Infra Estruturas Computacionais. Sistemas Operacionais. Introdução. Sistema Operacional. Objetivos de um Sistema Operacional. Sistema Operacional

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1 Infra Estruturas Computacionais Professor: André Ferreira Material baseado em fontes coletadas na Internet Introdução Programas de : Resolver problemas relacionados aos usuários. Programas de Sistemas: Controlar recursos do computador. Sistema Operacional Camada de software entre o hardware e as aplicações dos usuários. usuários Sistema operacional Hardware 3/42 4/42 Sistema Operacional O Sistema Operacional (SO) pode ser visto genericamente como o Software que gere o Hardware ; Então o SO é um gestor de recursos: Os recursos podem ser: arquivos, memória principal, periféricos (unidades de disco, CD-ROM, impressoras, etc.). Além disso o SO deve prover mecanismos para: Gerenciamento de processos; Garantir a segurança, quanto ao acesso de usuários; Disponibilizar o compartilhamento de recursos, entre outros. Objetivos de um Sistema Operacional Fornecer ao programador/usuário uma forma mais conveniente para a operação do computador: Esconde a complexidade e detalhes internos inerentes à manipulação e controle dos componentes de hardware; Reduz o tempo de preparação de um programa; Permite a execução do mesmo programa em ambientes diferentes; Permite várias aplicações trabalharem simultaneamente. 5/42 6/42 1

2 Objetivos de um Sistema Operacional Controlar a interação entre: Usuários e hardware; Os diversos usuários. Utilizar o Hardware e demais recursos de um computador de forma eficiente. Funções do sistema operacional A partir da máquina real (hardware), criar uma máquina abstrata. Gerenciar os recursos de hardware disponíveis às aplicações. 7/42 8/42 O SO como máquina abstrata Ocultar a complexidade do hardware. O SO como máquina abstrata Clicar em um arquivo Oferecer interfaces padronizadas de acesso ao hardware. Permitir uma visão homogênea de dispositivos distintos. aplicação Sistema operacional Assign(file, D:\README.TXT ); open(file); read(file, ch); close(file); Move head to sector 123 in FAT read 256 bytes to mem 36234H move head to sector read 1024 bytes to mem /42 10/42 O SO como gerente de recursos Recursos da máquina processadores espaço em memória arquivos conexões de rede dispositivos externos Controle de acesso equilibrar uso evitar conflitos O SO como gerente de recursos source app source app source app sdgf jhgsdfj dsjhf khj khj HKjhkjghj hg jhgj jgh jhg jhg jhg jhg kjhg jhgj hg jhg kjhkjhgjhg jhg jhg jhg jh kjhjkhgjhgjh kgjhgjhgjhgj aplicação aplicação aplicação Sistema operacional 11/42 12/42 2

3 Componentes de um SO memória entradas e saídas contabilidade arquivos erros kernel rede usuários processos segurança interface gráfica O kernel Concentra o acesso ao hardware drivers de dispositivo gerência de acesso Provê funções básicas operações de acesso ao hardware noção básica de processos comunicação entre processos É executado em modo privilegiado 13/42 14/42 Afinal o que é um Sistema Operacional? Uma máquina virtual: Esconde aspectos de Hardware de modo a facilitar a vida do programador, apresentando uma interface simplificada. Um Gestor/Distribuidor de Recursos: Decide que pedidos devem ser atendidos de modo que o sistema possa trabalhar de forma eficiente. Um Programa de Controle: Controla a execução de programas do usuário para evitar erros e inconsistência e para proteger usuários uns dos outros. Diferentes visões de um Sistema Operacional Usuário Utilitários SO Hardware Programador Projetista SO 15/42 16/42 Fase 0 Diferentes visões de um Sistema Operacional Visão Usuário Chamadas de Sistema - maneira usada pelo programa para solicitar um serviço do SO - semelhante a chamada de uma sub-rotina; Visão Programador de Sistema Programas executados fora do núcleo do SO (Utilitários), normalmente confundido com o próprio SO: compiladores, interpretadores de comandos, GUI; Visão Projetista do SO Forma pela qual o sistema implementa os serviços: interrupção, exceção, chamadas de Sistema; Computadores baseados em ciência experimental: Não precisavam de sistema operacional; Programação através de "plugs ; Usuário precisava estar presente todo o tempo; Toda atividade era sequencial: Conjuntos de cartões manualmente carregados para executar os programas; O usuário é programador e operador da máquina ao mesmo tempo. Problema: muita espera! Usuário tem que esperar pela máquina... Máquina tem que esperar pelo usuário... Todos têm que esperar pela leitora de cartões! 17/42 18/42 3

