ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES SISTEMAS OPERACIONAIS: GERENCIAMENTO DE PROCESSOS E DE MEMÓRIA
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- Eugénio Festas Carreiro
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1 ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES SISTEMAS OPERACIONAIS: GERENCIAMENTO DE PROCESSOS E DE MEMÓRIA Prof. Dr. Daniel Caetano
2 Lembretes Apresentar o gerenciamento de processos Compreender a importância do timer e da interrupção Apresentar o gerenciamento de memória Compreender os recursos básicos da MMU Lembrete: Lista 2 Online!
3 Material de Estudo Material Notas de Aula Apresentação Material Didático Biblioteca Virtual - Acesso ao Material (Aula 9) (Aula 9) Arquitetura e Organização de Computadores, páginas 239 a 285
4 INTRODUÇÃO
5 Introdução Aula Passada: Função Geral do S.O. Gerenciador de Processos? Tem algo a ver com hardware? Gerenciador de Memória? Tem algo a ver com hardware?
6 GERENCIAMENTO DE PROCESSOS
7 Gerenciamento de Processos Inicio: 1 computador = 1 programa Acesso direto aos recursos Vários nomes: programas, processos, jobs...
8 Gerenciamento de Processos Problema: 1 computador = N programas Convivência de programas... novos e antigos Programas antigos convivendo?
9 Gerenciamento de Processos Problema: 1 computador = N programas Briga! Convivência de programas... novos e antigos Programas antigos convivendo?
10 Gerenciamento de Processos O S.O. tem que rebolar Enganar cada programa... para que ele pense que está sozinho!
11 Gerenciamento de Processos Para ser enganado... O computador precisa estar configurado......de maneira específica para cada programa Analogia: República de Estudantes com um gerente Situação: Estudante 1 vendo futebol na TV Estudante 2 ouvindo AC/DC no último volume no som Como o gerente compatibiliza?
12 Gerenciamento de Processos Situação: Estudante A vendo futebol na TV Estudante B ouvindo AC/DC no último volume no som Como o gerente compatibiliza? Dividir em um tempo para cada estudante Momento 1: Estudante A Liga TV no canal do futebol E desliga o som do AC/DC Momento 2: Estudante B Desliga TV Liga o som do AC/DC
13 Gerenciamento de Processos Assim... Não basta saber quem é o estudante......é preciso saber o que ele estava fazendo......e a configuração do ambiente Da mesma forma... Não basta saber qual programa está rodando......é preciso saber em que ponto ele está... (em qual instrução)...e a configuração do computador (quais partes da memória ele pode usar, por exemplo)
14 Gerenciamento de Processos S.O.: Manter controle sobre Programas Estado do computador para cada programa Conjunto: programa + estado = processo Programa está no disco, sem executar Processo na memória, em execução Processo MAIN.EXE TEST.EXE FULL.EXE OUTRO.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x4500 Som?
15 Gerenciamento de Processos S.O.: Manter controle sobre Programas PCB: Process Control Block Estado do computador para cada programa Conjunto: programa + estado = processo Programa está no disco, sem executar Processo na memória, em execução Processo MAIN.EXE TEST.EXE FULL.EXE OUTRO.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x4500 Som?
