Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 113/04/2023
Sistemas Operacionais
Introdução a Sistemas Operacionais
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 213/04/2023
Objetivos
Identificar as funções e os componentes de um Sistema Operacional; Diferenciar os tipos de Sistemas Operacionais existentes; Identificar os modelos de estruturas existentes de Sistemas
Operacionais; Compreender os modos de acesso e o funcionamento de uma chamada
ao sistema ("system call"); Compreender a importância e o funcionamento dos mecanismos de
interrupção; Compreender os fundamentos de sistemas concorrentes.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 313/04/2023
Introdução
Nesta aula, conheceremos as características de um Sistema Operacional e a importância desse sistema em um ambiente computacional. Para isso, trataremos de dois conceitos muito importantes para o entendimento dos sistemas modernos: interrupções e chamadas ao sistema.Serão abordados, também, os principais tipos de Sistemas Operacionais e suas características.
Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais; Classificação de Sistemas Operacionais; Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos; Interrupções; Conceitos de Concorrência.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 413/04/2023
Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais
Sistema Operacional é um conjunto de programas (software) responsável por: fazer a interface com os usuários; gerenciar recursos; fazer a interface com o hardware.
Funções adicionais: contabilização de uso, segurança de acesso, auditoria.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 513/04/2023
Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais
O Sistema Operacional é o intermédio entre o usuário e o hardware
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 613/04/2023
Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais
Cada parte (módulo ou função) de um Sistema Operacional é responsável pelo gerenciamento de um recurso específico.
Esses recursos são: Tempo de CPU; Espaço em memória; Espaço em disco; Acesso aos dispositivos de comunicação; Bibliotecas de software.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 713/04/2023
Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais
Gerenciar recursos é garantir a utilização compartilhada do recurso sem que ocorram erros que possam gerar instabilidade ou falha no sistema.
Na visão do usuário, o Sistema Operacional fornece: Acesso ao sistema; Possibilidade de criar e gerir arquivos e diretórios; Ambiente para execução de programas; Acesso aos dispositivos de E/S; Acesso ao conteúdo de arquivos; Detecção de erros.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 813/04/2023
Classificação de Sistemas Operacionais
A classificação é utilizada como uma forma sintética de apresentar, em poucas palavras, as características de um Sistema Operacional.
Sistemas Monotarefa x Sistemas Multitarefa
Sistemas Monousuário x Sistemas Multiusuário
Sistemas Monoprocessados x Sistemas Multiprocessados
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 913/04/2023
Classificação de Sistemas Operacionais
Definem a capacidade de gerenciar mais de uma tarefa ao mesmo tempo.
Monotarefa: Admite e gerencia apenas uma tarefa em execução por vez.Exemplo: DOS.
Multitarefa: Admite e gerencia várias tarefas em processamento concorrente.Exemplo: Windows XP, Windows 7, Linux, MacOS.
Sistemas Monotarefa x Sistemas Multitarefa
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1013/04/2023
Classificação de Sistemas Operacionais
Executa Espera Executa Espera
Monotarefa
Executa Espera Executa Espera
Espera Executa Espera Executa
Multitarefa
Programa A
Programa B
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1113/04/2023
Classificação de Sistemas Operacionais
Definem a capacidade de gerenciar mais de um usuário ao mesmo tempo, compartilhando os mesmo recursos de software e hardware.
Monousuário: Admite e gerencia apenas um usuário – não permite que mais de um usuário esteja "logado" simultaneamente.Exemplo: Windows XP, Windows NT (exceto versão com Terminal Server).
Multiusuário: Admite e gerencia vários usuários – permite que mais de um usuário esteja "logado" simultaneamente.Exemplo: Linux, VMS.
Sistemas Monousuário x Sistemas Multiusuário
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1213/04/2023
Classificação de Sistemas Operacionais
Atenção:Todo Sistema Operacional Multiusuário é,
obrigatoriamente, Multitarefa, pois cada usuário representa, no mínimo, uma tarefa para ser executada.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1313/04/2023
Classificação de Sistemas Operacionais
Possuem a capacidade de reconhecer e gerenciar computadores com mais de um processador.
Monoprocessado: Somente reconhece e utiliza um processador.Exemplo: Windows 98.
Multiprocessado: Reconhece e utiliza mais de um processador.Exemplo: Windows XP, Windows 7, Linux.
Sistemas Monoprocessados x Sistemas Multiprocessados
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1413/04/2023
Classificação de Sistemas Operacionais
Sistemas em Tempo RealSistemas que possuem um forte vínculo com o tempo. O resultado só é considerado correto se a execução acontecer no tempo previsto.O sistema deve garantir que uma tarefa possua todos os recursos necessários para sua execução em um intervalo de tempo pré-definido.
Outros sistemas com finalidades específicas
Atenção:Não se trata de velocidade de processamento, e sim de garantia de tempo de resposta.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1513/04/2023
Classificação de Sistemas Operacionais
Sistemas EmbarcadosSistemas inseridos em produtos com funções específicas, como telefones celulares.
