Sistemas Operacionais 2014 Introdução. Alexandre Augusto Giron

Transcrição

1 Sistemas Operacionais 2014 Introdução Alexandre Augusto Giron

2 Roteiro Sistemas Operacionais Histórico Estrutura de SO Principais Funções do SO Interrupções Chamadas de Sistema Resumo

3 Sistemas Operacionais Definição [1]: Um programa que age como intermediário entre o usuário de um computador e o hardware Um SO tem por objetivo fornecer uma utilização eficiente de recursos Arquivos, dispositivos de E/S, CPU...

4 Sistemas Operacionais

5 Sistemas Operacionais [1]

6 Sistemas Operacionais - Motivação SO como máquina estendida SO como um gerenciador de recursos do sistema Extensão das capacidades da máquina Múltiplos usuários, memória virtual... Abstração de recursos Acessar recursos de hardware pode ser complexo

7 Abstração de recursos: exemplo abertura em disquete 1. Verificar se os parâmetros informados estão corretos (nome do arquivo, identificador do leitor de disquete, buffer de leitura, etc); 2. Verificar se o leitor de disquete está disponível 3. Verificar se o leitor contem um disquete 4. Ligar o motor e aguardar a velocidade de rotação correta 5. Posicionar a cabeça de leitura sobre a trilha onde está a tabela de diretório

8 Abstração de recursos: exemplo 6. Ler a tabela de diretório e localizar endereço do arquivo ou subdiretório desejado; 7. Mover a cabeça de leitura para a posição do bloco inicial do arquivo; 8. Ler o bloco do arquivo e depositá-lo em um buffer de memória.

9 Abstração de recursos: exemplo 6. Ler a tabela de diretório e localizar endereço do arquivo ou subdiretório desejado; Transparente ao 7. Mover a cabeça usuário! de leitura para a posição do bloco inicial do arquivo; 8. Ler o bloco do arquivo e depositá-lo em um buffer de memória.

10 Histórico : Sistemas em Lote (Batch) : Multiprogramação 1980+: Computadores pessoais Multitarefas Multi-usuário Multiprocessador Embarcados

11 Sistemas em Lote SO bem simples: passar o controle de um programa (job) para o próximo Normalmente se utilizavam cartões perfurados Mainframes

12 Multiprogramação Considere o exemplo: SO mantém vários jobs na memória

13 Multiprogramação

14 Multiprogramação SO escolhe um job para executar e inicia a execução Em um dado momento, o job pode esperar por uma operação de E/S, por exemplo Em um sistema sem multiprogramação, a CPU fica ociosa

15 Multiprogramação Com a multiprogramação, um novo job é escolhido e passa a executar Quando o primeiro job termina a espera, ele receberá a CPU de volta Dessa forma, a multiprogramação aumenta a utilização de CPU Como é feita a escolha pelo próximo job? Algoritmos de escalonamento

16 Multitarefa (ou tempo compartilhado) Extensão lógica da multiprogramação CPU executa vários jobs de forma alternada (realizando trocas entre eles) As trocas ocorrem com muita frequência, permitindo e fazendo surgir o conceito de computação interativa Usuários podem interagir com cada programa durante a execução

17 Multitarefa Tempo de resposta deve ser curto menor que 1 ms Um sistema multitarefa permite muitos usuários compartilharem o mesmo computador Conceito de Preempção: o processo não controla quando o controle do CPU será dado a outro processo

18 Computadores Pessoais Novo conceito: conveniência e tempo de resposta ao usuário sobre eficiência (maximização do uso de CPU...) Primeiros SOs para PCs não eram multiusuário nem multitarefa Paradigmas de virtualização, multiprocessamento foram moldando os SOs atuais

19 Sistemas Multiprocessados (Sistemas Paralelos) 2 ou mais processadores Aumento de troughput (vazão) Confiabilidade falha em um processador apenas atrasa o sistema Maioria dos sistemas utiliza SMP (Symmetric Multiprocessing) Cada processador realiza as tarefas do sistema operacional

20 Sistemas Distribuídos Coleção de sistemas computacionais fisicamente separados que se comunicam em rede para compartilhar recursos é percebida pelos usuários como um único computador Alguns SOs fornecem mecanismos trocas de mensagem entre diferentes computadores Compartilhamento de arquivos pela rede

21 Sistemas Distribuídos

22 Sistemas de Tempo real Tipo de sistema operacional com propósito especial Usado quando existem requisitos de tempo na operação de um processador Esse requisito pode ser de dois tipos: Soft Real Time: utilizado quando o tempo de resposta não é crítico para o funcionamento do sistema Hard Real Time: prazos devem ser atendidos!