16 Gerenciamento de Processos Uma CPU: Um Processo em Execução por vez MSN CPU Media Player Navegador
17 Gerenciamento de Processos Uma CPU: Um Processo em Execução por vez MSN CPU Media Player Navegador
18 Gerenciamento de Processos Uma CPU: Um Processo em Execução por vez MSN CPU Media Player Navegador
19 Estados dos Processos Estado de Execução: 5 básicos Em Execução: está processando no momento Pronto para executar: aguarda sua vez de processar Espera / Bloqueado: esperando recurso Novo: ainda está sendo configurado Terminado: recursos sendo liberados Os processos mudam de estado
20 Estados dos Processos Ciclo de Vida Básico Programa Carregado Novo Pronto Chegou a Vez Acabou a fatia de tempo Execução Terminado
21 Estados dos Processos Ciclo de Vida Básico Programa Carregado Como o S.O. Novo sabe que Pronto chegou a vez? Chegou Vez Acabou a fatia de tempo Execução Terminado
22 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
23 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
24 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Acabou a fatia de tempo! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
25 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
26 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
27 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Acabou a fatia de tempo! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
28 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
29 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
30 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Acabou a fatia de tempo! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
31 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
32 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
33 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Acabou a fatia de tempo! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
34 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
35 Escalonamento de Processos PCB: qual processo está em execução Fila de Execução Executando...! Sistema Operacional E assim por diante! A C Memória B D Processo A.EXE B.EXE C.EXE D.EXE PID Endereço 0x2000 0x4000 0x3000 0x5500 Som?
36 Fatia de Tempo (timeslice) Quando ocorre a troca de processos? Quando acaba a fatia de tempo de um processo Quando ele finaliza Quando ele tenta ler um periférico lento Fatia de Tempo...? Controlada por um timer (despertador) Timer é configurado pelo S.O. para disparar... após 32ms e coloca um processo em execução Quando timer dispara, ocorre uma interrupção O controle volta diretamente para o S.O.
37 GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA
38 Gerenciamento de Memória Por que gerenciar memória? Recurso limitado! Muitos programas compartilham a mesma memória Um pode prejudicar outro? Quem cuida disso? O sistema operacional Sempre foi assim?
39 Gerenciamento de Memória Inicialmente, praticamente inexistente Sistemas monotarefa Toda a memória de um único programa Sistema Operacional Memória A Nada impedia, inclusive, que o programa destruísse o S.O. Exemplo: alguns videogames Analogia: estudante morando sozinho
40 Gerenciamento de Memória Surgimento da MMU: Memory Management Unit Sistemas monotarefa / único programa Registrador de Proteção: Acesso apenas do S.O. 0x2000 Sistema Operacional Divide a memória em duas regiões Memória A
41 Gerenciamento de Memória Surgimento da MMU: Memory Management Unit Sistemas monotarefa / único programa Registrador de Proteção: Acesso apenas do S.O. 0x2000 Sistema Operacional Memória A O S.O. fica na primeira região... Acessa toda a RAM
42 0x2000 Gerenciamento de Memória Surgimento da MMU: Memory Management Unit Sistemas monotarefa / único programa Registrador de Proteção: Acesso apenas do S.O. Sistema Operacional Memória A Programa na segunda região (processo)... Acessa apenas a memória APÓS o endereço do registrador de proteção Analogia: criança que mora com os pais
43 0x2000 Gerenciamento de Memória Surgimento da MMU: Memory Management Unit Sistemas monotarefa / único programa Registrador de Proteção Sistema Operacional Memória A Programa na segunda região (processo)... Se tentar acessar a primeira região...
44 0x2000 Gerenciamento de Memória Surgimento da MMU: Memory Management Unit Sistemas monotarefa / único programa Registrador de Proteção Sistema Operacional Memória A Programa na segunda região (processo)... Se tentar acessar a primeira região... Ocorre uma falha de proteção...
45 0x2000 Gerenciamento de Memória Surgimento da MMU: Memory Management Unit Sistemas monotarefa / único programa Registrador de Proteção Sistema Operacional Memória A Programa na segunda região (processo)... Se tentar acessar a primeira região... Ocorre uma falha de proteção... Que transfere o controle para o S.O.
46 0x2000 Gerenciamento de Memória Surgimento da MMU: Memory Management Unit Sistemas monotarefa / único programa O programa causou Registrador de Proteção uma operação ilegal Sistema Operacional Memória A Programa na segunda região (processo)... Se tentar acessar a primeira região... Ocorre uma falha de proteção... Que transfere o controle para o S.O. e foi finalizado!
