Disciplina: Sistemas Operacionais

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1 Curso: Análise e Desenvolvimento de Sistemas Disciplina: Sistemas Operacionais Parte 2: Sistemas Multiprocessos, Características dos Multiprocessadores,Sistemas de Clusters, Operações básica do Sistema Operacional, Gerencia de processos Prof. Wagner Santos C. de Jesus wsantoscj@gmail.com

2 Sistemas Multiprocessados 2

3 Hierarquia dos SO (Multiprocessados) Sistemas Multiprocessados Fortemente Acoplados Fracamente Acoplados 3

4 Sistemas Multiprocessados Sistemas conhecidos como Sistemas paralelos ou Sistemas fortemente acoplados. Esses sistemas possuem mais de um processador em perfeita comunicação. Sistemas Multiprocessados possuem três vantagens principais: Maior vazão (Throughput) Economia de escala Maior confiabilidade 4

5 Maior Vazão Com aumento do número de processadores espera-se realizar mais trabalho em menos tempo. SO Processador-1 Tarefa T = N/2 Processador-2 5

6 Economia de escala Os sistemas multiprocessados podem custar menos do que múltiplos sistemas de processador único equivalente, porque: Compartilham periféricos. Armazenamentos em massa. Fonte de Alimentação. Compartilhamento de disco. 6

7 Maior Confiabilidade Processadores assumem tarefa de outro, caso haja necessidade de paralização de algum deles. Esse conceito é denominado de degradação controlada. 7

8 Características dos Multiprocessadores 8

9 Hierarquia dos SO (Multiprocessados) Sistemas Multiprocessados Fortemente Acoplados Fracamente Acoplados Sistemas Simétricos Sistemas Assimétricos Sistemas Operacionais de Rede Sistemas Operacionais Distribuídos 9

10 Características Multiprocessamento Simétrico (Symmetric Multi- Processing). Multiprocessamento Assimétrico (Asymmetric Multi- Processing) 10

11 Multiprocessamento Simétrico (SMP) CPU 0 Registradores cache CPU 1 Registradores cache CPU 2 Registradores cache memória Ocorre em um sistema computacional com vários processadores com memória compartilhada sob controle de um único sistema operacional. Arquitetura de Multiprocessamento Simétrico 11

12 Multiprocessamento Assimétrico (AMP) CPU 0 Registradores Cache Mestre CPU 1 Registradores Cache Escravo CPU 2 Registradores Cache Escravo Nos sistemas de multiprocessamento assimétrico, os processadores não são tratados igualmente e existe um processador que é o mestre e controla o sistema, que fica distribuindo tarefas para cada processador escravo. 12

13 Tipos de Arquiteturas UMA (Uniforme Memory Access) NUMA (Non-Uniforme Memory Access) Memória CPU 0, CPU 1 13

14 Conceito UMA O acesso uniforme à memória ( UMA ) é uma arquitetura de memória compartilhada usada em computadores paralelos. Todos os processadores do modelo UMA compartilham a memória física uniformemente. Memória Acesso Uniforme CPU-0 CPU-1 CPU-2 14

15 NUMA Vem a ser uma arquitetura para projeto memória principal de computadores multiprocessados. Nesta arquitetura o acesso à memória executado pelos processadores é não uniforme, o que significa que cada processador terá uma latência diferente ao acessar a memória principal e compartilhada do computador. Memória Acesso não Uniforme A0 A2 A1 CPU-0 CPU-1 CPU-2 15

16 CPU Múltiplos Núcleos Multicore São CPU s que inluem vários processadores em um único chip. Ganho de eficiência maior do que em múltiplos chips isolados. Núcleo 0 CPU Registradores cache Núcleo 1 CPU 1 Registradores cache memória Um dual Core com dois núcleos colocados no mesmo chip 16

17 Sistemas em Clusters 17

18 Conceito de Cluster Como os sistemas multiprocessados, os sistemas em cluster reúnem diversas CPUs para realizar um trabalho de computação. No entanto os sistemas em cluster diferem dos sistemas multiprocessados porque são compostos de dois ou mais sistemas individuais. 18

19 Observação Normalmente cluster são conectados de maneira rígida por intermédio de Redes Locais (LANs). Ou interconexões mais rápidas InfiniBand. Computação de alta performance. 19

20 Estrutura geral de um Sistema em Clusters interconexão interconexão Computador Computador Computador Sistema de Armazenamento em rede 20

21 Estrutura do sistema Operacional usando Multiprogramação 21

22 Diagrama de memória para sistema Multiprogramação Sistema Operacional Tarefa 1 Tarefa 2 Tarefa 3 Tarefa 4 22

23 Banco de Dados de Tarefa Esse pool de tarefas consiste em todos os processos que residem no disco, aguardando a alocação da memória principal. Sistema de Armazenamento Tarefas 23

