1.2 Tipos de Sistemas Operacionais

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1 1.2 Tipos de Operacionais Tipos de Operacionais Monoprogramáveis/ Monotarefa Multiprogramáveis/ Multitarefa Com Múltiplos Processadores Monoprogramáveis/Monotarefa Os primeiros sistemas operacionais eram voltados tipicamente para a execução de um único programa. Qualquer outra aplicação, para ser executada, deveria aguardar o término do programa corrente. Neste tipo de sistema, o processador, a memória e os periféricos permanecem exclusivamente dedicados à execução de um único programa. Os sistemas monoprogramáveis estão diretamente ligados ao surgimento, na década de 50/60, dos primeiros computadores. Embora os sistemas operacionais já tivessem evoluído com as tecnologias de multitarefa e multiprogramação, os sistemas monoprogramáveis voltaram a ser utilizados na plataforma de microcomputadores pessoais e estações de trabalho devido à baixa capacidade de armazenamento destas máquinas, na época. Era muito clara a desvantagem deste tipo de sistema, no que diz respeito à limitação de tarefas (uma de cada vez), o que provocava um grande desperdício de recursos de hardware. CPU Memória Principal Dispositivos E/S Programa/Tarefa Sistema Monoprogramável/Monotarefa

2 Comparados a outros sistemas, os sistemas monoprogramáveis são de simples implementação, não existindo muita preocupação com problemas decorrentes do compartilhamento de recursos como memória, processador e dispositivos de E/S Multiprogramáveis/Multitarefa Constituindo-se uma evolução dos sistemas monoprogramáveis, neste tipo de sistema os recursos computacionais são compartilhados entre os diversos usuários e aplicações: enquanto um programa espera por um evento, outros programas podem estar processando neste mesmo intervalo de tempo. Neste caso, podemos observar o compartilhamento da memória e do processador. O sistema operacional se incumbe de gerenciar o acesso concorrente aos seus diversos recursos, como processador, memória e periféricos, de forma ordenada e protegida, entre os diversos programas. As vantagens do uso deste tipo de sistema são a redução do tempo de resposta das aplicações, além dos custos reduzidos devido ao compartilhamento dos recursos do sistema entre as diferentes aplicações. Apesar de mais eficientes que os monoprogramáveis, os sistemas multiprogramáveis são de implementação muito mais complexa. CPU Programa/Tarefa Programa/Tarefa Programa/Tarefa Memória Principal Dispositivos E/S Sistema Multiprogramável/Multitarefa Programa/Tarefa

3 Os sistemas multiprogramáveis/multitarefa podem ser classificados de acordo com a forma com que suas aplicações são gerenciadas, podendo ser divididos em sistemas batch, de tempo compartilhado e de tempo real, de acordo com a figura abaixo. Multiprogramáveis/ Multitarefa BATCH de Tempo Compartilhado de Tempo Real BATCH (Lote) Foram os primeiros sistemas multiprogramáveis a serem implementados na década de 60. Nesta modalidade, os programas eram submetidos para execução através de cartões perfurados e armazenados em disco ou fita, para posterior execução. Vem daí o nome batch (lote de cartões). O processamento em batch tem como característica não exigir interação do usuário com o sistema ou com a aplicação. Todas as entradas ou saídas são implementadas por meio de algum tipo de memória secundária, geralmente disco ou fita. Aplicações deste tipo eram utilizadas em cálculo numérico, compilações, backups, etc. Estes sistemas, se bem projetados, podem ser bastantes eficientes devido à melhor utilização do processador, mas podem oferecer tempos de resposta bastante longos. Atualmente, os sistemas operacionais simulam este tipo de processamento, não havendo sistemas dedicados a este tipo de execução de Tempo Compartilhado Também chamados sistemas de time-sharing, permitem que diversos programas sejam executados a partir da divisão de tempo do processador em pequenos intervalos, denominados fatia de tempo (ou time-slice). Caso a fatia de tempo não seja suficiente para a conclusão do programa, este é interrompido pelo sistema operacional e substituído no processador por outro, enquanto aguarda nova fatia de tempo. Neste tipo de processamento, cada usuário tem a impressão de que a máquina está dedicada ao seu programa, como se ele fosse o único usuário a se utilizar do sistema. Geralmente permitem interação do usuário com a aplicação através de terminais compostos por monitor, teclado e mouse. Estes sistemas possuem uma linguagem de controle que permite ao usuário interagir com o sistema operacional através de comandos. Assim, é possível verificar arquivos armazenados em disco ou cancelar execução de programas. Normalmente, o