47 MMUS MODERNAS
48 Gerenciamento de Memória MMUs Modernas: Dois Registradores Início Fim 0x2000 0x34FF Sistema Operacional A Memória Dividem a memória em dois tipos de região: Acessível (entre os dois marcadores) Não Acessível (fora dos marcadores)
49 0x0000 Gerenciamento de Memória MMUs Modernas: Dois Registradores Início Fim Sistema Operacional A Memória O sistema operacional tem acesso a tudo... 0x7FFF
50 0x0000 Gerenciamento de Memória MMUs Modernas: Dois Registradores Início Fim Sistema Operacional A Memória Quando um processo vai entrar em execução... 0x7FFF
51 Gerenciamento de Memória MMUs Modernas: Dois Registradores Início Fim 0x2000 0x54FF Sistema Operacional A Memória Quando um processo vai entrar em execução... A MMU é reconfigurada! Quando acaba a fatia de tempo do processo...
52 0x0000 Gerenciamento de Memória MMUs Modernas: Dois Registradores Início Fim Sistema Operacional A Memória O controle volta ao SO... Com a respectiva reconfiguração da MMU! 0x7FFF
53 0x0000 Gerenciamento de Memória MMUs Modernas: Dois Registradores Início Fim Sistema Operacional A Memória B Vantagem... Podemos ter mais processos protegidos entre si 0x7FFF
54 Gerenciamento de Memória MMUs Modernas: Dois Registradores Início Fim 0x2000 0x54FF Sistema Operacional A Memória B Vantagem... Podemos ter mais processos protegidos entre si
55 Gerenciamento de Memória MMUs Modernas: Dois Registradores Início Fim 0x5500 0x6FFF Sistema Operacional A Memória B Vantagem... Podemos ter mais processos protegidos entre si Analogia: república de estudantes com uma governanta
56 ALOCAÇÃO DE MEMÓRIA
57 Gerenciamento de Memória O Gerenciador também cuida da alocação... Sistema Operacional A (2MB) Memória B (3MB) C (1MB) D (3MB)
58 Gerenciamento de Memória O Gerenciador também cuida da alocação... E da desalocação... Sistema Operacional A (2MB) Memória B (3MB) C (1MB) D (3MB)
59 Gerenciamento de Memória O Gerenciador também cuida da alocação... E da desalocação... Sistema Operacional Como carregar o processo E? Memória B (3MB) E (3MB) D (3MB)
60 Gerenciamento de Memória O Gerenciador também cuida da alocação... E da desalocação... Sistema Operacional B (3MB) Memória B (3MB) Como carregar o processo E? Mover B? E (3MB) D (3MB)
61 Gerenciamento de Memória O Gerenciador também cuida da alocação... E da desalocação... Sistema Operacional B (3MB) Memória E (3MB) Como carregar o processo E? Mover B? D (3MB)
62 Gerenciamento de Memória O Gerenciador também cuida da alocação... E da desalocação... Programa B antes de ser movido 0x4000 0x4003 0x4006 0x4007 0x4008 0x400B 0x400C 0x400D LD A,(0x400B) LD B,(0x400C) ADD A,B LD A,B LD (0x400D),A DB 0x01 DB 0x02 DB 0x00 Sistema Operacional B (3MB) Memória E (3MB) D (3MB) Programa B depois de ser movido 0x2000 0x2003 Como carregar o processo E? 0x2006 0x2007 Mover B? 0x2008 0x200B 0x200C 0x200D LD A,(0x400B) LD B,(0x400C) ADD A,B LD A,B LD (0x400D),A DB 0x01 DB 0x02 DB 0x00
63 Gerenciamento de Memória O Gerenciador também cuida da alocação... E da desalocação... Programa B antes de ser movido 0x4000 0x4003 0x4006 0x4007 0x4008 0x400B 0x400C 0x400D LD A,(0x400B) LD B,(0x400C) ADD A,B LD A,B LD (0x400D),A DB 0x01 DB 0x02 DB 0x00 Sistema Operacional B (3MB) Memória E (3MB) D (3MB) Não funciona! Programa B depois de ser movido 0x2000 0x2003 Como carregar o processo E? 0x2006 0x2007 Mover B? 0x2008 0x200B 0x200C 0x200D LD A,(0x400B) LD B,(0x400C) ADD A,B LD A,B LD (0x400D),A DB 0x01 DB 0x02 DB 0x00
