O que veremos nesta aula? Principais Aspectos de Sistemas Operacionais. Visão geral de um sistema computacional

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1 O que veremos nesta aula? Principais Aspectos de Sistemas Operacionais Laboratório de Sistemas Operacionais Aula 1 Flávia Maristela (flavia@flaviamaristela.com) Tudo o que já vimos antes... Introdução Estrutura de sistemas computacionais Sistema operacional na visão do usuário Visão interna de um sistema operacional Processos e Threads Gerência de Memória Arquivos Entrada e Saída Mas afinal, para que serve um sistema operacional? Visão geral de um sistema computacional Um sistema computacional consiste em: Programas Aplicativos Programas do Sistema Dispositivos de Hardware Sistema Bancário Editor de texto, Planilha Eletrônica Navegador Compiladores Editores Interpretadores de Comandos Hardware

2 É necessário um componente capaz de... Gerenciar diferentes recursos CPU, memória, disco,... É necessário um componente capaz de... Servir de interface entre o hardware e o resto do computador Melhorar a performance do computador tempo de resposta, throughput*,... Sistema Bancário Compiladores Editor de texto, Planilha Eletrônica Editores Navegador Interpretadores de Comandos Prover uma arquitetura que facilite a programação: É possível abstrair a camada de hardware! Sistema Operacional Hardware Quais as principais funções de um sistema operacional? Gerenciar recursos de hardware Gerenciamento de Processador Gerenciamento de Memória Gerenciamento de E/S Gerência de Arquivos Gerenciando o hardware (-- processador --) O que faz o processador? Ele é cérebro do computador! Ele busca suas instruções para execução na memória Instruções podem ser executadas de duas formas: Modo kernel Modo usuário

3 Gerenciando o hardware (-- processador --) Modo kernel CPU pode executar qualquer instrução CPU tem acesso direto ao hardware Modo usuário Permite a execução de apenas um subconjunto de instruções Acesso limitado aos atributos das instruções Funções que envolvem E/S e proteção de memória não são acessíveis Gerenciando o hardware (-- memória --) Para que serve a memória? Segundo principal componente do computador. Tipos de Memória: Cache Principal Disco Magnético Fita Magnética Gerenciando o hardware (-- Entrada e Saída --) Dispositivos de E/S interagem fortemente com o sistema operacional Modos de realizar E/S: Espera ociosa Interrupção Direct Memory Access (DMA) Para pensar um pouco... Existe algum programa que precisa executar no modo kernel? Que programas executam no modo usuário? Como um programa do modo usuário pode acessar os dispositivos de E/S?

4 Como o usuário acessa o hardware? De fora para dentro... Sistema Bancário Compiladores Editor de texto, Planilha Eletrônica Editores Navegador Interpretadores de Comandos Sistema operacional na visão do usuário: system calls: usadas quando programas solicitam serviços ao sistema operacional; transferem a execução do programa para o sistema operacional; São executadas em modo kernel Exemplo: um usuário deseja ler o conteúdo de um arquivo texto. Sistema Operacional Hardware Programas de sistema ou utilitários Controle permanece com o usuário Chamadas de sistema (system calls) Controle é passado para o sistema operacional #Algoritmo 1. usuário acessa o editor 2. editor faz uma chamada de sistema para o sistema operacional 3. sistema operacional verifica se o arquivo existe 4. se arquivo existe 5. chamada de sistema para ler conteúdo do arquivo 6. chamada de sistema para exibir conteúdo no terminal 7. senão 8. Sistema operacional informa ao editor que arquivo não existe Outros tipos de sistemas operacionais Bart Simpson resolveu comprar um computador e criar um sistema operacional apenas para usar o Bloco de Notas. Que características esse Sistema Operacional precisaria ter? Outros tipos de sistemas operacionais Mais tarde, Bart resolveu que gostaria também de ouvir música, enquanto editava seu texto. Que mudanças ele precisaria fazer no Sistema Operacional? Meu sistema operacional vai ser monousuário e monotarefa! Meu sistema operacional vai precisar ser alterado para considerar várias tarefas sendo executadas!

5 Outros tipos de sistema operacional Outros tipos de sistema operacional Com relação ao usuário Monousuário vs. Multiusuário Monousuário Multiusuário Com relação ao número de tarefas que podem ser executadas: Monotarefa vs. Multitarefa Monoprogramação Multiprogramação Monotarefa Multitarefa Multitarefa Multitarefa Com relação ao tipo de programação Monoprogramação vs. Multiprogramação Outros tipos de sistema operacional Sistemas Multiprogramaveis/Multitarefas Batch Time-sharing Distribuídos Tempo Real Embarcados Para os alunos: Pesquisem quais as principais características destes tipos de sistema operacional para a próxima aula. Mais algumas perguntas! O computador realiza acessos simultâneos ao processador, memória ou dispositivos de E/S? Como é possível controlar o acesso simultâneo ao processador? Escalonamento Como é possível controlar o acesso simultâneo a memória? Segmentação Como é possível controlar o acesso simultâneo aos dispositivos de E/S? Interrupção

