Capítulo 6 Nível do Sistema Operacional

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1 Capítulo 6 Nível do Sistema Operacional - Sistema Operacional: Programa que, do ponto de vista do programador, adiciona uma grande quantidade de instruções e funcionalidades bem além das disponibilizadas pelo nível ISA. - Geralmente implementado em software. - Conjunto completo de instruções disponíveis aos programadores => ISA + novas instruções. - Novas instruções => Chamadas do sistema => Sempre interpretado 6.1 Memória Virtual - Técnica implementada em diversos SO que faz com que a máquina aparentemente possua mais memória do que ela realmente possui. - Programas grandes x memória pequena => Divisão do programa em blocos, armazenados em memória secundária, chamados overlays. => Responsabilidade do programador em gerenciar a execução dos blocos. - Método para executar o processo de overlay automaticamente, sem a percepção do programador => memória virtual Páginas - Separação do conceito de espaço de endereçamento e posições de memória. - Mapeamento do espaço de endereçamento nas posições de memória real. 123

2 - Máquina de 4K sem memória virtual => mapeamento fixo entre os endereços de 0 a 4095 e as 4096 palavras de memória. - Máquina com memória virtual que faça um salto para algum endereço entre 8192 e 12287: - O conteúdo da memória principal é salvo no disco; - As palavras de 8192 a são localizadas no disco; - As palavras de 8192 a são carregadas na memória principal; - O mapeamento de endereço é alterado para mapear os endereços de 8192 a nas posições de memória de 0 a 4095; - A execução do programa continuaria como se nada tivesse acontecido. - Página: parte do programa lido do disco. - Espaço de endereço virtual: endereços que o programa pode referenciar. - Espaço de endereço físico (ou real): posições de memória real do hardware. - Mapa de memória ou tabela de páginas: relacionamento entre os endereços virtuais e físicos. - Programas são escritos como se houvesse memória principal suficiente para todo o espaço de endereçamento virtual => programador não precisa saber que existe memória virtual => computador com uma grande memória principal. - Memória virtual: Ilusão de uma grande e contínua memória principal. - Mecanismo de páginas => transparente Implementação do paginamento - Essencial: Disco que mantenha todo o programa e todos os dados. - Espaço de endereço virtual: quebrado em um número de páginas de mesmo tamanho (geralmente páginas de 512 a 64K bytes) => tamanho da página é sempre uma potência de

3 - Endereço físico => quebrado de maneira similar, com tamanho igual ao das páginas. Pedaços da memória principal que armazenam as páginas => Quadros de página. - Todo computador com memória virtual possui um dispositivo para fazer o mapeamento entre memória real/memória virtual. => MMU (memory Management Unit) => presente no CI da CPU ou em um CI próximo a CPU. 125

4 - Exemplo: Máquina com endereço virtual de 32 bits (4G), endereço real de 15 bits (32K) e páginas de 12 bits(4k). - Quando a MMU recebe um endereço virtual de 32 bits ela o separa em um número da página virtual de 20 bits mais 12 bits de offset dentro da página => o número da página é utilizado como índice da tabela de páginas para determinar a página referenciada. - Com o valor da página referenciada a MMU verifica se ela está atualmente na memória => verificando o bit de presente/ausente. - Estando a página na memória a MMU retira o valor do quadro de página e o copia nos 3 bits superiores do registrador de saída de 15 bits enquanto que os 12 bits de offset são copiados nos 12 bits inferiores do registrador de saída. 126

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7 6.1.3 Demanda por paginamento e Modelo de Conjunto de Trabalho - Quando a página não está presente na memória principal: Falha de página. - Falha de página: O sistema operacional deve ler a página do disco, colocar a nova posição de memória física na tabela de páginas e repetir a instrução que causou a falha. - Demanda de paginamento: a medida que o programa necessita acessar uma nova página ela é trazida da memória secundária e carregada na memória principal. As páginas não são carregadas antes de serem necessárias. - A maioria dos programas referenciam endereços com certa uniformidade => referências próximas em um pequeno número de páginas. A cada instante de tempo existe um conjunto constituído de todas as páginas utilizadas pelas k mais recentes referências de memória => Conjunto de Trabalho Política de substituição de páginas - Para carregar uma nova página da memória secundária para a memória principal é necessário, antes, abrir espaço para esta nova página => página anterior deve ser enviada de volta para o disco. - A maioria dos SOs tendem a selecionar a página que não será necessária por um longo tempo. - Algoritmo LRU (Least Recently Used): Seleciona a página menos utilizada recentemente. - Algoritmo FIFO (First-In First-Out): Remove a página mais remotamente carregada, independentemente de quando esta página foi referenciada. - Conjunto de trabalho for maior do que o número de quadros de páginas => Nenhum algoritmo apresentará bons resultados. - Programa que gera falhas de páginas freqüentemente e continuamente => Thrashing. Característica indesejável. - Página a ser retirada não foi modificada desde o instante que ela foi carregada => Sem necessidade de escrevê-la de volta no disco. - Maioria dos computadores possui um bit a mais na MMU por página => setado com 0 quando a página é carregada e setado com 1 pelo microprograma ou hardware quando ela é alterada => Indicativo para o SO se existe ou não a necessidade de rescrevê-la no disco Tamanho da página e Fragmentação - Programa e dados do usuário acidentalmente cabem exatamente em um número inteiro de páginas => sem desperdício de espaço da memória. - Bytes desnecessários em uma página => Fragmentação interna. 129

