Na figura 1, temos uma visão geral do hardware de uma máquina convencional. CPU ULA UC. Registradores. barramento. Figura 1 Visão geral do hardware

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1 1. Introdução Os sistemas computacionais são compostos basicamente por 2 elementos: hardware e software. O hardware é formado pelos dispositivos físicos e o software é formado pelos programas que utilizam o hardware Hardware Na figura 1, temos uma visão geral do hardware de uma máquina convencional. CPU ULA UC Registradores Dispositivos de E/S Memória barramento Figura 1 Visão geral do hardware Neste esquema, vemos três unidades funcionais básicas: a cpu, a memória e os dispositivos de E/S. CPU: ou unidade central de processamento. É o elemento responsável pela execução dos programas. Geralmente ela vem confinada em um único chip (ex: da intel). Seus principais componentes são: a ULA, a UC e os registradores. Registradores: São dispositivos de armazenamento temporário e de alta velocidade. São os responsáveis por armazenar os dados que estão sendo executados dentro da cpu. ULA (Unidade Lógica e Aritmética): Responsável por realizar as operações lógicas (or, and, not) e aritméticas (soma, subtração, adição e multiplicação) sobre os conteúdos dos registradores. UC (Unidade de Controle): É o componente inteligente do computador, que contém um programa residente chamado "microprograma", responsável por todo o funcionamento Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 1

2 do hardware. A execução deste microprograma ocorre da seguinte maneira: este microprograma contém uma seqüência de "microinstruções", que são "disparadas" sobre o hardware, ativando seus componentes a cada 1 ou mais pulsos de clock. A função básica deste microprograma pode ser dividida em 3 fases: busca da instrução, decodificação da instrução e execução da instrução, mostradas no algoritmo abaixo: Loop RI mem(pc); {* RI = Registrador de Instrução *} Decodifica(RI); {* PC = Contador de Programa *} Executa(RI); PC PC + 1; Forever; Memória: É um dispositivo de armazenamento de dados. É na memória que são carregados todos os programas a serem executados pela CPU. A memória é composta por uma seqüência de palavras, onde cada palavra possui um ou mais bytes (assim como os registradores) e é acessada por um endereço (posição). Dois tipos de operações podem ser efetuadas no sistema de memória: leitura e escrita de dados. Quando um programa é carregado na memória, ele deve estar em linguagem de máquina (código binário), específico do hardware em questão. Suas instruções são colocadas em seqüência nas posições da memória. Então, a UC começa o ciclo de execução do programa, buscando suas instruções uma a uma, decodificando e executando-as. Dispositivos Periféricos ou de E/S: São dispositivos que permitem a comunicação da CPU com o mundo externo (impressora, monitor, teclado, mouse etc.). Cada dispositivo possui um circuito controlador (chip) que é responsável por acessar o dispositivo em suas operações mais elementares, através de linguagem de máquina. O sistema operacional implementa rotinas que tratam dos dispositivos (devices drivers) que desempenham funções mais elaboradas. Barramento: São linhas de comunicação entre os componentes do hardware. Estas linhas de comunicação transportam dados, endereços e controle. Todos os dispositivos do hardware são conectados no barramento e todos têm acessos as informações que nele são colocadas. Cabe a cada dispositivo identificar quando que a informação é sua. Isto pode ser feito pelas linhas de Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 2

3 endereçamento (cada dispositivo possui um endereço) ou pelas linhas de controle. A figura 2 esquematiza o barramento: CPU Memória Dispositivos E/S Figura 2 Barramento 1.2. Software O software é o elemento responsável pela manipulação do hardware, a fim de executar as funções desejadas pelo usuário. Basicamente, podemos hierarquizar os diferentes tipos de softwares segundo as camadas da figura 3: Figura 3 - Divisão em camadas Microprograma: Sintetiza a própria unidade de controle. O microprograma é o software de mais baixo nível, disparando sinais de controle (pulsos) diretamente sobre os dispositivos do hardware. O microprograma é uma linguagem específica da máquina, capaz de executar um conjunto específico de instruções em linguagem de máquina. Linguagem de Máquina: É a linguagem binária que o processador entende, ou seja, que pode ser executada diretamente pela unidade de controle. Um programa escrito em linguagem de máquina é dito "programa executável" ou "programa objeto". Quando um programa é escrito em uma linguagem de alto nível (PASCAL,C, CLIPPER etc...), ele deverá ser compilado (ou Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 3

