Estrutura de Sistemas Operacionais. Capítulo 1: Introdução

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Eugénio Castanho Pinhal
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1 Estrutura de Sistemas Operacionais 1.1 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Capítulo 1: Introdução O que faz um sistema operacional? Revisão da organização de um computador Revisão de alguns conceitos de Arquitetura de Computadores Sistemas operacionais: Gerência Estrutura Operações (funções) de Processos de Memória de armazenamento (arquivos) Proteção e Segurança Sistemas Operacionais Distribuídos Sistemas Operacionais para propósitos específicos (especiais) Ambientes Computacionais 1.2 Silberschatz, Galvin and Gagne

2 Objetivos do Capítulo Ter uma idéia geral sobre os componentes de um S.O. Rever alguns conceitos básicos de Organização e Arquitetura de Computadores 1.3 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 O que é um Sistema Operacional? Um programa que age como um intermediário entre o usuário de um computador e o hardware do computador Metas de um Sistema Opercional: Executar programas de usuários e facilitar a solução de seus problemas Tornar o sistema computacional apropriado para uso Usar o sistema computacional de maneira eficiente» Obs: alguns objetivos podem ser conflitantes 1.4 Silberschatz, Galvin and Gagne

Estrutura de Sistemas Computacionais Um sistema computacional pode ser dividido em quatro componentes (figura na página seguinte) Hardware são os recursos físicos do computador CPU, memória,

3 Estrutura de Sistemas Computacionais Um sistema computacional pode ser dividido em quatro componentes (figura na página seguinte) Hardware são os recursos físicos do computador CPU, memória, dispositivos de I/O Sistema Operacional Controla e coordena o uso do hardware entre os diversos usuários e programas aplicativos Programs de Aplicação define de que maneiras os recursos do sistema são usados para solucionar os problemas computacionais de usuários Processadores de texto, compiladores, web browsers, sistemas de banco de dados, jogos etc. Usuários Pessoas, máquinas, outros computadores 1.5 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Quatro Componentes de um Sistema Computacional 1.6 Silberschatz, Galvin and Gagne

4 Definição de Sistema Operacional S.O. é um allocador de recursos Gerencia todos os recursos Decide entre requisições conflitantes para que o uso dos recursos seja eficiente e justo S.O. é um programa de controle Controla a execução de programas para prevenir erros e uso impróprio do computador 1.7 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Definição de Sistema Operacional (Cont.) Nenhuma definição de aceitação universal O programa que roda o tempo todo no computador é o núcleo (kernel) do S.O. Qualquer outro programa é um programa de sistema (vem com o S.O.) ou um programa de aplicação 1.8 Silberschatz, Galvin and Gagne

Inicialização do Computador o Programa Carregador (bootstrap loader ou abreviadamente boot loader) é carregado na memória quando se liga a máquina (ou em reinicialização) Tipicamente armazenado em

5 Inicialização do Computador o Programa Carregador (bootstrap loader ou abreviadamente boot loader) é carregado na memória quando se liga a máquina (ou em reinicialização) Tipicamente armazenado em ROM ou EEPROM (firmware, BIOS) Também inicializa alguns dispositivos do sistema e testa configuração Carrega o kernel do sistema operacional e inicia sua execução Boot loader pode se apresentar em dois ou três níveis firmware --> boot loader genérico --> boot loader para S.O. específico ex1: firmware --> GNU Grub (genérico) --> --> boot loader WinXP (específico) --> --> kernel WinXP ex2: firmware --> GNU Grub (genérico) --> kernel linux 1.9 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Computador operação do sistema de computador Um ou mais CPUs, internonexão à memoria via barramento dedicado (barramento de memória) controladores de dispositivos são conectados via barramento comum de I/O controladores de I/O podem fazer DMA com memória (dispositivos de alta vazão). execução concorrente de CPUs e dispositivos competindo por ciclos de memória 1.10 Silberschatz, Galvin and Gagne

