SSC0640 Sistemas Operacionais I

Transcrição

1 SSC0640 Sistemas Operacionais I 2ª Aula Conceitos Básicos Profa. Sarita Mazzini Bruschi sarita@icmc.usp.br Slides adaptados de Marcos José Santana / Regina H. C. Santana / Luciana A. F. Martimiano baseados no livro Sistemas Operacionais Modernos de A. Tanenbaum 1

2 Roteiro Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Estrutura de Sistemas Operacionais 2

3 Conceitos Básicos de Sistemas Operacionais Principais conceitos: Processo; Memória; Chamadas ao Sistema; 3

4 Processos Processo: chave do SO; Caracterizado por programas em execução; Cada processo possui: Um espaço de endereço; Uma lista de alocação de memória (mínimo, máximo); Um conjunto de registradores (contador de programa); O Sistema Operacional controla todos os processos; 4

5 Processos Estados básicos de um processo: Executando Bloqueado 4 Pronto 5

6 Processos Ex.: processo bloqueado (suspenso) Quando o SO suspende um processo P1 temporariamente para executar um processo P2, o processo P1 deve ser reiniciado exatamente no mesmo estado no qual estava ao ser suspenso. Para tanto, todas as informações a respeito do processo P1 são armazenadas em uma tabela de processos (process table). Essa tabela é um vetor ou uma lista encadeada de estruturas. 6

7 Processos Um processo pode resultar na execução de outros processos, chamados de processos-filhos: Características para a hierarquia de processos: Comunicação (Interação) e Sincronização; Segurança e proteção; Escalonadores de processos: processo que escolhe qual será o próximo processo a ser executado; Diversas técnicas para escalonamento de processos; 7

8 Processos Comunicação e sincronismo entre processos solução: Semáforos; Monitores; Instruções especiais em hardware; Troca de mensagens; 8

9 Gerenciamento de Memória Gerenciamento elementar (década de 60) Sistema monoprogramado; Sem paginação: Apenas um processo na memória; Acesso a toda a memória; Gerenciamento mais avançado (atualidade) Sistema multiprogramado; Mais de um processo na memória; Chaveamento de processos: troca de processos devido a entrada/saída ou por limite de tempo (sistema de tempo compartilhado); 9

10 Gerenciamento de Memória Partições Fixas Cada processo é alocado em uma dada partição da memória (pré-definida); Partições são liberadas quando o processo termina; Partições Variáveis Memória é alocada de acordo com o tamanho e número de processos; Otimiza o uso da memória; 10

11 Roteiro Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Estrutura de Sistemas Operacionais 11

12 System Calls Chamadas ao Sistema Interface entre o Sistema Operacional e os programas do usuário; As chamadas se diferem de SO para SO, no entanto, os conceitos relacionados às chamadas são similares independentemente do SO; Apenas uma chamada de sistema pode ser realizada em um instante de tempo (ciclo de relógio) pela CPU; 12

13 Interfaces de um Sistema Operacional Interação Usuário SO: Shell ou Interpretador de comandos Interação Programas Chamadas ao Sistema SO: 13

14 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Modos de Acesso: Modo usuário; Modo kernel ou Supervisor ou Núcleo; São determinados por um conjunto de bits localizados no registrador de status do processador: PSW (Program Status Word); Por meio desse registrador, o hardware verifica se a instrução pode ou não ser executada pela aplicação; Protege o próprio kernel do Sistema Operacional na RAM contra acessos indevidos; 14

15 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Modo usuário: Aplicações não têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware; Quando o processador trabalha no modo usuário, a aplicação só pode executar instruções sem privilégios, com um acesso reduzido de instruções; Por que? Para garantir a segurança e a integridade do sistema; 15

16 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Modo Kernel: Aplicações têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware; Operações com privilégios; Quando o processador trabalha no modo kernel, a aplicação tem acesso ao conjunto total de instruções; Apenas o SO tem acesso às instruções privilegiadas; 16