4 interpretado) para linguagem de máquina. Na figura 4 é dado um exemplo (fictício) de um trecho de programa em linguagem assembler e seu respectivo código em linguagem de máquina. Assembler Linguagem de Máquina Memória : : : LD A,(10H) F210H E ADD A,B E4H E301 F2 JMP (E090H) A2H E302 E4 : E090H E : E304 E0 E305 A2 : Figura 4 - Programação em Assembler Sistema Operacional: O sistema operacional é o software responsável por gerenciar os recursos do hardware para o usuário, para que este não tenha que interagir diretamente sobre os dispositivos. O S.O. é constituído basicamente por duas camadas: O Shell (ou interpretador de comandos) e o Kernel (ou núcleo), como mostra a figura 5: SO SHELL KERNEL HARDWARE Figura 5 - Divisão do Sistema Operacional O núcleo implementa as funções básicas do SO, responsáveis pelo gerenciamento de memória, arquivos, processador, periféricos etc..., enquanto que o Shell implementa uma interface com o usuário, para atender necessidades tais como : listar um diretório, copiar arquivos etc... O computador quando é ligado ele é praticamente vazio de software. Existe um pequeno programa residente que faz um check-up do equipamento e solicita a inserção do disco com o sistema operacional (caso não haja disco rígido). O computador não tem conhecimento de qual sistema operacional será carregado e muito menos quais são os arquivos que o constitui, por isso, ele carregara apenas um setor pré-definido do disco e coloca para execução. Neste setor deverá estar o Boot do sistema operacional, responsável pelo carregamento do SO. Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 4

5 Um programa que trabalha sempre em conjunto com o SO é o chamado Loader. O Loader ou carregador é responsável por carregar os programas que estão no disco para a memória, realocando os espaços de endereçamentos. Utilitários: São também chamados de tool kits ou ferramentas, pois são programas que auxiliam o usuário na construção de aplicações. Alguns bastantes utilizados são os tradutores, os linkers e os depuradores. Os tradutores são programas que transformam um programa escrito em uma determinada linguagem para uma outra linguagem. Os mais utilizados são os montadores, compiladores e os interpretadores. Montadores - transformam linguagem de montagem (assembler) em linguagem de máquina. Os compiladores transformam linguagens de alto nível em linguagem de máquina, gerando um código executável do programa fonte. Os interpretadores transformam o programa fonte, linha por linha em tempo de execução em linguagem de máquina, não gerando um programa objeto. Compiladores - fazem detecção de erros antes da execução, permitindo com que a execução seja certeira e rápida. Os interpretadores são lentos e apresentam os erros em tempo de execução, mas são mais flexíveis pois possibilitam alocação dinâmica. Linkers - possibilitam o desenvolvimento de módulos bibliotecas e portando uma maior flexibilidade dos softwares. Os linkers concatenam vários módulos objetos (bibliotecas) juntamente com um módulo objeto principal, gerando um único programa executável, como mostra a figura 6. MÓDULO OBJETO LINKER PROG EXEC MÓDULO OBJETO Figura 6 Exemplo de Linkers Depuradores - ou Debuggers são utilitários que auxiliam a depuração de programas, ou seja, a detecção de erros, permitindo a visualização do conteúdo das variáveis, das posições de memórias e permitindo também a execução de apenas um trecho do programa. Geralmente trabalham em conjunto com compiladores em um único ambiente integrado. Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 5