24 Tempo Compartilhado (Time Sharing) Exige um computador interativo, que providencie a comunicação direta entre o usuário e o Sistema Operacional. Tempo de resposta curto de aproximadamente um Segundo. 24

25 Operações básica do Sistema Operacional 25

26 Operações do Sistema Um sistema operacional ficará silencioso esperando que um evento aconteça, Isso pode ser realizado pela ocorrência de uma interrupção ou trap (Exceção) é a interrupção gerada pelo software informando um erro. try // Experimentar Instruções a serem executadas catch (Exception exceção) Notificação de erro end 26

27 Operação no modo dual No mínimo precisamos de dois modos de operação separados: Modo Kernel - (Modo Supervisor) bit(0). Modo Sistema (Usuário) - (Modo privilegiado) bit(1). 27

28 Transição de modo usuário para modo kernel. Processo do Usuário Processo de usuário executando Chamada do Sistema Retorno de chamada Kernel trap bit de modo = 0 retorno bit de modo = 1 Executa Chamadas do sistema Trap (Laço) 28

29 Temporizador Como garantia de que um programa do usuário, não entre em loop infinito o Sistema Operacional ativa um temporizador (Timer), que leva uma contagem de tempo de 1000 milissegundos equivalente a 1 segundo, o Sistema operacional define um contador e começa a decrementar toda vez que o relógio toca até que seja zerado, devolvendo o controle ao usuário. Disponível: Processo.cpp 29

30 Gerencia de processos 30

31 Processo Vem a ser uma entidade ativa reconhecida por um Sistema Operacional. Um programa é uma entidade passiva. Processo-1 Processo-2 Processo-3 Programa-1 Programa-2 Programa-3 Olhar Gerenciador de Tarefas 31

32 Processo Um processo vem a ser um programa em execução; Em um processo é incluída a atividade do contador de programas; Conteúdo dos registradores de processos; Pilha de processos (stack). 32

33 O sistema operacional é responsável pelas seguintes atividades, em conjunto com a gerência de processos. Escalonar processos e threads nas CPUs. Criar e remover os processos de usuários e de sistema. Suspender e retornar os processos. Prover mecanismos para sincronismo de processos. Prover mecanismos para a comunicação entre processos. 33

34 Pilha de Processo máx pilha heap A memória é alocada dinamicamente durante o tempo de execução do processo. Dados 0 texto heap - pilha 34

35 Pilha Processos(stack) Contém: Dados (Temporários); - Parâmetros de métodos; - Endereços de retorno de variáveis - Seção de dados (Variáveis Globais); 35

36 Estados de um processo No momento que um processo é executado, ele muda de estado. O estado de um processo é definido em parte pela atividade atual desse processo. Estados de um processo: Novo (New) Processo está sendo criado. Executando (Running) As instruções estão sendo executadas. Esperando (Waiting) O processo está esperando algum evento (como Termino de E/S ou recebimento de um sinal). Pronto (Ready) O processo está esperando para ser atribuído a um processador. Terminado(Terminated). O processo terminou sua execução. 36

37 Diagrama de estado do Processo Novo (New) Admitido Saída Terminado (Terminated) Pronto (Ready) Interrupção Executando (Running) Despacho do escalonador Término de E/S ou evento Esperando (Waiting) Espera por E/S ou evento 37

38 Bloco de Controle de Processo (PCB) Estado do processo Número do processo Contador de programa Registradores Limites de Memória Listas de arquivos abertos... Estado do processo. O estado pode ser novo, pronto, executando, esperando, interrompido... Contador de programa. Indica o endereço da próxima instrução a ser executada para esse processo. Registradores da CPU. Os registradores variam em quantidade e tipo, dependendo da arquitetura do computador. 38

39 Função do PCB Serve como o repositório para quaisquer informações que possam variar de um processo para outro. Processo P 0 Sistema Operacional Processo P 1 Executando Interrupção ou chamada de sistema Ocioso Salva estado. no PCB 0.. recarrega estado no PCB 1 Interrupção ou chamada de sistema Salva estado no PCB 1 Ocioso Executando Ocioso Executando Restaura estado no PCB 0 39

40 Threads Um processo é um programa que executa uma única Thread. Exemplo: Quando um processo está executando um programa de processamento de textos, o usuário não poderá digitar caracteres e executar o corretor ortográfico. 40

41 Gerência de Memória 41

42 Memória Principal 42

43 Funcionamento da Memória Organização Lógica da Memória Principal para um microprocessador de 8 bits Disponível: Alocm.cpp 43

44 Conceito de Memória Principal A memória principal consiste em uma grande sequencia de words ou bytes, cada uma com seu próprio endereço. A CPU captura dados instruções da memória de acordo com valor do contador de programa. Essas instruções podem ocasionar no carregamento adicional e o armazenamento em endereço específicos da memória. 44