6 Um presente para os alunos! 1. O que é um sistema operacional? 2. Porque os sistemas operacionais foram criados? 3. Quais as principais funções de um sistema operacional? 4. O que é kernel? 5. Quais os tipos de acesso a hardware? Quais as diferenças entre eles? 6. O que são as interrupções? Para que servem? 7. O que são as system calls? 8. Quais os tipos de sistema operacional? Explique cada um deles. 9. Caracterize as abordagens: kernel monolítico vs. kernel em camadas. Processos e Threads Quantas operações você realiza simultaneamente no seu computador?

7 Processos O que é um processo? Vamos considerar um exemplo Vamos fazer um bolo! Programa vs. Processos Processo é uma atividade de um programa Exemplo: vamos fazer um bolo! Fazer o bolo corresponde a fazer um programa! Então, quais os principais elementos de um programa? ENTRADA (-- ingredientes --) PROCESSAMENTO (-- algoritmo --) 1. Bater as claras em neve 2. Misturar açúcar e manteiga 3. Adicionar as gemas 4. Adicionar metade da farinha de trigo 5. Adicionar metade do leite 6. Adicionar a outra metade da farinha de trigo 7. Adicionar a outra metade do leite 8. Ligar o forno a Adicionar as claras 10. Despejar bolo na forma 11. Colocar a forma no forno SAÍDA (-- bolo --) Vamos considerar um exemplo Estados de um processo P 1 Programa: fazer um bolo P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 9 P 11 Clássicos Execução Bloqueado Pronto (Apto) P 8 P 10 Outros estados da literatura Iniciado Finalizado (terminado)

8 Voltando ao nosso exemplo... Enquanto o bolo está sendo preparado, o filho do cozinheiro cai da bicicleta e se machuca! O que fazer? O cozinheiro vai interromper o bolo para dar os primeiros socorros ao filho! Programa: primeiros socorros P 1 P 2 P 3 P4 P 5 Primeiros socorros P 6 Voltando ao nosso exemplo... Estados dos processos: Em execução: Selecionar ingredientes Misturar açúcar e manteiga Fazer curativo Bloqueado Acabou o leite Faltou algodão Apto O bolo pode ser finalizado enquanto ele atende o filho Bolo Bolo tempo Será que pode piorar? Mas afinal, quem é que coloca ordem na casa? ESCALONADOR: implementação de baixo nível do sistema operacional que controla o acesso a CPU Em nosso exemplo: ESCALONADOR: a consciência do cozinheiro PROCESSADOR: cozinheiro PROCESSOS: atividades que ele precisava realizar Imagine agora uma padaria, onde além do bolo é necessário fazer pães, salgados, doces... compartilhando os mesmos ingredientes Isso se chama PROGRAMAÇÃO CONCORRENTE

9 Definição: Threads Entidades escalonadas para execução Tanenbaum Fluxo de execução dentro de um processo Rômulo Oliveira Unidade básica de utilização da CPU Silbershatz Threads compartilham os mesmos recursos de um processo Visão clássica vs. Visão contemporânea Processo 1 Processo 1 Processo 1 Processo 1 Kernel Kernel Espaço do usuário Espaço do kernel Quando usamos as threads? Quando precisamos de Programação concorrente! Mais um presente! 1. O que é um processo? 2. Quais os estados de um processo? 3. Qual a diferença entre programa e processo? 4. O que é o escalonador? Pelo que ele é responsável? 5. O que são as threads? 6. Qual a diferença entre processo e thread? 7. Para que servem as threads?

10 Memória Gerência de Memória O que é a memória? Exemplos: RAM, ROM, Flash, HD, pen-drive, MP3, MP4, etc. Tipos de memória Volátil Não-volátil Hierarquia de Memória Uma reflexão sobre gerência de memória Cache preço velocidade Principal Disco Magnético Capacidade de armazenamento Memória Fitas Magnéticas Porque foi necessário criar esta estrutura de hierarquia de memória? Como podemos dividir a memória de forma que diferentes programas possam acessar?

11 Uma reflexão sobre gerência de memória Podemos dividir a memória em tamanhos iguais! Uma reflexão sobre gerência de memória Então, podemos dividir a memória em tamanhos diferentes! Memória P2 P 3 P2 P3 P2 P 3 P2 P3 P4 P5 P6 P2 P 3 P2 P4 P2 P 3 Esta não é a melhor forma, pois pode haver desperdício! E se o programa atingir o limite de memória disponível para ele? Uma reflexão sobre gerência de memória P2 P3? Como alocar um programa cuja necessidade total corresponde a soma dos espaços disponíveis? Como é possível dividir e alocar adequadamente os espaços de memória?