4 sistema responde em apenas alguns segundos à maioria destes comandos, o que se levou a chamá-los também de sistemas on-line. A maioria das aplicações comerciais atualmente é processada em ambiente de tempo compartilhado, que oferece tempos baixos de respostas a seus usuários e menores custos, em função do alto grau de compartilhamento dos diversos recursos do sistema de Tempo Real Este tipo de sistema é implementado de forma bastante semelhante ao de tempo compartilhado. O que caracteriza a diferença entre eles é o tempo exigido no processamento das aplicações. Enquanto nos sistemas de tempo compartilhado o tempo de processamento pode variar sem comprometer as aplicações em execução, nos sistemas de tempo real os tempos de execução devem estar dentro de limites rígidos, que devem ser obedecidos, caso contrário poderão ocorrer problemas irreparáveis. No sistema de tempo real não existe a idéia de fatia de tempo como nos sistemas de tempo compartilhado. Um programa ocupa o processador o tempo que for necessário ou até que apareça um outro com um nível de prioridade maior. Esta prioridade de execução é definida pela própria aplicação e não pelo sistema operacional, como nos sistemas de tempo compartilhado. Estes sistemas são utilizados em aplicações de controle de processos, como monitoramento de refinarias de petróleo, controle de tráfego aéreo, de usinas, ou em qualquer aplicação onde o tempo de processamento é fator fundamental com Múltiplos Processadores Os sistemas com múltiplos processadores caracterizam-se por possuir duas ou mais CPUs interligadas e trabalhando em conjunto. A vantagem deste tipo de sistema é permitir que vários programas sejam executados ao mesmo tempo ou que um mesmo programa seja subdividido em várias partes para serem executadas simultaneamente em mais de um processador. Esta técnica permitiu a criação de sistemas computacionais voltados para processamento científico, prospecção de petróleo, simulações, processamento de imagens e CAD. Um fator chave no desenvolvimento dos sistemas multiprocessados é a forma de comunicação entre as CPUs e o grau de compartilhamento da memória e dos dispositivos de E/S. Em função destes fatores, podemos classificar os sistemas multiprocessados de acordo com a figura a seguir:

5 com Múltiplos Processador es Fortement e Acoplados Fracament e Acoplados Simétrico s Assimétrico s Rede s Distribuído s Tipos de com Múltiplos Processadores Na figura podemos perceber a divisão dos sistemas multiprocessados em duas categorias iniciais: sistemas fortemente acoplados e fracamente acoplados. A grande diferença entre estas duas categorias é que nos sistemas fortemente acoplados existe apenas uma memória a ser compartilhada pelos processadores do conjunto, enquanto que nos fracamente acoplados cada sistema tem sua própria memória individual. A taxa de transferência entre processadores e memória em sistemas fortemente acoplados é muito maior que nos fracamente acoplados. Nos sistemas fortemente acoplados a memória principal e os dispositivos de E/S são gerenciados por um único sistema operacional. Quando todos os processadores na arquitetura são iguais, diz-se que o sistema é simétrico. No entanto, quando os processadores são diferentes, dá-se à arquitetura a denominação assimétrica. Nos sistemas fracamente acoplados, como os processadores estão em arquiteturas diferentes, somente interligados por cabos de interconexão, cada CPU constitui uma máquina independente, com memória própria, dispositivos de E/S e sistemas operacionais independentes. Nesta subdivisão, temos como exemplo as redes e os sistemas distribuídos. No ambiente de rede, existem dois ou mais sistemas independentes (hosts), interligados, que oferecem algum tipo de serviço aos demais,

6 permitindo que um host compartilhe seus recursos, como impressora e diretórios, com os outros hosts da rede. Enquanto nos sistemas em rede os usuários têm conhecimento dos hosts e seus serviços, nos sistemas distribuídos o sistema operacional esconde os detalhes dos hosts individuais e passa a tratá-los como um conjunto único, como se fosse um sistema só, fortemente acoplado. Os sistemas distribuídos permitem, por exemplo, que uma aplicação seja dividida em partes e que cada parte seja executada por hosts diferentes na rede. Para os usuários e suas aplicações é como se não existisse a rede, mas um único sistema centralizado. Outros exemplos de sistemas distribuídos são os clusters. Em um cluster podem existir dois ou mais servidores ligados por algum tipo de conexão de alto desempenho, e o usuário não conhece os nomes dos membros do cluster e nem quantos são. Quando é necessário algum serviço, basta solicitar ao cluster para obtê-lo, sem se preocupar com quem vai dispor e oferecer tal serviço. Clusters são muito utilizados em servidores de bancos de dados e Web.