17 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Se uma aplicação precisa realizar alguma instrução privilegiada, ela realiza uma chamada ao sistema (system call), que altera do modo usuário para o modo kernel; Chamadas de sistemas são a porta de entrada para o modo Kernel; São a interface entre os programas do usuário no modo usuário e o Sistema Operacional no modo kernel; As chamadas diferem de SO para SO, no entanto, os conceitos relacionados às chamadas são similares independentemente do SO; 17

18 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Fonte: Advanced Linux Programming Mark Mitchell, Jeffrey Oldham, e Alex Samuel ( 18

19 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema TRAP: instrução que permite o acesso ao modo kernel; Exemplo: Instrução do UNIX: count = read(fd,buffer,nbytes); Arquivo a ser lido Bytes a serem lidos Ponteiro para o Buffer O programa sempre deve checar o retorno da chamada de sistema para saber se algum erro ocorreu!!! 19

20 Chamadas ao Sistema Endereço 0xFFFFFFFFF Espaço do Usuário Kernel SO 20 Endereço Dispatch Retorno TRAP Colocar o código para read no registrador Incrementa SP 11 Comando read Empilha fd Empilha &buffer Empilha nbytes Tabela de ponteiros para Chamadas Manipulador de Chamadas Biblioteca do Procedimento READ Chamada ao Procedimento READ

21 Chamadas ao Sistema No Linux, para a arquitetura x86 Processo chama uma função da biblioteca libc READ Função da biblioteca coloca o código da chamada do sistema READ no registrador e envia uma interrupção 0x80 para a CPU Nesse momento o código deixa de ser executado em espaço de usuário sendo executado agora no kernel e passa para a rotina de tratamento dessa interrupção que está em /arch/x86/kernel/entry_32.s Essa rotina checa o código que está no registrador e executa a chamada do sistema 21

22 Chamadas ao Sistema Exemplo da função getpid 22 Chamada do Sistema getpid [Fonte: IBM]

23 Chamadas ao Sistema No Pentium 4 e sucessores Não utiliza interrupções Utiliza primitivas SYSCALL/SYSRET (AMD), SYSENTER/SYSEXIT (Intel) para mudar para o modo protegido São instruções otimizadas para realizar chamadas de sistema Também armazena o código da chamada do sistema no registrador 23

24 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Exemplos de chamadas da interface: Chamadas para gerenciamento de processos: Fork (CreateProcess WIN32) cria um processo; Outros exemplos no Posix (Portable Operating System Interface) 24

25 Exemplo fork() #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> main() { } int pid; pid=fork(); if ( pid < 0 ) { fprintf(stderr,"erro\n"); exit(1); } if ( 0 == pid ) printf("filho: \t id is %d, pid (valor)is %d\n",getpid(), pid); else printf("pai: \t id is %d, pid (filho)is %d\n", getpid(), pid); /* este comando executado duas vezes..*/ system("date"); 25

26 Exemplo execve() #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main(void) { char *args[ ] = {"/bin/ls", NULL}; if (execve("/bin/ls", args, NULL) == -1) { perror("execve"); exit(exit_failure); } } puts("não deveria ter chegado até aqui"); exit(exit_success); 26

27 Exemplo fork() + execve() #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> int main (int argc, char *argv[], char *envp[]) { int retval ; printf ("Ola, sou o processo %5d\n", getpid()) ; retval = fork () ; printf ("[retval: %5d] sou %5d, filho de %5d\n", retval, getpid(), getppid()) ; if ( retval < 0 ) { perror ("Erro: ") ; exit (1) ; } else if ( retval > 0 ) wait (0) ; else { execve ("/bin/date", argv, envp) ; perror ("Erro") ; } printf ("Tchau de %5d!\n", getpid()) ; exit (0) ; } 27

28 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Exemplos de chamadas da interface : Chamadas para gerenciamento de diretórios: Mount monta um diretório; Chamadas para gerenciamento de arquivos: Close (CloseHandle WIN32) fechar um arquivo; Outros exemplos no Posix 28