64 Gerenciamento de Memória Para resolver esse problema... usar a MMU! Truque: fazer o programa pensar que sempre roda a partir do endereço ZERO Sistema Operacional MMU1 0x4000 0x4000 0x45FF Memória B MMU2 Real Virtual 0x45FF 0x4000 0x0000 D
65 Gerenciamento de Memória Para resolver esse problema... usar a MMU! Truque: fazer o programa pensar que sempre roda a partir do endereço ZERO 0x2000 0x25FF Sistema Operacional B Memória MMU1 MMU2 Real 0x2000 0x25FF 0x2000 Virtual 0x0000 D
66 0x2000 0x25FF Gerenciamento de Memória Para resolver esse problema... usar a MMU! Truque: fazer o programa pensar que sempre roda a partir do endereço ZERO Programa B antes de ser movido 0x4000 0x4003 0x4006 0x4007 0x4008 0x400B 0x400C 0x400D LD A,(0x000B) LD B,(0x000C) ADD A,B LD A,B LD (0x000D),A DB 0x01 DB 0x02 DB 0x00 Sistema Operacional B Memória D Programa B depois de ser movido 0x2000 0x2003 0x2006 0x2007 0x2008 0x200B 0x200C 0x200D MMU1 MMU2 Real Virtual LD A,(0x000B) LD B,(0x000C) ADD 0x2000 A,B LD 0x25FF A,B LD (0x000D),A 0x2000 DB 0x01 DB 0x0000 0x02 DB 0x00
67 0x2000 0x25FF Gerenciamento de Memória Para resolver esse problema... usar a MMU! Truque: fazer o programa pensar que sempre roda a partir do endereço ZERO Programa B antes de ser movido 0x4000 0x4003 0x4006 0x4007 0x4008 0x400B 0x400C 0x400D LD A,(0x000B) LD B,(0x000C) ADD A,B LD A,B LD (0x000D),A DB 0x01 DB 0x02 DB 0x00 Sistema Operacional B Memória D Programa B depois de ser movido 0x2000 0x2003 0x2006 0x2007 0x2008 0x200B 0x200C 0x200D Endereçamento MMU1 Virtual MMU2 Real Virtual LD A,(0x000B) LD B,(0x000C) ADD 0x2000 A,B LD 0x25FF A,B LD (0x000D),A 0x2000 DB 0x01 DB 0x0000 0x02 DB 0x00
68 0x2000 0x25FF Gerenciamento de Memória Para resolver esse problema... usar a MMU! Truque: fazer o programa pensar que sempre Os valores da roda a partir do endereço ZERO Programa B antes de ser movido 0x4000 0x4003 0x4006 0x4007 0x4008 0x400B 0x400C 0x400D LD A,(0x000B) LD B,(0x000C) ADD A,B LD A,B LD (0x000D),A DB 0x01 DB 0x02 DB 0x00 Sistema Operacional MMU1 B MMU2 0x25FF na PCB (estado) 0x2008 Real 0x2000 Memória D Programa B depois de ser movido 0x2000 0x2003 0x2006 0x2007 MMU de um processo ficam 0x200B 0x200C 0x200D Virtual LD A,(0x000B) LD B,(0x000C) ADD 0x2000 A,B LD A,B LD (0x000D),A DB 0x01 DB 0x0000 0x02 DB 0x00
69 MEMÓRIA Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória O que fazer quando não cabe? MSN Media Player Navegador
70 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória Quando não cabe: Move programa menos usado MSN Media Player Navegador
71 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória Quando não cabe: Move programa menos usado MSN Media Player Navegador
72 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória Quando não cabe: Move programa menos usado MSN Media Player Navegador
73 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória Quando não cabe: Move programa menos usado MSN Media Player Navegador
74 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória Quando não cabe: Move programa menos usado MSN Media Player Navegador
75 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória Quando não cabe: Move programa menos usado MSN Media Player Navegador Memória Virtual