4 Fase 1 Altos preços: S.O surge com o objetivo básico de automatizar a preparação, carga e execução de programas; S.O Torna utilização do computador mais eficiente, desacoplando as atividades das pessoas das atividades do computador; Mais tarde: otimização do uso dos recursos de hardware pelos programas; S.O funciona como um monitor batch, continuamente carregando um job, executando e continuando com o próximo job. Se o programa falhasse, o S.O salvava uma cópia do conteúdo de memória para o programador depurar. Nos primeiros SO s a interação homem-máquina era feita através de periféricos de baixa velocidade (cartões perfurados e impressoras); As tarefas (job ou task) eram agrupadas fisicamente e processadas sequencialmente uma após a outra sem interrupção. Entrada Processamento Saída Estes sistemas são conhecidos como batch ou em lote ; Problema fundamental dos SO em lote: Devido aos tempos significativos de leitura e impressão o processador ficava a maior parte do tempo ocioso!!! 19/42 20/42 Uma solução - reduzir o tempo de E/S através da técnica de spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line): Mediante a técnica de spooling os dados eram lidos previamente e agrupados em fitas ou discos prontos para serem utilizados quando do início da tarefa. Outra solução introduzir a técnica de multiprogramação, que permite a existência de mais de um programa na memória principal o que permite aumentar o desempenho do SO; Nesse tipo de SO, a interação com os usuários era prejudicada devido a necessidade de espera pelo processamento completo das demais tarefas, reduzindo a produtividade dos mesmos. Fase 2 Produtividade - Custo/Beneficio: Computadores são rápidos; pessoas são lentas; ambos são caros: "Timesharing" interativo: permitir que vários usuários utilizem a mesma máquina simultaneamente; Um terminal para cada usuário; Manter os dados "on-line": utilização de sistemas de arquivos estruturados. Problema: muita espera! Como prover tempo de resposta razoável?! 21/42 22/42 Para resolver a situação da Fase 1 surgiram então os sistemas de time-sharing (tempo compartilhado) que utilizam também as técnicas da multiprogramação; Os sistemas de time-sharing dividem o tempo de processamento da CPU entre os processos ativos; Cada processo recebe uma fatia de tempo (time-slice) de execução, dando aos usuários a ilusão de que o sistema está dedicado à sua tarefa; Num sistema de tempo compartilhado procura-se dar um tempo de resposta por comando dentro de limites aceitáveis. Fase 3 Produtividade - Custo/Beneficio: Computadores são baratos; pessoas são caras; Dar um computador para cada pessoa. Workstation pessoal (SUN - Stanford University Network, Xerox Alto); Apple II; IBM PC; MacIntosh. 23/42 24/42 4

5 Fase 4 Popularização: Computadores Pessoais (PCs) em todo planeta; Redes possibilitam aparecimento de novas aplicações importantes. Problemas: As pessoas ainda continuam esperando por computadores; Virus, worms, hackers... Existe outra classe de sistemas chamados de tempo real (real-time) caracterizados pelo suporte de aplicações críticas (controle de tráfego aéreo, centrais telefônicas) em que o tempo de resposta deve sempre estar entre limites rígidos; Os avanços dos últimos anos: a estruturação de tecnologias para redes locais (Ethernet, TCP/IP), o aumento do poder de processamento dos computadores, permitiram o desenvolvimento de sistemas operacionais distribuídos e sistemas operacionais de rede. 25/42 26/42 Conceitos Básicos: Um sistema operacional monousuário só permite que um usuário possa estar interagindo com o sistema (MS DOS, Windows 3.x, Windows 9x); O SO é dito multiusuário quando provê atendimento a mais de um usuário (Unix, Novell, Windows 2008, etc.); Multiprogramação é a capacidade do sistema de permitir que mais de um programa esteja presente na memória principal (MS DOS, Unix); Um sistema computacional é dito monoprocessado quando possui somente uma CPU disponível para a execução de processos e multiprocessado se mais de uma CPU pode ser utilizada. Conceitos Básicos: Os usuários e os programas interagem com o SO através de um conjunto conhecido de procedimentos denominados de Chamadas de Sistema (system calls); O Escalonador ou scheduler do SO é o elemento responsável por coordenar o acesso de processos a CPU: A política de escalonamento pode estabelecer prioridades diferentes entre processos ou algum outro tipo de algoritmo, por exemplo: FIFO - First In First Out. Chama-se Núcleo (Kernel) do SO a porção responsável por suas funções mais básicas, entre elas pode-se citar: escalonamento, destruição e criação de processos. 27/42 28/42 Conceitos Básicos: Uma interrupção é um sinal de hardware que faz com que o processador sinalizado interrompa a execução do programa que vinha executando (guardando as suas informações) e passe a executar uma rotina específica que trata da interrupção; As interrupções podem ser originadas por dispositivos periféricos (terminais, discos, impressoras), pelo operador (através da console de operação) ou pelo relógio do sistema (clock). Componentes do Sistema Operacional Gerência de Processos; Gerência da Memória Principal; Gerência de Arquivos; Gerência das E/S; Gerência do Armazenamento em Disco (secundário); Sistemas de Proteção; Gerência de Redes/Sistemas distribuídos. 29/42 30/42 5

