Sistemas Operacionais I Parte III Estrutura dos SOs Prof. Gregorio Perez gregorio@uninove.br 2007 Roteiro Serviços Estrutura dos Sistemas Operacionais Funções do Sistema Operacional Chamadas do Sistema (System Calls) Modos de Acesso Sistema Monolítico Sistema em Camadas Micro (Cliente Servidor) Máquinas Virtuais Questões 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 2 Os Sistemas Operacionais são complexos e possuem estruturas diferentes Divisão em partes definidas do sistema Gerência de Processos Gerência da Memória Principal Gerência de Arquivos Gerência do Sistema de E/S Gerência Secundária Redes Sistema de Proteção Interpretador de Comandos 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 3
Gerência de Processos Um processo é um programa em execução Um processo precisa de certos recursos tempo de CPU, memória, arquivos e dispositivos de E/S O Gerenciamento de processos é responsável por (em conjunto com o SO) Criar e excluir processos Suspender e retomar processos Oferecer mecanismos para: sincronismo de processos comunicação entre processos Programa é uma entidade passiva Processo é uma entidade ativa 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 4 Gerência de Memória Memória é um grande vetor de palavras ou bytes É um repositório de dados rapidamente acessíveis Cada elemento tem um com seu próprio endereço Memória principal Dispositivo de armazenamento volátil Perde seu conteúdo em caso de falha de sistema O Gerenciamento de memória é responsável por (em conjunto com o SO) Alocar e desalocar espaço de memória conforme a necessidade Controlar as partes da memória são usadas e por quem Decidir quais processos devem ser carregados 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 5 Gerência de Arquivos Um arquivo é uma coleção de informações relacionadas Normalmente, os arquivos representam programas e dados Programas nos formatos de fonte e objeto O Gerenciamento de Arquivos é responsável por (em conjunto com o SO) Criação e exclusão de arquivos Criação e exclusão de diretórios Suporte a primitivas para manipulação de arquivos e diretórios Mapeamento de arquivos em armazenamento secundário Backup de arquivos em meios de armazenamento não voláteis 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 6
Gerência de Armazenamento Secundário Armazenamento Secundário Memória principal é volátil e muito pequena Usado para apoiar a memória principal Discos são o principal meio de armazenamento para programas e dados O Gerenciamento de Disco é responsável por (em conjunto com o SO) Gerenciamento do espaço livre Alocação do armazenamento Escalonamento do disco 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 7 Gerência de I/O O sistema de E/S consiste em: Inclui buffering, sistema de caching e spooling Uma interface genérica controladora de dispositivos Drivers para dispositivos de hardware específicos Buffering Armazenamento principal Spooling Armazenamento secundário Processador Armazenamento Área de transferência Controlador De Disco 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 8 Redes (Sistemas Distribuídos) Um sistema distribuído é um conjunto de processadores Fornece ao usuário acesso a vários recursos do sistema Cada processador possui sua própria memória local Não compartilham memória ou um relógio Conexão por uma rede de comunicação A comunicação ocorre através do uso de um protocolo O acesso a um recurso compartilhado permite: Maior velocidade de computação Maior disponibilidade de dados Maior confiabilidade 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 9
Proteção Mecanismo para controlar o acesso aos recursos do sistema Programas Processos Usuários O mecanismo de proteção precisa Distinguir entre uso autorizado e não autorizado Especificar controles a serem impostos Fornecer um meio para a imposição 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 10 Interpretador de Comandos O usuário interage com o SO Programa de leitura e interpretação de instruções de controle Interpretador de linha de comando ou Shell Função de apanhar e executar a próxima instrução de comando Instruções de Controle dão comandos ao SO Tratamento de E/S Gerenciamento E/S, armazenamento secundário, arquivos e processos Proteção Uso da rede Shell Interface Texto - Prompt de Comando Interface Gráfica - Windows 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 11 Serviços do Sistema Operacional Execução de Programa Capacidade para carregar um programa na memória e executá-lo Operações de E/S Os programas do não podem executar operações de E/S SO deve prover os meios necessários Manipulação do sistema de arquivos capacidade do programa para ler, gravar, criar e excluir arquivos Comunicações Troca de informações entre processos Através de memória compartilhada ou passagem de mensagens Detecção de erro Assegura computação correta Erros na CPU, hardware, memória, dispositivos de E/S e programas 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 12
Serviços do Sistema Operacional Funções Adicionais Não usadas para auxiliar o usuário Garantir operações eficientes do sistema Alocação de Recursos Alocação para diversos usuários ou múltiplas tarefas Contabilidade Controle e registro de usuários e recursos Proteção Controle de acesso aos recursos do sistema 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 13 Introdução Estrutura dos Sistemas Operacionais Aplicação não seqüencial Rotinas Eventos Assíncronos Associados ao hardware Tarefas internas do SO Kernel Software que contém o núcleo do sistema Formado por Rotinas (procedimentos) Oferecem serviços Aos usuários Aplicações Rotinas do próprio sistema Núcleo do Sistema Ou Kernel 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 14 Estrutura dos Sistemas Operacionais Chamadas do Sistema - System Calls Mecanismo de Proteção do Núcleo Método usado para requisitar uma ação do Sistema Operacional Geralmente disponíveis como instruções em linguagem assembly Cada Serviço tem um System Calls associado Cada SO tem uma biblioteca de System Calls Acesso por linguagens de alto nível Linguagens definidas para substituir a linguagem assembly na programação de sistemas permitem chamadas diretas (C/C++) Linguagens independentes da plataforma não permitem chamada diretas (Java) 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 15
Chamadas de Sistema Modos de Acesso Instruções Privilegiadas - Podem comprometer o sistema Modo Usuário executa instruções não privilegiadas Modo Kernel executa instruções privilegiadas Aplicativos Aplicativos Aplicativos Aplicativos Interface das Chamadas de Sistemas usuário Componentes do SO 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 16 Chamadas de Sistema Passagem de Parâmetros 3 Métodos são usados para passagem de parâmetros Passar parâmetros via registradores Armazenar os parâmetros em uma tabela na memória O endereço na tabela é passado como um parâmetro em um registrador O programa coloca (push) os parâmetros na pilha e o Sistema Operacional retira (pop) os parâmetros da pilha X: parâmetros para chamada Carrega endereço X Chamada de sistema 13 Programa de usuário X registrador Usa parâmetros da tabela X Sistema Operacional Código para Chamada de Sistema 13 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 17 Chamadas de Sistema Exemplos Interface API Win32 / Unix Tanenbaum Sistemas Operacionais Modernos Ed. Pearson 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 18
Chamadas de Sistema Exemplos de Chamadas dos Componentes Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos, Ed. Pearson 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 19 Chamadas de Sistema Exemplos de Chamadas dos Componentes Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos, Ed. Pearson 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 20 Sistema Operacionais Atuais tendem a ser complexos Devem prover muitos serviços Suportam uma grande variedade de software e hardware A organização (arquitetura) dos Sistemas Operacionais auxiliam o gerenciamento de sua complexidade Organização dos componentes do sistema operacional Especificam o privilégio com o qual cada componente será executado Mais Utilizadas Arquitetura Monolítica Arquitetura em Camadas Arquitetura Cliente / Servidor 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 21