6 2.3. Sistema Operacional Sistema operacional é um conjunto de rotinas executadas pelo processador, que tem como funções básicas: gerenciar os vários recursos disponíveis no sistema, para atender da maneira mais eficiente possível o usuário; gerenciar a execução dos programas do usuário, visando o melhor desempenho do sistema todo. Em sua forma mais usual, a estrutura de um sistema operacional pode ser visualizada em camadas hierárquicas mostrada na figura 7, onde a camada mais interna, correspondente ao hardware, que suporta todas as camadas de software. A primeira camada de software a envolver o hardware é o núcleo (kernel), que se comporta como um sistema operacional básico. Sobre o núcleo situam-se um conjunto de serviços, constituindo-se o sistema operacional propriamente dito, que fornece o suporte necessário a execução de programas. Em seguida, tem-se a camada mais externa correspondendo ao nível da aplicação, na qual este projeto atua diretamente. Aplicação Sistema Operacional Núcleo Hardware Figura 7 - Estruturação de um Sistema Operacional em Camadas. Os principais componentes do sistema operacional residem no núcleo e são relacionados a seguir: Gerenciamento de I/O: Esconde as peculiaridades do hardware, fornecendo mecanismo de bufferização e drivers dos dispositivos. Mecanismo de bufferização - poupa tempo de CPU evitando que as solicitações de I/O sejam feitas diretamente nos dispositivos físicos. Ao invés disso, as I/O são feitas em um buffer e de tempo em tempo são efetivadas nos dispositivos. Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 6

7 Drivers - dos dispositivos são rotinas que implementam as funções básicas tais como leitura e escrita de caracteres e string; assim não precisamos programar em baixo nível. Gerenciamento de Arquivos: Implementa funções tais como: gerenciamento de espaços livres; criação e deleção de arquivos; criação e deleção de diretórios; primitivas para manipulação de arquivos e diretórios (dir, copy, cd etc...); mapeamento dos arquivos em disco etc... Gerenciamento de Processos: Implementa funções de manipulação e gerenciamento de processos tais como: criação e deleção de processos; escalonamento de processos; mecanismos de comunicação e sincronização entre processos etc... Processos podem ser comparados com programas capazes de executar tarefas. Aos processos são associados alguns atributos tais como: nome, proprietário, ponteiros para posições da memória, contexto (conteúdo dos registradores e variáveis; situação em que o hardware estava quando o processo foi suspenso) etc... Existem basicamente dois tipos de processos: processos do usuário e processos do SO. Os processos do usuário executam as tarefas do usuário e os processos do SO executam as tarefas do SO (basicamente todas as funções do SO são executadas por processos específicos) em beneficio dos usuários. Basicamente, os processos do usuário são ativados pelo SO e os processos do SO são ativados pelo próprio SO ou via interrupções (de hardware ou softwares). Gerenciamento de Memória: Implementa funções tais como: alocação e liberação de espaço de memória; gerenciamento de memória virtual (paginação e segmentação) Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 7