6 Processo: Um programa em execução: Programa - entidade estática; Processo - entidade dinâmica. Um processo é composto por: Programas; Dados; Contexto (valores). Processo = contexto + atividade Contexto: Estruturas de dados (variáveis em memória); Descritores de arquivos e sockets; Outros recursos exclusivos. Atividade: Fluxo de execução; Registradores, pilha de execução. Alternar processos = trocar contextos. 31/42 32/42 A troca de contexto A troca de contexto é uma operação cara (+/- 10% do tempo de CPU); Para trocar de atividade, precisamos sempre trocar de contexto? Aplicações com concorrência interna. Solução = threads: Múltiplas atividades em um mesmo contexto. 33/42 Características/Propriedades de um processo: Um processo tem execução sequencial; O resultado da execução de um processo é independente da velocidade do processador em que for executado; O mesmo programa executado por dois usuários gera dois processos; Um programa pode chamar/criar vários processos; Um processo tem duas partes: Ativa - fluxo de controle ; Passiva - espaço de endereçamento (memória, registradores, arquivos). 34/42 Escalonamento de Processos Troca de contexto x Escalonamento: Conceitos que se relacionam; Sempre que ocorre uma troca de contexto, o escalonador deve ser posto para rodar. É necessário guardar informações sobre processos: Prioridades, localização na memória. Processo é representado através de uma estrutura de dados: Bloco de Controle de Processos (BCP) Process Control Block. Escalonamento de Processos Como ocorre a troca de contexto: 35/42 36/42 6

7 Escalonamento de Processos Informações presentes em um BCP: O BCP é um registro contendo informações tipo: Estado do Processo; Número do processo (PID); Valor do PC (contador de programa); Valor dos registradores; Informações sobre gerência de memória; Informações relacionadas a E/S: Ex: Quais são os arquivos abertos pelo processo. Informações para disputa da CPU: Ex: Prioridade do processo. Ciclos de um processo Processos são: Criados: Momento da execução; Chamada de Sistema; Normalmente associados a uma sessão de trabalho (Login name ). Destruídos: Término da execução; Por outros processos. 37/42 38/42 Os Processos apresentam dois ciclos básicos de operação: Ciclo de processador -Tempo que ocupa a CPU; Ciclo de Entrada/Saída - Tempo de espera de um evento E/S. A troca de ciclos ocorre por: Chamada de Sistema (CPU E/S); Interrupção (CPU E/S ou E/S CPU); Ocorrência de Evento (E/S CPU). Relacionamentos entre Processos/Usuários: Processos Independentes: Não apresentam relacionamentos com outros processos. Grupo de Processos: Apresentam algum tipo de relacionamento, por exemplo, hierarquia de processos com mesma filiação: Processo criador é o processo pai; Processo criado é o processo filho; Representação através de uma árvore. 39/42 40/42 Estados de um processo Estados dos processos Após ser criado, um processo precisa entrar num ciclo de processador: Possibilidades: Processador não está disponível; Vários processos estão sendo criados. O que fazer então? Criar uma fila de processos prontos para execução. novo admissão condição satisfeita pronto carga programa alocação da CPU fim do quantum suspenso rodando terminado espera de condição fim de execução 41/42 42/42 7