7 2 SISTEMAS MULTIPROGRAMÁVEIS Um Sistema Operacional pode ser visto como um conjunto de rotinas executadas de forma concorrente e ordenada. A possibilidade de um processador executar instruções em paralelo com operações de entrada e saída permite que diversas tarefas sejam executadas concorrentemente. É este conceito de concorrência o princípio fundamental para o projeto e implementação de sistemas multiprogramáveis. Os sistemas multiprogramáveis surgiram a partir das limitações dos sistemas monoprogramáveis onde os recursos computacionais como processador, memória e dispositivos de E/S eram utilizados de maneira muito pouco eficiente, limitando seu desempenho, com muitos destes recursos permanecendo ociosos por longos períodos de tempo. Nos sistemas monoprogramáveis somente um programa pode estar em execução de cada vez, permanecendo o processador dedicado exclusivamente a uma tarefa, ficando ocioso enquanto uma operação de leitura em disco é realizada. O tempo de espera é relativamente longo, já que as operações de E/S são muito lentas se comparadas à velocidade de operação do processador. Outro aspecto a ser considerado é a subutilização da memória principal, onde um programa nem sempre ocupa todo o espaço disponível, ficando o restante sem utilização. Nos sistemas multiprogramáveis, vários programas podem ser alocados na memória, concorrendo pelo uso do processador. Dessa forma, quando um programa solicita uma operação de E/S, outros programas poderão utilizar o processador, deixando a CPU menos ociosa e tornando o uso da memória mais eficiente, pois existem vários programas residentes e se revezando na utilização do processador. A utilização concorrente da CPU deve ser feita de maneira que, quando um programa perde o uso do processador e depois retorna para continuar sua execução, seu estado deve ser idêntico ao do momento em que foi interrompido. O programa deverá continuar sua execução exatamente na instrução seguinte àquela onde havia parado, aparentando ao usuário que nada aconteceu. Em sistemas de tempo compartilhado existe a impressão de que o computador está inteiramente dedicado ao usuário, ficando esse mecanismo totalmente transparente. Quanto ao uso dos periféricos, é comum nos sistemas monoprogramáveis termos, por exemplo, impressoras paradas por um grande período de tempo e discos com acesso restrito a um único usuário. Esses problemas são minimizados nos sistemas multiprogramáveis, onde é possível compartilhar os dispositivos de E/S, como impressoras e discos, entre diversos usuários e aplicativos.

8 2.1 Interrupções e Exceções Durante a execução de um programa, alguns eventos inesperados podem ocorrer, ocasionando um desvio forçado no seu fluxo normal de execução. Esses eventos são conhecidos como interrupção ou exceção, e podem ser resultado de sinalizações de algum dispositivo de hardware externo ao ambiente memória/processador. A diferença entre interrupção e exceção é dada pelo tipo de evento ocorrido, embora alguns autores e fabricantes não façam tal distinção. A interrupção é o mecanismo que permitiu a implementação da concorrência nos computadores, sendo o fundamento básico dos sistemas multiprogramáveis/multitarefa. Uma interrupção é sempre gerada por um evento externo ao programa e, sendo assim, independe da instrução que está sendo executada. Um exemplo de interrupção é quando um dispositivo avisa ao processador que alguma operação de E/S está completa. Neste caso, o processador deve interromper o programa para tratar o término da operação. Ao término de cada instrução a Unidade de Controle (situada dentro do processador) verifica a ocorrência de algum tipo de interrupção. Desta forma, o programa em execução é interrompido e seu controle é desviado para uma rotina do sistema responsável por tratar o evento ocorrido, denominada rotina de tratamento de interrupção. Para que o programa interrompido possa retornar posteriormente à sua execução é necessário que, no momento da interrupção, um certo conjunto de informações sobre sua execução seja preservado. Essas informações consistem basicamente no conteúdo dos registradores internos da CPU, que deverão ser restaurados para a continuação do programa. Programa Salva Contexto Interrupção ou Exceção Identifica a origem do evento Trata a Interrupção Restaura Contexto Rotina de Tratamento Mecanismo de interrupção/exceção