8 Proteção do Sistema: Protege o sistema contra usuários "espertinhos" e protege usuários contra outros usuários não autorizados. Existem vários recursos do hardware que favorece o sistema de proteção fornecido pelo SO. Um destes recursos é o próprio mecanismo de memória virtual, que veremos mais adiante. Neste mecanismo o hardware verifica se os acessos à memória estão dentro dos limites de cada usuário. Um outro recurso é a existência de dois modos básicos de execução, fornecidos pelo hardware: o modo supervisor e o modo usuário. Quando o SO está com o controle da máquina, o hardware está setado no modo supervisor. Quando o SO passa o controle para a aplicação do usuário, ele seta o modo para usuário. Quando o controle volta para o SO, através de uma interrupção, o modo é imediatamente setado para supervisor. Com isso, o hardware sempre sabe se o processo que está executando é do sistema (modo supervisor) ou do usuário (modo usuário), e assim pode impedir acessos não autorizados Tipos de Sistemas Operacionais A evolução do hardware e das aplicações que ele suporta refletem na evolução dos sistemas operacionais. É comum você instalar uma nova placa em sua máquina para controlar algum dispositivo e o sistema operacional já reconhecê-lo e deixá-lo pronto para operação, como é o caso de placas plug-and-play. A evolução dos sistemas operacionais para computadores pessoais popularizou vários conceitos e técnicas que antes só eram conhecidos em ambiente de grande porte. Surgiram novos termos para conceitos já conhecidos, que foram apenas adaptados para uma nova realidade. A seguir são apresentados diversos tipos de sistemas operacionais, suas características, vantagens e desvantagens. Tipos de sistemas operacionais: Sistemas Monoprogramáveis ou monotarefas Sistemas Multiprogramáveis ou multitarefas Sistemas com múltiplos processadores Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 8

9 Sistemas Monoprogramáveis/Monotarefa Sistemas operacionais que controlam um único programa por vez, ou seja, se o usuário rodar um editor de texto, por exemplo, outro programa a ser executado deve aguardar o término do programa em execução. Um exemplo comum de sistema monotarefa que fez muito sucesso é o DOS. Eles se caracterizam por permitir que o processador, a memória e os periféricos permanecem dedicados exclusivamente à execução de um único programa. Enquanto um programa aguarda por um evento, como a digitação de um dado, o processador permanece ocioso, sem realizar qualquer tipo de processamento, os periféricos, como discos e impressoras, estão dedicados apenas a um único usuário. Figura 8 -Sistemas monoprogramáveis/monotarefa Sistemas Multiprogramáveis/multitarefa Nos sistemas multiprogramáveis, existem vários programas dividindo os recursos disponíveis, dando a impressão ao usuário de ocorrerem ao mesmo tempo. Enquanto um programa espera por uma operação de leitura ou gravação, outros programas podem estar sendo processados, assim sendo existirá um compartilhamento da memória e do processador. O sistema deve gerenciar o acesso concorrente aos diversos recursos. Exemplos comuns deste tipo de sistema são: Windows (depende do caso); Linux; Unix; Etc. Outra característica importante dos sistemas multitarefa é a possibilidade de vários usuários poderem utilizar o sistema simultaneamente ou não. Cada qual terá suas Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 9

10 configurações independentes uns dos outros e com seus ambientes configurados de acordo com sua vontade. Portanto, podemos classificar os sistemas multiprogramáveis como monousuário e multiusuário. Figura 9 - Sistemas multiprogramáveis/multitarefa Sistemas com Múltiplos Processadores Nestes sistemas duas ou mais CPU s são interligadas, trabalhando juntas. Deve ser observada sempre a forma de comunicação entre elas e o grau de compartilhamento da memória e dos dispositivos de E/S. Assim sendo, os sistemas podem ser classificados como: Fortemente acoplados o Sistemas simétricos o Sistemas assimétricos Fracamente acoplados o Sistemas operacionais de rede o Sistemas operacionais distribuídos Sistemas Fortemente acoplados Nestes sistemas existem dois ou mais processadores compartilhando uma única memória e controlados por apenas um único sistema operacional que fazem uso intensivo da CPU. Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 10

11 Figura 10 - Sistemas fortemente acoplados Como foi dito, apenas um SO gerencia os vários processadores e o compartilhamento de uma única memória. Múltiplos processadores permitem que vários programas sejam executados ao mesmo tempo, ou que um programa seja dividido em subprogramas, para execução simultânea em mais de um processador. Os sistemas fortemente acoplados podem ser divididos conforme a simetria existente entre seus processadores, ou seja, todos os processadores podem executar ou não as mesmas funções. Existem duas classificações para esses tipos de sistemas: Sistemas Assimétricos Sistemas Simétricos Sistemas Assimétricos Neste tipo de sistema, também chamado de mestre/escravo, somente um processador (mestre) pode executar serviços do Sistema Operacional, como, por exemplo, realizar operações de E/S. Uma conseqüência dessa organização é que se o processador mestre falhar todo o sistema para. Caso isso aconteça, o sistema deve ser reconfigurado, para um escravo assumir o papel de mestre. Figura 11 - Sistemas Assimétricos Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 11

