória do processo Sistemas mais básicos Dois registos determinam a faixa legal de endereços: Registo Base e Registo Limite Sistemas modernos A gestão da memória física é baseada em páginas Protecção individualizada de páginas Memória não atribuída ao processo não lhe é acessível SO - 07/ SO - 07/

6 Segmentação da memória Troca de contexto entre processos (2) Suporte hardware: registos base e limite O valor corrente dos registos base (RB) e limite (RL) são específicos de cada processo podem variar durante a execução do processo Só o S.O. gere estes valores Processo A a correr Processo B a correr RL Imagem do proc. A RL Imagem do proc. A end. RB virtual MMU end. físico Imagem do proc. B end. virtual RB MMU end. físico Imagem do proc. B SO - 07/ SO - 07/08 32 Troca de contexto entre processos (3) A troca de contexto não corresponde a uma actividade útil (é overhead). O número de trocas de contexto deve ser minimizado. A duração da troca de contextos deve também ser minimizada Multithreading (1) Suporte de múltiplos fluxos de execução no contexto de um único processo CP/M, MS-DOS apenas processos single-threaded UNIX antigo multi-utilizador mas single-threaded Windows, Solaris, Linux, Mach, OS/2, ( ) multi-utilizador e multi-threaded SO - 07/ SO - 07/08 34 Multithreading (2) Processo Detém um espaço de endereçamento virtual (memória) que contém a imagem do processo Controla e protege o acesso ao processadores, a outros processos, a ficheiros e a recursos de I/O Contém um ou mais threads SO - 07/ SO - 07/

7 Thread Modelos single- e multi-threaded Está associado a um estado de execução running, ready, etc Estado está salvaguardado quando não está em execução Tem uma pilha (stack) de execução própria Algum espaço estático para variáveis locais aos threads Acede à ao recursos do processo que o contém Todos os threads partilham os recursos do processo que os contém Existem no contexto de um processo SO - 07/ SO - 07/08 38 Vantagens da utilização de threads Criação de threads é mais leve que a de processos Terminação de threads é mais leve que a de processos Troca de contextos entre threads (de um mesmo processo) é mais leve que entre processos Partilha de memória e ficheiros entre threads (de um mesmo processo) permite comunicação sem recorrer ao núcleo Escalonamento de threads Suspender um processo implica suspender todos os thraeds desse processo Todos o threads partilham os recursos do processo Terminar um processo implica terminar todos os threads que este contenha Que acontece se um thread chegar ao fim da função principal (main)? SO - 07/ SO - 07/08 40 Threads nível utilizador (User-Level Threads) (1) Threads nível utilizador (User-Level Threads) (2) Toda a gestão dos múltiplos fluxos de execução é feita pela aplicação O núcleo não tem conhecimento da existência de threads (múltiplos fluxos de execução) SO - 07/ SO - 07/

8 Threads nível sistema (Kernel-Level Threads) (2) Aproximações combinadas SO - 07/ SO - 07/

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