Sistemas Operacionais

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1 Brainstormig Sistemas Operacionais Processos e multiprogramação Aula 2 Quais são os componentes de um programa? Como podemos representar um programa em execução? Onde ele inicia a executar? Como se mapeia esse programa no hardware de um sistema computacional (processador e memória) É possível colocar mais de um programa em execução havendo apenas um processador? Sistemas Operacionais 2 Introdução Espaço de endereçamento de um processo O conceito fundamental de sistemas operacionais é o processo Conjunto de endereços que um processo pode usar Abstração que representa um programa em execução Serve como elemento básico de gerenciamento Faixa de E endereços ( a E-1) Usual E = 2 n, onde, n é a capacidade de endereçamento do processador Armazena uma série de informações sobre a execução de um programa Espaço de endereçamento lógico (virtual) A implementação de sistemas operacionais multiprogramados exige a cooperação do hardware para realizar suas tarefas Questões de desempenho e, por vezes, de viabilidade da tarefa a ser feita Necessidade de não interferência entre as tarefas.(processos) Os processadores são projetados considerando as necessidades do sistema operacional Espaço de endereçamento (lógico) Pilha heap (monte) Dados Texto (código) 2 n -1 Endereço de retorno Parâmetros de funções Variáveis locais Alocação dinâmica de memória Variáveis globais Código a ser executado Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4

2 Espaço de endereçamento e processo Multiprogramação Modelo teórico Na prática, o processo ocupa apenas o necessário e compartilha a memória física através da noção de memória virtual (estudado mais tarde) Para executar, um processo precisa estar na memória AND o processador apontar para o seu espaço de endereçamento 2 n -1 Processo 1 Processo 2 Pilha heap (monte) Dados Texto (código) Pilha heap (monte) Dados Texto (código) 2 n -1 Registradores físicos do processador Capacidade de um sistema permitir que mais de um processo esteja em execução em um determinado momento Execução simultânea ou alternada Requisitos básicos para a multiprogramação Haver mais de um processo na memória (só executa se estiver em memória) Manter o,, GPRs (General Purpouse Registers), variáveis e estado de cada processo Noção de contexto de um processo Um processo não deve interferir em outro Criação de uma virtual Sistemas Operacionais 5 Sistemas Operacionais 6 Multiprogramação e chaveamento de contexto Ciclos de um processo virtual P 1 Escalonador sistema operacional P 2 Fornece a ilusão que executam simultaneamente, mas estão alternados Exceção: se houver mais de uma física (ou core) P n física Chaveamento de contexto (simplificado) Sai Processo i i = i = Entra Processo j = j = j (há outras informações: GPRs, estados, etc que são salvos e recuperados) Um processo tem tipicamente dois ciclos Usando processador (ciclo ) Realizando (ciclo ) Enquanto faz, não usa a (ocioso) O objetivo é manter a ocupada (uso eficiente de recursos) A multiprogramação é a técnica empregada para reduzir ociosidade da P i P J (espera) ociosa t Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8

3 Alternância de ciclos de e Estados de um processo Ciclo de Requisição de pronta Chaveamento de ciclos é via interrupção Ciclo de INT software (trap) INT hardware Ciclo de Ciclo de Solicitação de operação de é uma chamada de sistema (INT de software) Conclusão da operação de é informada por interrupção de hardware Representam os estados de execução de um processo Modelo de dois estados Execução (running): para ciclo de (travado esperando conclusão de = bloqueado): para ciclo de Problema Como voltar para a se ela estiver sendo usada por outro processo? P i P J (espera) Onde? Deve esperar (onde?) ficar livre Dois estados não são suficientes Como se implementa a espera pela? Sistemas Operacionais 9 Sistemas Operacionais 1 Modelo de três estados Suporte de hardware para multiprogramação Um processo passa a ter três estados básicos*: Execução (running), bloqueado (blocked) e apto (ready) criação A espera para usar a Escalonamento apto Término de ou ocorrência de evento de sincronização bloqueado Trocas de contexto execução Política para decidir qual processo sai de ready para running término Solicitação de ou sincronização A espera de: Conclusão de Sincronização Define o momento de como e quando são feitos as trocas de contexto A multiprogramação precisa : Processos de um usuário NÃO interfiram em processos de outros usuários, nem do sistema Sinalização da ocorrência de eventos como, por exemplo, conclusão de Necessário proteger recursos compartilhados: Processador Memória Dispositivos de entrada e saída () Incluir mecanismos voltados a proteção no projeto do processador Modos de operação do processador Interrupções Sistemas Operacionais * Modelo ainda está incompleto! Há mais estados!! 11 Sistemas Operacionais 12