12 Sistemas Simétricos Nestes sistemas existe a simetria dos processadores, todos eles realizam quase que as mesmas funções. Poucas delas ficam a cargo de um único processador, como, por exemplo, a inicialização do sistema (boot). No processamento simétrico, um programa pode ser executado por qualquer processador, inclusive por vários processadores ao mesmo tempo, o que é conhecido como paralelismo. Além disso, quando um processador falhar, o sistema continua em funcionamento sem nenhuma interferência manual, porém com menor capacidade de computação. Sistemas Fracamente acoplados Figura 12 - Sistemas Simétricos Esses sistemas possuem dois ou mais computadores interligados, cada um com o seu próprio SO, gerenciando os seus recursos, como processador, memória e dispositivos de E/S, eventualmente trocam informações para utilização de recursos, como uma impressora, discos, etc. Neste caso, se a máquina que tiver a impressora falhar, as outras continuam em funcionamento e o usuário pode continuar exercendo outra atividade menos impressão de documentos. Os sistemas fracamente acoplados caracterizam-se por possuir dois ou mais sistemas operacionais, conectados através de linhas de comunicação. Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 12

13 Figura 13 - Sistemas fracamente acoplados A grande diferença entre os dois tipos é que nos fortemente acoplados existe apenas um espaço de endereçamento de memória compartilhado por todos os processadores, enquanto nos sistemas fracamente acoplados cada sistema tem sua própria memória individual. Além disso, a taxa de transferência entre CPU s e memória nos fortemente acoplados é normalmente maior que nos fracamente acoplados. Até a década de 80, os SO s e as aplicações eram tipicamente concentrados em sistemas de grande porte, com um ou mais processadores, os usuários utilizam terminais não inteligentes conectados a linhas seriais dedicadas, esses terminais não tinham capacidade de processamento, encaminhavam os pedidos ao sistema, que realizava o processamento e depois retornava o resultado, utilizando as linhas de comunicação. Com a evolução dos computadores pessoais e das estações de trabalho, juntamente com o avanço das telecomunicações e da tecnologia de redes, surgiu um novo modelo, chamado modelo de rede de computadores. Sistemas Operacionais Distribuídos Figura 14 Redes de Computadores Em sistemas distribuídos, cada componente da rede também possui seu próprio SO, memória, processador e dispositivos. O que define um sistema distribuído é a existência de um relacionamento mais forte entre os seus componentes, onde geralmente os Sistemas Operacionais são os mesmos. Para o usuário e suas aplicações, é como se não existisse uma rede de computadores, mas sim um único sistema centralizado. A grande vantagem desses sistemas é a possibilidade do balanceamento de carga, ou seja, quando um programa é selecionado para execução, sua carga será efetuada no processador mais livre. Nos sistemas distribuídos uma aplicação pode ser executada por Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 13

14 qualquer processador. È permitida a divisão de uma aplicação em diferentes partes (aplicações distribuídas), que se comunicam através de linhas de comunicação, podendo cada parte ser processada em um sistema independente. Como as aplicações estão distribuídas por diversos sistemas, caso ocorra algum problema com um dos componentes, é possível que um deles assuma o papel do sistema defeituoso. Em aplicações de missão crítica, como controle de tráfego aéreo, existem sistemas especialmente desenvolvidos para essa finalidade, conhecidos como sistemas de tolerância à falhas (fault tolerance). Copyright, 2009 Prof. Fabio Augusto Oliveira - Sistemas Operacionais 14