6 Operação do sistema de computador Dispositivos de I/O e CPU podem trabalhar simultaneamente Cada controlador de I/O é encarregado de uma classe de dispositivos Cada controlador de dispositivo tem um buffer local e registradores CPU move dados: de/para memória de/para buffers locais (nos controladores), geralmente via DMA de/para registradores no controladores de I/O (memory mapped ou via instruções de I/O) I/O ocorre, efetivamente, com o buffer local do controlador Controlador informa CPU quando uma operação termina causando interrupção (mais comum) 1.11 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 interrupções Ao receber sinal de interrupção, CPU transfere controle para rotina de atendimento de interrupção (ISR=Interrupt Service Routine) ISRs fazem parte do SO (parte dos device drivers) ligação hardware software: endereço de ISRs armazenado em vetor de interrupções modernamente: descritores de interrupção Arquitetura da interrupção deve salvar endereço da instrução interrompida ISR: salva contexto -> executa -> recupera contexto -> retorna a instrução interrompida Interrupções podem ser desabilitadas durante ativação de ISR problema possível: overun/perda de interrupção uma solução: polling de dispositivos ao final da ISR Interrupções podem ser geradas por software (Traps) adequado para tratamento de erros (também outros propósitos. Um sistema operacional é dirigido por interrupções (interrupt driven) 1.12 Silberschatz, Galvin and Gagne

7 Tratamento de Interrupções Rotina de interrupçãoo deve:? Preservar o estado da CPU armazenando valores de registradoes e PC (program counter)? Determinar que interrupção ocorreu. Interrupção é determinada por:? Polling? Sistema de interrup P o vetorada Polling: despacho da ISR é por software Vetorada: despacho da ISR é por hardware Cada ISR tem seu próprio segmento de código (executa ações específicas) 1.13 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Linha de tempo de interrupções para um processo fazendo operação de saida (Output) 1.14 Silberschatz, Galvin and Gagne

8 Estrutura de funcionamento de I/O Síncrono:? Controle só retorna ao programa quando I/O completa? Processo espera t?rmino de I/O por: Intrução de wait (cpu parada até a próxima interrupção) Loop de espera (disputa pelo acesso à memória) Com ou sem Polling? No máximo uma requisição por I/O pendente por vez Assíncrono:? Controle retorna ao programa sem esperar I/O completar? Requer nova chamada ao SO para detectar (e até esperar) I/O completar? Usa? Device-status table? com uma entrada por dispositivo, indicando tipo, número de dispositivos e estado do mesmo? SO usa essa tabela inclusive inserindo operações em fila, por dispositivo 1.15 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Dois métodos de I/O Síncrono (ou bloqueante) Assíncrono (ou np o bloqueante) OBS: note que SO poderia fazer I/O bloqueante para o processo mas internamente assíncrono (porque?) 1.16 Silberschatz, Galvin and Gagne

9 Device-Status Table 1.17 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Estrutura de DMA (Direct Memory Access) Usado para dispositivos de I/O podem transmitir a velocidades altas (próxima da velocidade de memória) Controlador de DMA transfere blocos de dados entre buffer (interno ao controlador) e a memória principal, sem intervenção da CPU Apenas uma interrupção é gerada por bloco de bytes transferido 1.18 Silberschatz, Galvin and Gagne

Estruturas de memória Memória principal - espaço de memória relativamente grande que pode ser acessado diretamente pela CPU Memória secundária - extensão da memória principal; de alta capacidade e

10 Estruturas de memória Memória principal - espaço de memória relativamente grande que pode ser acessado diretamente pela CPU Memória secundária - extensão da memória principal; de alta capacidade e não volátil Discos magnéticos - pratos de memória cobertos com material magnético para gravação de dados Superfície do disco é dividida em trilhas, que são subdivididas em setores Controlador de disco determina a interação entre o dispositivo e o computador 1.19 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Mecanismo do Disco Rígido 1.20 Silberschatz, Galvin and Gagne

Hierarquia de memória Sistemas de armazenamento são organizados em uma hierarquia Velocidade Custo Volatilidade O ideal seria: Um nível apenas, escrita e leitura na velocidade da CPU, não volatil.

11 Hierarquia de memória Sistemas de armazenamento são organizados em uma hierarquia Velocidade Custo Volatilidade O ideal seria: Um nível apenas, escrita e leitura na velocidade da CPU, não volatil. Como isso isso não é possível (pelo menos economicamente) usamos o sistema hierárquico. Caching? manter copias de informações em níveis de armazenamento mais rápidos; Pode ser feito por hardware ou por software 1.21 Silberschatz, Galvin and Gagne 2005 Hierarquia de memória 1.22 Silberschatz, Galvin and Gagne

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