45 Memória Principal Unidade Central de Processamento - CPU Mundo Externo Entrada Unidade Logica e Aritmética Controle Saída Para Mundo Externo Memória 45

46 Interação da Memória com o Hardware Existem Instruções de máquina que pegam endereço de memória como argumentos. Nenhuma Instrução de máquina pode capturar endereços de disco. Se os dados não estiverem na memória, terão que ser movidos para a mesma, antes que a CPU faça qualquer operação. 46

47 Registradores da CPU Os registradores internos da CPU são acessíveis em geral, em um ciclo do relógio (clock) da CPU. 47

48 O Sistema Operacional é responsável pelas seguintes atividades relacionadas com gerencia de memória Registrar quais partes da memória estão sendo usadas atualmente e por quem. Decidir quais processos (ou parte deles) e dados devem ser colocados e retirados da memória. Alocar e desalocar espaço de memória conforme a necessidade. Disponível: Alocm2.cpp 48

49 Acesso a memória (Processo) Primeiro precisa-se garantir que cada processo tenha um espaço de memória separado, e para isso precisamos da capacidade de determinar o intervalo de endereços válidos Sistema Operacional Processo Registrador de base e um de limite Endereço lógico Processo Processo base Limite

50 Proteção de endereço de Hardware com registradores de base e limite base base + limite CPU endereço sim < sim não não Interceptação para monitor do sistema operacional Erro de endereçamento memória 50

51 Registradores de base e limite Os registradores de base e limite só podem ser carregados pelo sistema operacional por intermédio de uma instrução privilegiada especial. Isso porque instruções privilegiadas só podem ser executada no modo Kernel (Galvin, 2016). SO Instrução Kernel 51

52 Associação de endereços de Processos Gerencia de Processos 52

53 Associação de endereços Em geral, um programa reside em um disco como um arquivo executável binário. Para se executado, precisa ser trazido para a memória e acrescentado no interior de um processo. Fila de entrada Fila-Disco Processo-3 Processo-2 Processo-1 Sistema Operacional Fila-Memória Processo-0 Processo-4 Processo-5 : 53

54 Processamento de um programa do usuário em múltiplas etapas Programa fonte Tempo de Compilação Compilador ou Assembler. linkeditor Módulo carga loader Tempo de Carga Outros módulos objetos Biblioteca do Sistema Módulo objeto Imagem Binária na memória Tempo de execução (runtime) Biblioteca do Sistema Dinâmica 54

55 Associação de Instruções a um endereço de Memória Tempo de compilação Tempo de Carga (DLL, Dinamic Link Linguage) Tempo de execução (Runtime) 55

56 Espaço de endereços Lógicos e Físicos 56

57 Endereço Lógico Um endereço gerado pela CPU é denominado endereço Lógico. Um endereço visto pela Unidade de memória é considerado um endereço Físico. 57

58 Endereços Virtuais Em tempo de execução de compilador e carga, geram endereços Físicos e Lógicos, no que diz respeito ao compilador essa tarefa é denominada de endereços virtuais. O mapeamento em tempo de execução dos endereços virtuais para físicos é por um dispositivo de hardware denominado Unidade de Gerencia de Memória (Memory Management Unit - MMU). 58

59 Relocação dinâmica usando um registrador de relocação Registrador de relocação CPU Endereço lógico Endereço Físico Memória MMU 59

60 Escalonamento de Processos 60

61 Objetivo Multiprogramação Encontra-se em ter, algum processo em execução o tempo todo, para melhorar a utilização da CPU. Objetivo do compartilhamento de tempo é alternar a CPU entre os processos com tanta frequência que os usuários possam interagir com cada programa. 61

62 Escalonador de Processos Seleciona um processo disponível a partir de um conjunto de processos disponíveis. Cabeçalho da fila PCB 1 pronto fila head tail Registradores : : Head Cabeçalho Tail - Cabo 62

63 Estrutura de dado de um Processo Cabeçalho da fila pronto fila PID CPU Memória Disco head tail PCB (Bloco de controle de Processo) Identificador de Processo 63

64 Fila de Processo O processo pode emitir uma requisição de E/S e depois ser colocado em uma fila de E/S. O processo pode criar um novo subprocesso e esperar pelo término do subprocesso. 64

65 pronto fila Cabeçalho da fila head tail PCB 7 PCB 2 Registradores : : Registradores : : PCB 3 PCB 10 Mag Fita Unidade 1 head tail Registradores : : Registradores : : 65

66 Representação Escalonamento de Processo Uma representação comum do escalonamento de processos é um diagrama de fila. Fila de pronto CPU E/S Fila de E/S Filho é executado Ocorre Interrupção Requisição de E/S Fatia de tempo expirada Gera um filho Espera uma interrupção 66

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