29 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Exemplos de chamadas da interface : Outros tipos de chamadas: Chmod: modifica permissões; Outros exemplos no Posix 29

30 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Chamadas da interface: Unix x Windows: Unix Chamadas da interface muito semelhantes às chamadas ao sistema Aproximadamente 100 chamadas a procedimentos Windows Chamadas da interface totalmente diferente das chamadas ao sistema APIWin32 (Application Program Interface) Padrão de acesso ao sistema operacional Facilita a compatibilidade Possui milhares de procedimentos 30

31 Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Exemplos de chamadas da interface: Unix e API Win32 31

32 Roteiro Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema Estrutura de Sistemas Operacionais 32

33 Estrutura dos Sistemas Operacionais Pode atuar de duas maneiras diferentes: Como máquina estendida Chamadas ao sistema - interface Parte externa Como gerenciador de recursos Parte interna 33

34 Estrutura dos Sistemas Operacionais Baseados em Kernel (núcleo) Kernel é o núcleo do Sistema Operacional Provê um conjunto de funcionalidades e serviços que suportam várias outras funcionalidades do SO O restante do SO é organizado em um conjunto de rotinas não-kernel Interface com usuário Rotinas não kernel Kernel Hardware 34

35 Estrutura dos Sistemas Operacionais Principais tipos de estruturas: Monolíticos; Em camadas; Máquinas Virtuais; Arquitetura Micro-kernel; Cliente-Servidor; 35

36 Estrutura dos Sistemas Operacionais Monolítico Todos os módulos do sistema são compilados individualmente e depois ligados uns aos outros em um único arquivo-objeto; O Sistema Operacional é um conjunto de processos que podem interagir entre si a qualquer momento sempre que necessário; Cada processo possui uma interface bem definida com relação aos parâmetros e resultados para facilitar a comunicação com os outros processos; Simples; Primeiros sistemas UNIX e MS-DOS; 36

37 Estrutura dos Sistemas Operacionais Monolítico aplicação aplicação Modo usuário Modo kernel System call Hardware 37

38 Memória Principal Estrutura dos Sistemas Operacionais Monolítico Implementação de uma Chamada de Sistema Programa de usuário 2 Programa de usuário 1 Chamada ao sistema (kernel) 4 Programas de usuário rodam em modo usuário TRAP Procedimentos de Serviços Tabela de Escalonamento Rotinas do SO rodam em modo kernel 38

39 Memória Principal Estrutura dos Sistemas Operacionais Monolítico Implementação de uma Chamada de Sistema Programa de usuário 2 Programa de usuário 1 Chamada ao sistema (kernel) 4 Programas de usuário rodam em modo usuário TRAP 3 1 Procedimentos de Serviços Rotinas do SO rodam em modo kernel 39 2 chaveamento da máquina do modo usuário para o modo kernel e transferência do controle para o Sistema Operacional Tabela de Escalonamento

40 Memória Principal Estrutura dos Sistemas Operacionais Monolítico Implementação de uma Chamada de Sistema Programa de usuário 2 Programa de usuário 1 Chamada ao sistema (kernel) 4 Programas de usuário rodam em modo usuário TRAP Procedimentos de Serviços Tabela de Escalonamento Rotinas do SO rodam em modo kernel 40 Sistema Operacional examina os parâmetros da chamada para determinar qual procedimento deve ser executado

41 Memória Principal Estrutura dos Sistemas Operacionais Monolítico Implementação de uma Chamada de Sistema SO indexa em uma tabela um ponteiro para o processo responsável pela execução Programa de usuário 2 Programa de usuário 1 Chamada ao sistema (kernel) 4 Programas de usuário rodam em modo usuário TRAP Procedimentos de Serviços Tabela de Escalonamento Rotinas do SO rodam em modo kernel 41

42 Memória Principal Estrutura dos Sistemas Operacionais Monolítico Implementação de uma Chamada de Sistema Programa de usuário 2 Programa de usuário 1 Chamada ao sistema (kernel) 4 Programas de usuário rodam em modo usuário a chamada é concluída e o controle volta ao programa do usuário TRAP Procedimentos de Serviços Tabela de Escalonamento Rotinas do SO rodam em modo kernel 42