Outros sistemas com finalidades específicas
Atenção:Nem todo dispositivo eletrônico possui um microcontrolador, e nem todo aparelho com microcontrolador possui um Sistema Operacional.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1613/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Um velho conhecido pelos usuários de microcomputadores é a famosa "tela azul". Quem já utilizou sistemas operacionais antigos, como o Windows 95, certamente já se deparou com este problema. A "tela azul" era de fato uma violação de acesso que tornava o sistema instável.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1713/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
A partir do 80386, esse problema foi solucionado em termos de hardware através da possibilidade de 2 modos de execução: o modo protegido e o modo real. Ficava a cargo do sistema operacional a comutação entre esses dois modos por questões de compatibilidade.
A instabilidade evidenciada pela "tela azul" tem razões históricas. Os primeiros processadores da linha x86 possuíam um único modo de operação: o modo real. Dessa forma, todas as operações poderiam ser executadas diretamente pelas aplicações que, ao produzir erros, geravam panes no sistema.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1813/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
As aplicações são executadas em modo usuário, ou seja, modo que não possui privilégios para operações que coloquem o sistema em risco, tais como, escrever no disco, criar novas tarefas, etc.Quando essas aplicações precisam executar tarefas críticas, é necessário que haja uma mudança para modo Kernel (núcleo do Sistema Operacional, responsável pelas tarefas críticas do sistema). Essa mudança ocorre através de uma "system call" (chamada ao sistema).
Modo Usuário x Modo Kernel
System Call (Chamada ao Sistema): Mecanismo responsável pela mudança de modo usuário para modo kernel. Ao invés de executar diretamente funções no kernel, a aplicação executa uma função intermediária, que verifica se o acesso ao kernel é seguro e, só então, completa a operação.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1913/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Voltando à "tela azul"...As aplicações podiam executar diretamente as funções do kernel sem a proteção da mudança de modo, ou seja, o erro acontecia após a execução de uma função do kernel. Com a mudança de modo, se a execução não for segura, a aplicação será impedida de continuar a execução e o sistema permanecerá estável.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2013/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Exemplo do Linux de uma chamada ao sistema
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2113/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Exemplo do Linux de uma chamada ao sistema
setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &timer, NULL);
_syscall1(unsigned int, alarm, unsigned int, seconds)
_system_cal()
unsigned int alarm(unsigned int seconds)
Invocação
Wrapper
Handler
Rotina de serviço
Mudança de Modo
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2213/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Os sistemas são classificados em relação às atribuições do kernel e a relação entre seus módulos em monolíticos, camadas e microkernel.Os sistemas modernos são divididos em dois grandes grupos: Arquitetura monolítica; Microkernel.
A diferença entre elas está nas atribuições do núcleo do Sistema Operacional, denominado KERNEL.
Tipos de Estrutura
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2313/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Essa característica é muito importante no projeto de um Sistema Operacional e foi alvo de discussão entre dois grandes nomes da computação: Andrew Tanenbaum e Linus Torvalds.De um lado, Torvalds defendia um kernel monolítico por ser mais rápido e, de outro, Tanenbaum defendia o microkernel pela elegância e facilidade de adaptação e substituição de módulos.Quem ganhou? Os dois.
Link: http://oreilly.com/catalog/opensources/book/appa.html
Tipos de Estrutura
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2413/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Todo o kernel é compilado e "linkado" em um único bloco, tornando o código eficiente, porém de difícil manutenção. A inclusão ou exclusão de um módulo requer que todo o kernel seja recriado.
Arquitetura Monolítica
Nota:O kernel do Linux incorporou características modulares.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2513/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Arquitetura Monolítica
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2613/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Somente as funções críticas fazem realmente parte do kernel. Demais funções são tratadas como tarefas e executam em modo usuário, fazendo chamadas ao kernel quando necessário.Essa arquitetura simplifica a manutenção, inclusão e exclusão de módulos do Sistema Operacional, não sendo necessário gerar um novo kernel a cada modificação e nem mesmo reiniciar o computador para ativação e desativação do módulo.
Arquitetura Microkernel
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2713/04/2023
Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Arquitetura Microkernel
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2813/04/2023
Interrupções
São sinais de hardware fundamentais para a existência de sistemas multitarefa, pois provocam a suspensão da tarefa em execução pela ocorrência de um evento externo, permitindo que outras tarefas compartilhem o tempo de uso do processador.
ATENÇÃO:Neste caso, o que está sendo compartilhado é o TEMPO DE USO do processador e NÃO o processador em si.Cada tarefa utiliza 100% do processador.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2913/04/2023
Interrupções
Parte do mecanismo é executada pelo hardware (identificação do dispositivo, empilhamento dos registradores de sistema) e parte é feita por software através da Rotina de Tratamento da Interrupção (interrupt handler).