4 Modos de operação do processador Interfaces em um sistema computacional Objetivo Impedir que um usuário execute instruções que interfiram na execução de processos de outros usuários e do próprio sistema operacional (núcleo) Como fazer? Dividir as instruções assembly em pelo menos dois grupos: System ISA: alteram/configuram recursos de hardware User ISA: As que NÃO alteram/configuram recursos de hardware Conjunto de instruções (Instruction Set Architecture ISA) System ISA User ISA Dá origem aos modos de funcionamento do processador software hardware Chamadas de sistema* 1 Aplicação Bibliotecas System ISA Sistema Operacional (núcleo) Processador 4 5 Barramento MMU RAM Instruction Set Architecture - ISA Chamada de funções User ISA Sistemas Operacionais 13 Sistemas Operacionais 14 Modo usuário e modo núcleo Mecanismo de interrupção Modos de operação (pelo menos dois) Núcleo: executa instruções do conjunto system ISA e user ISA Usuário: executa apenas instruções do conjunto user ISA Modo usuário Modo núcleo Processos de usuário Interface com usuário (GUI, CLI) Sistema operacional (núcleo) Hardware Modo de operação é dado por bits de configuração (Registrador especial PSW: Program Status Word) Chaveamento de modo Interrupções de exceção Geradas pelo hardware para sinalizar a ocorrência de eventos como divisão por zero, overflow normalmente não provocam término do processo Interrupção de software (traps) Implementam chamadas de sistemas, isso é, forma do processo de usuário invocar o núcleo para executar uma função em seu nome Interrupção de hardware Sinalizam eventos importantes que devem ser tratados pelo núcleo Interrupções de tempo (evitar monopólio do processador) Interrupção de conclusão de operação de Interrupção de violação de proteção como execução de instruções privilegiadas em modo usuário e acesso a porções indevidas de memória Sistemas Operacionais 15 Sistemas Operacionais 16

5 Interrupções e multiprogramação Proteção de Chaveamento de modos de operação é via mecanismo de interrupção Modo usuário para modo núcleo: interrupção de software ou de hardware Modo núcleo para modo usuário: instrução de retorno de interrupção (IRET) Importante: São as interrupções que acionam o núcleo do sistema operacional SEM interrupções o núcleo NÃO executa Processos não podem enviar diretamente requisições de Dispositivos são compartilhados (conflitos de acesso) Instruções de são privilegiadas Se executadas em modo usuário geram interrupção de violação devem ser solicitadas ao núcleo Como? Via chamadas de sistema (interrupção de software) INT de software Chamadas de sistema núcleo INT de hardware hardware Sistemas Operacionais 17 Sistemas Operacionais 18 Chamadas de sistemas Proteção de memória Serviços implementados no núcleo e disponibilizados para as camadas superiores Similar a uma sub-rotina, mas NÃO É a mesma coisa Executam em modo privilegiado (núcleo) do processador Invocam uma interrupção de software Evitar que um processo invada a área ocupada por outro processo Existem vários mecanismos implementados no processador através da MMU (Memory Management Unit) Princípio básico (simplificado): Registradores e comparadores em hardware (processador) Sistemas Operacionais 19 limite base Processo gera endereço de acesso end. base? end. limite? Interrupção de violação de memória (hw) aborta processo Sistemas Operacionais 2 INT Não Sim INT Não Sim OK

6 Proteção do processador Leituras adicionais Objetivo Evitar que um processo monopolize o processador e nada mais execute Como fazer? Incluir um mecanismo de interrupção por tempo Importante: Não precisa estar necessariamente no processador hardware a parte Oliveira, R.; Carissimi, A.; Toscani, S.; Sistemas Operacionais (4 a edição). Série Livros Didáticos INF/UFRGS vol 11. Porto Alegre. Editora Bookman. 21. Capítulo 2 (seções 2.1 a 2.5) Silberchatz, A.; Galvin, P.; Gagne, G.; Operating System Concepts (8 th ed), John Wiley & Sons, 29. (ou edições anteriores) Capítulo 3 (seção 3.1) Tanenbaum, A.;. Sistemas Operacionais Modernos (3 a edição). São Paulo. Editora Prentice-Hall, 21. Capítulo 2 (seção 2.1) Sistemas Operacionais 21 Sistemas Operacionais 22