43 Estrutura dos Sistemas Operacionais Em camadas Possui uma hierarquia de níveis; Primeiro sistema em camadas: THE (idealizado por E.W. Dijkstra); Possuía 6 camadas, cada qual com uma função diferente; Sistema em batch simples; Vantagem: isolar as funções do sistema operacional, facilitando manutenção e depuração Desvantagem: cada nova camada implica uma mudança no modo de acesso 43

44 Estrutura dos Sistemas Operacionais Em camadas Camadas definidas no THE Fornecimento de Serviços 44

45 Estrutura dos Sistemas Operacionais Máquina Virtual Idéia em 1960 com a IBM VM/370; Modelo de máquina virtual cria um nível intermediário entre o SO e o Hardware; Esse nível cria diversas máquinas virtuais independentes e isoladas, onde cada máquina oferece um cópia virtual do hardware, incluindo modos de acesso, interrupções, dispositivos de E/S, etc.; Cada máquina virtual pode ter seu próprio SO; 45

46 Estrutura dos Sistemas Operacionais Máquina Virtual Principais conceitos: Monitor da Máquina Virtual (VMM): executa sobre o hardware e implementa multiprogramação fornecendo várias máquinas virtuais é o coração do sistema; CMS (Conversational Monitor System): TimeSharing; Executa chamadas ao Sistema Operacional; Máquinas virtuais são cópias do hardware, incluindo os modos kernel e usuário; Cada máquina pode executar um Sistema Operacional diferente; 46

47 Estrutura dos Sistemas Operacionais Máquina Virtual Cópias virtuais do 370s TimeSharing; Chamadas ao Sistema Instruções de E/S TRAP CMS CMS CMS VM/370 Hardware (VMM) Chamadas ao sistema TRAP 47 Monitor da Máquina Virtual Executa sobre o hardware e implementa multiprogramação Cada máquina pode executar um Sistema Operacional diferente

48 Estrutura dos Sistemas Operacionais Máquina Virtual A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes: Programas JAVA (Máquina Virtual Java-JVM): o compilador Java produz código para a JVM (bytecode). Esse código é executado pelo interpretador Java: Programas Java rodam em qualquer plataforma, independentemente do Sistema Operacional; 48

49 Estrutura dos Sistemas Operacionais Máquina Virtual A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes: Computação em nuvem Virtualização dos servidores simula diferentes ambientes em servidores físicos Vantagens Flexibilidade; Desvantagem: Simular diversas máquinas virtuais não é uma tarefa simples sobrecarga; 49

50 Estrutura dos Sistemas Operacionais Micro-Kernel Modo usuário Modo kernel mensagem Microkernel mensagem 50 Hardware

51 Estrutura dos Sistemas Operacionais Cliente/Servidor Reduzir o Sistema Operacional a um nível mais simples: Kernel: implementa a comunicação entre processos clientes e processos servidores Núcleo mínimo; Maior parte do Sistema Operacional está implementado como processos de usuários (nível mais alto de abstração); Sistemas Operacionais Modernos; 51

52 Estrutura dos Sistemas Operacionais Cliente/Servidor Cada processo servidor trata de uma tarefa Os processos servidores não têm acesso direto ao hardware. Assim, se algum problema ocorrer com algum desses servidores, o hardware não é afetado; O mesmo não se aplica aos serviços que controlam os dispositivos de E/S, pois essa é uma tarefa difícil de ser realizada no modo usuário devido à limitação de endereçamento. Sendo assim, essa tarefa ainda é feita no kernel. 52

53 Estrutura dos Sistemas Operacionais Cliente/Servidor Adaptável para Sistemas Distribuídos 53

54 Estrutura dos Sistemas Operacionais Cliente/Servidor Linux Monolítico +Módulos Windows Microkernel (?) + Camadas + Módulos 54

55 Windows 55

56 Linux 56