Sistemas Operacionais. Prof. M.Sc. Sérgio Teixeira. Aula 04 - Concorrência. Cursos de Computação

Transcrição

1 Cursos de Computação Sistemas Operacionais Prof. M.Sc. Sérgio Teixeira Aula 04 - Concorrência Referência: MACHADO, F.B. ; MAIA, L.P. Arquitetura de Sistemas Operacionais. 4.ed. LTC, 2007.

2 Mono x Multiprogramação E/S E/S 1 UCP livre UCP (a) Sistema Monoprogramável tempo (b) Sistema Multiprogramável tempo

3 Conceitos básicos Concorrência entre os processos é o princípio básico da multiprogramação nos SOs. A concorrência deve permitir que o processo interrompido retorne ao seu estado original após o período de interrupção. O contexto deve ser idêntico para que ele prossiga para a operação seguinte.

4 Concorrência e compartilhamento O que devemos fazer quando todos querem a mesma coisa ao mesmo tempo?

5 Tirar uma fotografia dos registradores Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle Registradores

6 Solução: uma fatia de tempo para cada um RAM HD

7 Compartilhamento Além de compartilhar o processador, outros recursos também são compartilhados em sistemas multitarefa: memória, impressora, disco, etc. Quem ajuda ou permite esse compartilhamento de recursos?

8 Interrupção e Exceção: A essência da Multiprogramação Durante a execução de um programa, eventos inesperados podem ocorrer. Estes eventos são sinalizados por interrupções ou exceções. A interrupção torna possível a implementação da concorrência. É através dela que o S.O. sincroniza a execução de suas rotinas e dos programas dos usuários, além de controlar dispositivos. Sempre ao final da execução de uma instrução, a unidade e controle verifica a ocorrência de alguma interrupção. Neste caso, o programa é interrompido e o fluxo é desviado para uma rotina de tratamento de interrupções.

9 Como funciona a Interrupção e Exceção

10 Interrupção e exceção Para tratar a interrupção, há um vetor com o endereço do início de cada rotina de tratamento. As interrupções podem ocorrem a qualquer momento, inclusive durante o tratamento de outra interrupção. Alguns processadores inibem as demais interrupções durante o tratamento. Outros adotam prioridade no tratamento. Neste caso, o dispositivo controlador de pedidos de interrupções avalia as interrupções e suas prioridades.

11 Interrupção e exceção Uma exceção é semelhante a uma interrupção, sendo a principal diferença o motivo do disparo. A exceção é resultado da execução de uma instrução do programa, como divisão por zero ou overflow. A exceção é gerada em eventos síncronos (são previsíveis e se forem repetidos as entradas de dados e o contexto, volta a acontecer) e as interrupções são assíncronas (podem ocorrer a qualquer momento dependem de entidades externas). As rotinas de tratamento de exceção podem ser escritas pelo próprio programador.

12 Interrupções do Sistema Operacional IRQ Interrupt Request ou Requisição de interrupção: Quando o controlador de interrupções recebe um IRQ de algum dispositivo é gerado um sinal para o processador. O controlador também faz a gerência das prioridades entre as interrupções que leva em consideração interrupções concorrentes. Referências: Fototeca e videoteca do Prof. Sérgio Teixeira

13 DMA (Direct Memory Access) Acesso direto à memória (DMA) Quando um processo vai fazer I/O é possível liberar a CPU. Esse processo é feito por meio do DMA que é capaz de transferir dados da memória direto para o dispositivo sem ocupar o tempo da CPU. A imagem mostra o uso dos canais de DMA no Gerenciador de Dispositivos do Windows. Referências:

14 Operações de E/S Nos primeiros computadores, a comunicação entre o processador e os periféricos era controlada por um conjunto de instruções especiais executada pelo próprio processador. Estas instruções tinham detalhes específicos de cada periférico, como trilha e setor de um disco. O surgimento do controlador permitiu ao processador agir de maneira independente dos dispositivos de E/S

15 Operações de E/S UCP Memória Principal Controlador Dispositivos de E/ S

16 Operações de E/S Abordagens para a transferência de dados: Busy wait o processador se sincroniza com o periférico e fica permanentemente testando o periférico para saber se ele já terminou Polling de tempos em tempos o processador testa se o periférico terminou a operação Por interrupção o controlador interrompe o processador para notificar o fim da operação. DMA para evitar que na transferência de grandes volumes de dados o processador seja interrompido toda vez que o buffer do controlador acabar ou encher, com o DMA (Direct Memory Access) o próprio controlador acessa a memória para buscar ou gravar os dados.

17 Operações de E/S Como o acesso ao barramento é exclusivo, enquanto o controlador estiver acessando a memória, o processo fica impedido de fazê-lo. Usa-se também um processador de E/S para criar um canal de E/S. Este processador executa programas de E/S.

18 Operações de E/S UCP Memória Principal Canal de E/S Controlador Controlador Dispositivos de E/ S Dispositivos de E/ S

19 Buffer memória que ajuda no problema de diferença de velocidade entre os dispositivos Memória Principal UCP gravação Buffer gravação Controlador leitura leitura

20 Spooling A técnica de spooling foi utilizada nos computadores antigos para gravar os programas numa fita, que era executada, e os resultados eram gravados em outra fita, que depois era impressa. Esta mesma técnica é usada hoje por exemplo com impressoras. Um área em disco é utilizada como se fosse um grande buffer. Antes de serem impressos, os dados são gravados em arquivo, conhecido como arquivo de spool, liberando o programa para outras atividades, enquanto o S.O. direciona o conteúdo do arquivo para a impressora.

21 Spooling Sistema Operacional Programa Arquivo de Spool O uso do spooling também desvincula o programa do dispositivo de impressão, impedindo que um programa reserve a impressora de modo exclusivo. Impressora O S.O. gerencia as impressões solicitadas pelos programas, mesmo que sejam ao mesmo tempo.

22 Reentrância É comum em sistemas multitarefa, várias cópias de um mesmo programa (ex. processador de texto, navegador) em memória, seja do mesmo usuário ou de usuários distintos. Diversas cópias do mesmo programa na memória é desperdício. Reentrância é a capacidade de um código ser compartilhado por vários usuários, exigindo que apenas uma cópia esteja em memória. Com a reentrância, cada usuário pode estar em um ponto do código, manipulando dados próprios. Normalmente os utilitários do S.O tem esta capacidade.

23 Reentrância usuário A usuário C usuário B código reentrante área de dados do usuário A usuário D área de dados do usuário B área de dados do usuário C área de dados do usuário D Memória Principal

24 Proteção do sistema A eficiência do ambiente multitarefa resulta em maior complexidade do sistema operacional, já que terá que cuidar de vários problemas de proteção. Como vários programas ocupam a memória simultaneamente, cada um possui uma área reservada onde seu código e dados são armazenados. Se um programa tentar acessar uma posição de memória fora de sua área, um erro de violação de acesso deve ocorrer. Da mesma forma, um programa não deve dominar o uso do processador.

25 Cursos de Computação Sistemas Operacionais Prof. M.Sc. Sérgio Teixeira Aula 04 - Concorrência Obrigado e bons estudos!