8 - Páginas menores: - Muitas páginas => grande tabela de páginas - Desperdício da largura de faixa do disco => grandes transferências de dados são mais eficientes do que pequenas. - Se o conjunto de trabalho constituir de um grande número de pequenas regiões separadas no espaço de endereçamento virtual => menor thrashing com páginas menores Segmentação - Memória virtual: unidimensional => endereço virtual indo de 0 até um endereço máximo qualquer, um endereço após o outro. - Alguns problemas são mais eficientemente solucionados se tivermos dois ou mais espaços de endereçamento virtual separados => Tabelas construídas durante o processo de compilação: - Tabela de símbolos; - Texto sendo salvo para uma impressão posterior - Tabela contendo todos as constantes inteiras e de ponto flutuante utilizadas - Árvore de chamadas: contendo a análise sintática do programa - Pilha utilizada para chamadas de procedimentos do compilador. - Segmentos: Espaços de memória completamente independentes. - Cada segmento é composto por uma seqüência linear de endereços, de 0 a algum valor máximo. 130

9 - O tamanho pode ser qualquer um. De 0 ao valor máximo. - Segmentos diferentes podem ter tamanhos diferentes. - O tamanho de um segmento pode ser alterado durante a execução => sem afetar outros segmentos. - É uma entidade lógica => responsabilidade de uso do programador - Para acessar um endereço o programa deve fornecer: - Número do segmento - Endereço dentro do segmento - Segmentos diferentes podem ter proteções diferentes - Outras vantagens de segmentação: - Facilidade na linkagem de processos - Facilita a troca de dados entre procedimentos Implementação de Segmentação - Segmentação implementada de duas formas: 1- Swap: Alguns conjuntos de segmentos estão na memória em um dado instante. Se uma referencia for feita a um segmento que não está na memória, o segmento é trazido. Se não houver espaço para ele um ou mais segmentos devem ser escritos no disco. - Fragmentação externa (checkerboarding): Surgimento de espaço não necessário, externo ao segmento. - Compactação: A cada aparecimento de um buraco os segmentos são movidos de forma a ficarem o mais próximo possível da posição 0 de memória. - Algoritmo Best fit: escolha do menor buraco no qual pode ser colocado um determinado segmento necessário. - Algoritmo First Fit: Faz uma busca circular na lista de buracos e escolha o primeiro buraco grande o suficiente para conter o novo segmento. 131

10 2- Paginamento: Segmentos não possuem tamanho fixo. Páginas sim. - Segmentos divididos em páginas de tamanho fixo e utilizado um esquema de paginamento por demanda. - Necessária uma tabela de páginas separada para cada segmento. 6.2 Instruções virtuais de I/O - Conjunto de instruções do SO: Contém a maioria das instruções ISA acrescidas de mais algumas e removidas algumas instruções potencialmente perigosas. - Principais diferenças nas instruções de I/O: - Segurança dos dados. - Dificuldade de programação Arquivos - Arquivo: Abstração de uma forma de organização de um I/O virtual => consiste de uma seqüência de bytes escritos em um dispositivo de I/O. - Arquivos diferentes possuem diferentes tamanhos e outras propriedades. - I/O de arquivo: feito por chamadas de sistemas para abrir, ler, escrever e fechar arquivos. - Antes de ler um arquivo => Abertura do arquivo: permite que o SO localize o arquivo e o leve para a memória. - indicação de qual arquivo aberto deve ser lido; 132

11 - ponteiro para um buffer na memória no qual os dados serão colocados; - quantidade de bytes a serem lidos Implementação de Instruções virtuais de I/O - Alocação de armazenamento: Uma unidade de alocação pode ser um único setor do disco ou um bloco de setores consecutivos. - Arquivo armazenado em unidades de alocação consecutivas ou não. - Localização de byte ou de um registro lógico qualquer: - Unidades de alocação consecutivas: Basta saber a posição do início do arquivo para calcular a posição do dado requisitado. - Unidades de alocação não consecutivas: Utilização de uma tabela chamada Índice de arquivo => fornece a relação entre unidade de alocação e o endereço real no disco. - Organizada como uma lista de endereços de blocos do disco - Organizada como uma lista de registros lógicos fornecendo um endereço do disco e um offset para cada um.. - Arquivo organizado como uma lista encadeada. Cada unidade de alocação possui o endereço de seu sucessor Instruções de manutenção de Diretório 133

12 - Informação on-line: Pode ser acessada diretamente pelo computador, sem a intervenção do ser humano. - Informação off-line: Requer a intervenção do ser humano. - Chamadas do sistema para manutenção de informações on-line: - Criação de um arquivo e armazenamento em um diretório - Remoção de um arquivo de um diretório - Renomeação de um arquivo - Alteração do estado de proteção de um arquivo - Cada diretório é, na realidade, um arquivo. 134

13 6.3 Instruções virtuais para processamento paralelo Criação de processos - Programa => Executado como parte de um processo - Caracterizado pelo estado e espaço de endereçamento no qual o programa e os dados podem ser acessados. - Estado: Program counter, palavra de estado da CPU, stack pointer e registradores. - Processos criados e terminados dinamicamente => chamada do sistema para criação de um novo processo Race conditions - Necessidade de comunicação e sincronização entre processos. 135

14 - Condição de corrida: O sucesso do método depende de quem ganha a corrida do teste entre in e out após out ser incrementado Sincronização usando semáforos - Solução da condição de corrida: - Utilização de um bit para armazenar o sinal de wakeup supérfluo => não funciona na comunicação de n processos. - Utilização de semáforos => fornece um contador que armazena os sinais de wakeup para uso futuro. Sem perdas. - Quando um processo executa uma instrução em um semáforo nenhum outro processo pode acessar o semáforo até que a operação esteja completa. - Funciona com qualquer quantidade de processos. 136

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