23 Máquinas Virtuais Máquina virtual: camada lógica do hardware Tecnologia permite SOs executarem como aplicações junto de outro SO Podem executar de forma concorrente

24 VMWare Workstation

25 Funções do SO 1. Gerência de Processos Alocar recursos aos processos requerentes Criar e excluir processos Suspender e retomar Mecanismos de sincronização de processos Mecanismos de comunicação entre processos Mecanismos para tratamento de deadlocks

26 Funções do SO 2. Gerência de Memória principal Alocar e desalocar espaço na memória Decidir quais processos devem ser carregados na memória Registrar quais partes de memória estão sendo utilizadas

27 Funções do SO 3. Sistema de Arquivos Criar e excluir arquivos ou diretórios Mecanismos para manipular arquivos Mapear arquivos no armazenamento secundário (ex: disco rígido)

28 Funções do SO 4. Sistema de E/S e periféricos Fornecer uma interface de driver de dispositivo Drivers para dispositivos específicos Um mecanismo de gerência de memória que inclua buffering, caching e spooling

29 Funções do SO 5. Gerência de Armazenamento Secundário Controle de espaço livre em disco Alocação de espaço de armazenamento Escalonamento de disco

30 Estrutura de SO Um SO fornece vários serviços Estrutura deve apoiar os requisitos de usuário e de sistema

31 Serviços comuns de um SO Execução de programa Operações de E/S Manipulação do sistema de arquivos Comunicação Detecção de Erros Alocação de recursos Contabilização Proteção

32 Serviços comuns de um SO

33 Estrutura simples: MS-DOS Pouca separação entre níveis

34 Núcleo Monolítico UNIX tradicional Aplicações do Usuário + Núcleo (kernel) do SO

35 Microkernel Núcleo com serviços mínimos Demais serviços são disponibilizados através de servidores Vantagens Facilidade para estender Maior confiabilidade e segurança Desvantagens Desempenho

36 Arquitetura típica Microkernel

37 Arquitetura típica Microkernel

38 Módulos Módulos carregáveis para o kernel Similaridade com Microkernel Núcleo pequeno Maior eficiência: módulos não precisam invocar a passagem de mensagens para se comunicar Carga dinâmica Maior flexibilidade

39 Módulos

40 Estrutura de SO em camadas Cada camada oferece serviços às camadas superiores

41 Estrutura de SO em camadas Vantagens Maior simplicidade Facilidade maior na identificação de erros Camada superior não necessita saber como as operações das camadas inferiores são implementadas Desvantagens Definição deve ser cuidadosa Overhead adicional em cada camada

42 Estrutura de SO Mas e na prática?? Atualmente..? Linux? Windows? Mac OS X? Android? ios? Na prática, poucos SOs possuem arquitetura estritamente definida e fixa Arquitetura Híbrida: diferentes estruturas combinadas Escolha de requisitos (desempenho, segurança, usabilidade...)

43 Android

44 Interrupções Ocorrência de evento sinalizada tanto por uma interrupção de software quanto de hardware Exemplos: conclusão de uma operação de E/S, divisão por zero,... CPU pausa a sua execução Transfere a execução para uma posição fixa (contém o endereço inicial da rotina de tratamento da interrupção Rotina de tratamento é executada CPU retoma a execução do processo interrompido

45 Interrupções Sequência de interrupções sobre um processo

46 Interrupções Normalmente cada projeto de computador tem o seu mecanismo de interrupções Pode ser implementado por meio de uma tabela de endereços Guarda endereços das rotinas de tratamento de interrupções para os vários dispositivos Windows e UNIX utilizam esse mecanismo [1]

47 Interrupções Se a rotina de interrupção necessita modificar o estado do processador (registradores), o estado do processo interrompido deve ser salvo Para o processo voltar à execução, o estado deve ser restaurado Endereço carregado ao PC (Program Counter) Como o Hardware sinaliza interrupção? Como o Software sinaliza interrupção? Chamadas de sistema!

48 Chamadas de Sistema (System Calls) Operação especial do sistema Fornece uma interface aos serviços do SO Geralmente escritas em C, C++ User mode x Kernel Mode Necessário acesso a instruções privilegiadas, aos periféricos e a área de dados específicas

49 Chamadas de Sistema (System Calls)

50 Chamadas de Sistema (System Calls) Normalmente são acessadas via API (Application Programming Interface) Tipos (Categorias): Controle de processo Manipulação de Arquivos Manipulação de Dispositivos Manutenção de Informações Comunicação Proteção

51 Chamadas de Sistema (System Calls)

52 Chamadas de Sistema (System Calls) - Exemplo

53 Parâmetros nas Chamadas de Sistema Podem ser por tabela, Pilha ou registradores Tabela: parâmetros armazenados na memória e o endereço é passado como parâmetro em um registrador

54 Parâmetros nas Chamadas de Sistema Linux e Solaris adotam esse método

55 RESUMO Um SO tem por objetivo fornecer uma utilização eficiente de recursos Acessar recursos de hardware pode ser complexo: SO fornece mecanismos para interface com o hardware Conceito de multiprogramação aumenta a utilização de CPU Multitarefa (ou tempo compartilhado) CPU executa vários jobs de forma alternada Interatividade

56 RESUMO Funções do SO Gerência de Processos, de Memória, Sistema de Arquivos, Gerência de E/S e de Armazenamento Secundário SO organizado em estruturas: Núclo monolítico, microkernel, módulos, arquitetura em camadas Interrupções são eventos sinalizados por software ou hardware Chamadas de Sistema oferecem uma interface aos serviços do SO

57 Para casa Leitura dos capítulos 1,2,3 (Livro do Silbershatz [1]) Lista de Exercício 1 (Introdução)

58 Bibliografia 1. SILBERSHATZ, A. et al. Operating systems Concepts. John Wiley & Sons, New York, 5ª edição STALLINGS, W. Operating system concepts. Prentice Hall, New Jersey, 3ª edição, TANENBAUM, A. et al. Operating systems: design and implementation. Prentice Hall, New Jersey, TANENBAUM, A. et. al. Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 1992.