Sistema Monolítico Organização mais comum Cada componente é contida no Kernel Rotinas podem interagir livremente entre si System Calls dispara o processo OS/360 VMS Linux Kernel do SO Modo usuário Modo MM Gerência de Memória PS Escalonador de Processador IPC Comunicação Interprocessos FS- Sistema de Arquivos IO Gerência de Entrada e Saída Net Gerência de Redes Aplicativos Interface das Chamadas de Sistemas Hardware 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 22 Sistema Monolítico Vantagens e Desvantagens Vantagens Tende a ser altamente eficiente Desvantagens Dificuldade de determinar a origem de erros sutis Particularmente suscetíveis a códigos maliciosos MM IPC IO PS FS Net (todo código é executado com acesso irrestrito ao sistema) Podem se tornar desajeitados 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 23 Sistemas em Camadas Divisão dos componentes do SO em camadas sobrepostas Cada camada oferece um conjunto de funções Funções podem ser utilizadas por outros módulos Cada camada se comunica apenas com camadas imediatamente acima ou abaixo Camada inferior (camada 0) é o hardware Camada superior (camada N) é a interface com o usuário Windows NT Windows XP Linux Sistema THE (Technische Hogeschool Eindhoven) - Dijkstra Holanda (1968) Modo Usuário Modo Kernel Programas de de Usuários Gerência de de Entrada / Saída Comunicação Gerência de de Memória Alocação e Escalonamento de de Processos 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 24 44 33 22 11 00 Usuário Hardware
Sistemas em Camadas MS-DOS Sistema em camadas simples Programa de Aplicação Programa residente do sistema Drivers de dispositivos do MS-DOS Drivers de dispositivos do ROM BIOS OS/2 Descendente do MS-DOS - multitarefa O usuário sem acesso aos recursos de baixo nível SO tem maior controle de hardware Aplicação Aplicação Aplicação Interface de programa de aplicação (API) subsistema subsistema subsistema Gerência de memória Despacho de tarefas Gerência de dispositivos Driver de dispositivo Driver de dispositivo Extensão da API Kernel do sistema Driver de dispositivo 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 25 Sistemas em Camadas Vantagens e Desvantagens Vantagens Sistema mais Modular Isolar as funções do SO Facilita alteração e depuração Hierarquia de níveis de modos de acesso Interface protege a implementação (encapsulamento) Camadas internas fornecem o serviço para as camadas externas Desvantagens MULTICS e VMS Mais interna mais privilegiada Processo pode ter que passar por muitas camadas antes da execução Eficiência pode ser reduzida em relação ao sistema monolítico Usuário Supervisor Executivo Kernel 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 26 Sistema de Micro (Cliente/Servidor) Núcleo () menor, mais simples e expansível Prover pequeno número de serviços Sistema dividido em processos Cada processo responsável por conjunto de serviços de arquivos, de criação de processos, de memória,.. Todos os componentes podem se comunicar Windows XP Linux UNIX e MacOS X Server ( Mach) Processo Cliente (usuário) Troca de Mensagens (função do núcleo) requisição resposta Processo Servidor Realiza a tarefa 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 27
Sistema Cliente Servidor Modos de Acesso Servidores executam o pedido no modo usuário Apenas o Núcleo executa no modo Modo usuário Modo FS Gerência de memória PS Aplicativos Interface das Chamadas de Sistemas IPC IO 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 28... sincronização Sistema de Micro Estrutura do Windows NT Estrutura híbrida Parte em Camadas Aplicações win32 Servidor win32 Estrutura do MacOS X Mach Aplicações OS/2 Ambiente do Kernel Kernel Servidor OS/2 PS Servidor de Processos FS- Servidor de Arquivos IO Servidor de E / S... IPC Comunicação Interprocessos Ambiente de Aplicação e Serviços Comuns Mach 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 29 Sistema Cliente Servidor Vantagens BSD Serviço pode parar sem comprometer o sistema Alto grau de modularidade Portável e Expansível Isolar Funções do SO por processos (Servidores) Mais fácil manutenção Independente da quantidade de processadores Aplicações POSIX Sistemas múltiplos processadores (fortemente acoplados) Sistemas distribuídos (fracamente acoplados) Cliente / Servidor em ambiente distribuído Resposta pode ser processada remotamente Servidor POSIX 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 30