9 Para cada tipo de interrupção existe uma rotina de tratamento associada, para onde o fluxo do programa é desviado. A identificação do tipo de evento ocorrido é fundamental para determinar o endereço da rotina adequada ao tratamento da interrupção. As interrupções podem ser geradas: - Pelo programa do usuário (entrada de dados pela console ou teclado) - Pelo hardware (operações de E/S) - Pelo sistema operacional (ao término da fatia de tempo do processador destinada ao programa) As interrupções sempre são tratadas pelo Sistema Operacional. A exceção é um evento semelhante à interrupção, pois também de fato interrompe um programa. A principal diferença é que a exceção é o resultado da execução de uma instrução dentro do próprio programa, como a divisão por zero ou a ocorrência de um overflow (estouro de capacidade de um campo) numa operação aritmética. Na maioria das vezes, a exceção provoca um erro fatal no sistema, causando o término anormal do programa. Isto se deve ao fato de que a exceção é melhor tratada dentro do próprio programa, com instruções escritas pelo programador. 3.2 Estados do processo Num sistema multiprogramável, um processo não deve alocar a CPU com exclusividade, de forma que possa existir um compartilhamento no uso do processador. Os processos passam por diferentes estados ao longo do processamento, em função de eventos gerados pelo sistema operacional, pelo hardware, ou pelo próprio programa. São estados possíveis de um processo: - Criação: neste estado o processo está sendo alocado na memória, sendo criado no sistema. Todos os recursos necessários à execução do processo são reservados durante a passagem do processo por este estado, o que acontece uma única vez. Vários processos podem estar neste estado, ao mesmo tempo.

10 - Pronto: é o estado onde os processos, depois de criados ou quando retornam do tratamento de uma interrupção, permanecem aguardando a liberação da CPU para que possam iniciar ou continuar seu processamento. É como se fosse uma fila, gerenciada pelo sistema operacional, que se incumbe de organizar os processos de acordo com as informações contidas no contexto de software (identificação, quotas e privilégios). Vários processos podem estar neste estado, ao mesmo tempo. - Execução: é onde o processo efetivamente utiliza a CPU. Ele permanece no processador até que seja interrompido ou termine sua execução. Neste estado, somente um processo pode permanecer de cada vez, já que existe apenas um processador. - Espera: neste estado estão todos os processos que sofreram algum tipo de interrupção de E/S, onde permanecem até que a intervenção seja resolvida. Vários processos podem estar neste estado, ao mesmo tempo. - Saída: é o estado final do processo, quando este termina seu processamento. Vários processos podem estar neste estado, ao mesmo tempo. 3.3 Mudanças de estado do processo Um processo muda de estado diversas vezes durante sua permanência no sistema, devido aos eventos ocorridos durante sua execução. São mudanças possíveis: - Criação à Pronto: o processo foi criado, tem seus recursos alocados, e está apto a disputar o uso da CPU. - Pronto à Execução: o processo é o primeiro da fila de pronto e a CPU fica disponível. Neste momento o processo passa a ocupar a CPU, permanecendo em execução até que seja interrompido ou termine sua execução. - Execução à Pronto: o processo foi interrompido por fatia de tempo ou por prioridade. Ainda precisa de mais tempo na CPU para terminar sua execução, não tem nenhuma intervenção pendente, por isso volta à fila de pronto para disputar novamente o uso da CPU. - Execução à Espera: esta transição acontece quando o processo foi interrompido por E/S. Significa que deve permanecer no estado de espera até que a interrupção seja tratada pelo

11 sistema. Neste estado o processo fica impedido de disputar o uso da CPU. - Espera à Pronto: Após o término do tratamento da interrupção, o processo volta à fila de pronto para disputar novamente o uso da CPU. - Execução à Saída: o processo terminou, e não mais disputará o uso da CPU. A seguir, a figura mostra as mudanças possíveis de estado de um processo. Criação Pronto Execução Saída Mudanças de estado de um processo Espera