76 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória Quando não cabe: Move programa menos usado E quando o Media Player for rodar, como o MSN S.O. sabe que tem que Navegador Media Player trazê-lo para a RAM? Memória Virtual
77 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Quando a CPU tenta acessar um Muitos Processos x Pouca Memória processo que está em um endereço Quando não cabe: Move programa menos usado fora da RAM, ocorre um erro específico, chamado page fault, MSN que o Sistema Operacional Navegador Media Player identifica e usa para trazer aquele processo de volta para a RAM Memória Virtual
78 MEMÓRIA HD Gerenciamento de Memória Muitos Processos x Pouca Memória Assim, se o micro tem 2GB Quando não cabe: Move programa menos usado de RAM e o registro MMU1 MSN indica um endereço inicial Navegador Media Player MAIOR que 2GB, ocorre um page fault! Memória Virtual
79 Gerenciamento de Memória Voltemos à situação original... Mover o processo B é a única solução? Sistema Operacional Memória B (3MB) E (3MB) D (3MB)
80 Gerenciamento de Memória Voltemos à situação original... Mover o processo B é a única solução? Sistema Operacional Poderíamos quebrar E em duas partes... Memória B (3MB) E (3MB) D (3MB)
81 Gerenciamento de Memória Voltemos à situação original... Mover o processo B é a única solução? Sistema Operacional Poderíamos quebrar E em duas partes... Memória B (3MB) D (3MB) E1 (1,5MB) E2 (1,5MB)
82 Gerenciamento de Memória Voltemos à situação original... Mover o processo B é a única solução? 0x x37FFFF 0x x67FFFF Sistema Operacional E1 (1,5MB) Memória B (3MB) E2 (1,5MB) D (3MB) Poderíamos quebrar E em duas partes... Mas, para isso funcionar, precisamos de múltiplos registros de MMU...
83 Gerenciamento de Memória Voltemos à situação original... Mover o processo B é a única solução? 0x x37FFFF 0x x67FFFF Sistema Operacional E1 (1,5MB) Memória B (3MB) E2 (1,5MB) D (3MB) O processador faz a mágica para que o processo pense que está em um único bloco Como diminuir o número de registros de MMU?
84 Gerenciamento de Memória Voltemos à situação original... Mover o processo B é a única solução? 0x x Sistema Operacional E1 (1,5MB) Memória B (3MB) E2 (1,5MB) D (3MB) Padronizando o tamanho do bloco... por exemplo, em 1,5MB Só são necessários registros de início de área Cada bloco: página
85 Gerenciamento de Memória Voltemos à situação original... Mover o processo B é a única solução? O menor processo 0x x possível ocupa uma Sistema Operacional E1 (1,5MB) Memória B (3MB) E2 (1,5MB) D (3MB) Padronizando o tamanho do bloco... por exemplo, em 1,5MB página. 4KB é um valor usual para uma página Só são necessários registros de início de área Cada bloco: página
86 Demonstração Gerenciamento de Memória e Processos? SO Sim (Simulador de Sistema Operacional)
87 CONCLUSÕES
88 Resumo O S.O. tem funções extremamente complexas e importantes Muitas das funcionalidades dos S.O.s dependem de auxílio do hardware, como interrupções e MMUs Em sistemas que o possuem, o disco pode ser usado como memória virtual TAREFA Lista de Exercícios 2!
89 Próxima Aula Ok... mas o S.O. é um programa... Quem o executa é a CPU! Como é a CPU? O que ela faz?
90 PERGUNTAS?
91 BOM DESCANSO A TODOS!
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