Sistema Cliente Servidor Desvantagens Implementação difícil Funções do SO que exigem acesso direto ao hardware por exemplo: operações de Entrada / Saída Aumento do nível de comunicação inter-modular Pode degradar a eficiência do Sistema Usualmente: Combinação de modelo em Camadas com Cliente/Servidor Ex. Windows NT 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 31 Máquinas Virtuais Conclusão lógica da técnica de Camadas Hardware e o Kernel como se ambos fossem hardware Uma MV oferece interface idêntica à do hardware básico O sistema operacional cria a ilusão de múltiplos processos, cada um sendo executado em seu próprio processador, com sua própria memória (virtual) IBM - VM 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 32 Máquinas Virtuais Máquina Não Virtual Máquina Virtual processos processos processos processos Interface de Programação VM1 VM1 VM1 hardware Implementação da máquina virtual hardware IBM VM / 370 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 33
Máquinas Virtuais VMWare Silberschatz et al. Operating Systems 7a ed. Ed. Elsevier 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 34 Máquina Virtual Vantagens e Desvantagens Vantagens Provê proteção completa dos recursos do sistema cada MV é completamente isolada de todas as outras MV Não existem problemas de segurança Veículo perfeito para pesquisa e desenvolvimento de SO O desenvolvimento do sistema é feito na máquina virtual, e não em uma máquina física, e não interrompe a operação normal do sistema. Desvantagens O isolamento não permite compartilhamento direto dos recursos Implementação de compartilhamento pode ser feito por software Compartilhamento pode ser feito por rede de comunicação virtual Conceito de MV difícil de implementar devido ao esforço necessário para oferecer uma duplicata exata da máquina utilizada 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 35 Máquina Virtual Java (JVM) Os programas Java compilados são bytecodes para plataforma neutra executados por uma Máquina Virtual Java (JVM) A JVM consiste em Carregador de classes Verificador de classe Interpretador de tempo de execução Os compiladores Just-In-Time (JIT) aumentam o desempenho Programa Java Carregador de classes Interpretador Java Sistema Operacional (Windows, Linux, etc...) Java API 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 36
Questões O que é Kernel? Cite 3 das principais funções do Kernel Qual a diferença entre Kernel e Shell? Qual é a finalidade do interpretador de comandos? Por que ele normalmente é separado do? Explique o que são as Chamadas do Sistema e porque são necessárias Quais são os modos de Acesso às instruções do núcleo Por que é arriscado permitir que usuários executem livremente operações de leitura e escrita para qualquer região do disco? Como funciona um Sistema Monolítico? Qual a sua principal desvantagem? Em que condição o Sistema em Camadas será menos eficiente que o Sistema Monolítico? Como o Sistema de micro difere do Sistema em Camadas? 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 37 Questões Quais as vantagens de um Sistema Cliente Servidor (micro) e como ele pode promover a portabilidade? Qual é a principal vantagem para um projetista de sistema operacional em usar uma arquitetura de máquina virtual? Por que Java oferece a capacidade de chamar métodos nativos que são escritos, digamos, em C ou C++? Dê um exemplo em que um método nativo é útil. Por que um compilador just-intime é útil para a execução de programas Java? O sistema operacional experimental Synthesis possui um assembler incorporado dentro do. Para otimizar o desempenho da chamada de sistema, o monta rotinas dentro do seu espaço para diminuir o caminho que a chamada de sistema precisa percorrer no. Essa técnica é a antítese da técnica em camadas, em que o caminho pelo é estendido para facilitar a montagem do sistema operacional. Discuta os prós e os contras da técnica do Synthesis para o projeto do e a otimização do desempenho do sistema. 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 38 Referência Bibliográfica Sistemas Operacionais Deitel, Deitel e Choffnes; Ed. Pearson 3a Edição www.prenhall.com/deitel_br Sistemas Operacionais, Conceitos e Aplicações A. Silberschatz, P. Galvin, G. Gagne; Ed. Campus Tradução da 6a Edição www.wiley.com/college/silberschatz6e/ 0471417432/slides/slides.html Sistemas Operacionais Modernos Andrew Tanenbaum; Ed. Pearson 2a Edição www.prenhall.com/tanenbaum_br 2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 39