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3013/04/2023
Interrupções
As interrupções são geradas por dispositivos de hardware e podem ocorrer de forma síncrona ou assíncrona.
Relógio (temporizador) síncronaDispositivos de E/S (sinalização de conclusão) assíncronaFalha de hardware (paridade de memória, erro de disco, etc.) assíncrona
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3113/04/2023
Interrupções
O termo interrupção é muitas vezes utilizado para qualquer atividade que suspenda a execução de uma tarefa, mesmo que seja solicitada pelo próprio programa.Utilizaremos, para este fim, o termo "estado de exceção".
Estados de exceção: são provocados pela própria aplicação. Estouro aritmético; Divisão por zero; Instrução ilegal; Acesso não permitido; Chamadas ao sistema.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3213/04/2023
Interrupções
ATENÇÃO:Mascaramento de interrupções: Capacidade de inibir a ação de uma interrupção. As interrupções de segurança não podem ser mascaradas.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3313/04/2023
Interrupções
As interrupções podem acontecer de forma sequencial ou em cascata.
Tipos de Interrupções
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3413/04/2023
Interrupções
Uma interrupção só poderá ser atendida se nenhuma outra estiver em atendimento. A Rotina de Serviço desabilita as interrupções; Uma nova interrupção só é tratada após o retorno; A interrupção pode demorar a ser tratada, o que pode eventualmente
ocasionar uma perda de dados; Finalizada a Rotina de Serviço de Interrupção, o processador verifica
por interrupções adicionais.
Interrupção Sequencial
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3513/04/2023
Interrupções
Interrupção Sequencial
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3613/04/2023
Interrupções
Uma interrupção pode interromper a ação de uma rotina de tratamento de outra interrupção. Interrupções têm prioridade; Interrupções com alta prioridade interrompem Rotinas de Serviço de
Interrupções de menor prioridade.
Interrupção em Cascata
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3713/04/2023
Interrupções
Interrupção em Cascata
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3813/04/2023
Concorrência
Compartilhar recursos significa que diferentes usuários ou programas usam os recursos de forma concorrente.
Os recursos são limitados e, assim, o uso dos mesmos pelos diferentes programas ou usuários precisa ser controlado e administrado de forma a evitar possíveis conflitos ou uma alocação por tempo indeterminado de algum recurso.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3913/04/2023
Concorrência
Concorrência é a capacidade de execução concorrente de tarefas, permitindo um melhor aproveitamento de recursos.
Uma tarefa pode deixar a CPU por vontade própria, quando precisa aguardar por um recurso, ou por uma interrupção.
Em particular, uma interrupção de temporizador provoca a substituição da tarefa em execução, criando uma alternância entre as tarefas.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4013/04/2023
Concorrência
ATENÇÃO:A alternância entre as tarefas pode dar a impressão de execução simultânea de tarefas, mas não é o que ocorre.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4113/04/2023
Introdução a Sistemas Operacionais
Exercícios de Fixação
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4213/04/2023
Exercícios de Fixação
1. São funções do Sistema Operacional:a) Gerenciar recursos de hardware e fornecer um aplicativo para
navegação na Internet.b) Gerenciar recursos de hardware e interface com o usuário.c) Interface com o usuário e correção ortográfica.d) Gerenciar recursos de software e interromper uma tarefa em
execução.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4313/04/2023
Exercícios de Fixação
1. São funções do Sistema Operacional:a) Gerenciar recursos de hardware e fornecer um aplicativo para
navegação na Internet.b) Gerenciar recursos de hardware e interface com o usuário.c) Interface com o usuário e correção ortográfica.d) Gerenciar recursos de software e interromper uma tarefa em
execução.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4413/04/2023
Exercícios de Fixação
2. Para que uma aplicação execute instruções privilegiadas deverá executar um(a):
a) Arquivo específico para gerenciamento de hardware.b) Interrupção de hardware.c) Solicitação ao administrador do sistema.d) Chamada ao sistema.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4513/04/2023
Exercícios de Fixação
2. Para que uma aplicação execute instruções privilegiadas deverá executar um(a):
a) Arquivo específico para gerenciamento de hardware.b) Interrupção de hardware.c) Solicitação ao administrador do sistema.d) Chamada ao sistema.
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4613/04/2023
Exercícios de Fixação
3. O uso de interrupções permite a utilização de:a) Sistemas concorrentes.b) Comunicação de dados.c) Dispositivos de hardware como, teclado e mouse.d) Bibliotecas de software
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4713/04/2023
Exercícios de Fixação
3. O uso de interrupções permite a utilização de:a) Sistemas concorrentes.b) Comunicação de dados.c) Dispositivos de hardware como, teclado e mouse.d) Bibliotecas de software
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4813/04/2023
Introdução a Sistemas Operacionais
Extras
Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4913/04/2023
Links
Navegando pelo kernel do Linux - http://lxr.linux.no/