Os objetivos desta apresentação são: * Fazer um tour pelos principais conceitos relacionados a sistemas operacionais * Fazer uma revisão rápida sobre conceitos de organização de computadores

1. Visão Geral: Introdução
Sistemas Operacionais I
Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com
Centro de Informática / Universidade Federal da Paraíba

2. Objetivos
 Fazer um tour pelos principais conceitos
relacionados ao sistemas operacionais
 Fazer uma revisão rápida sobre conceitos de
organizaç ão de computadores

3. O que é um sistema operacional?
 Um programa que atua como intermediário entre
o usuário de um computador e o hardware
 Objetivos de um sistema operacional:
 Executar programas do usuário de forma a ajudá-lo
a resolver seus problemas de forma mais simples
 Facilitar o uso de um sistema computacional
 Utilizar o hardware disponível de forma eficiente

4. Estrutura de um sistema computacional
 Os sistemas computacionais podem ser
divididos em quatro componentes
 Usuários
 Aplicativos
 Sistema Operacional
 Hardware

5. Definição de sistema operacional
 Não háuma definiç ão universalmente aceita
 “Tudo que o vendedor entrega quanto você
compra um sistema operacional” é uma boa
aproximaç ão
 Varia amplamente
 “O programa que estáem execuç ão o tempo todo
no computador” é o núcleo
 Todo o resto são programas de sistema (vêm junto
com o SO) ou aplicativos.

6. Definição de sistema operacional
 SO é um a alocador de recursos
 Gerencia todos os recursos da máquina
 Decide entre requisiç ões conflitantes de forma a
fazer uso eficiente e justo dos recursos
 SO é um programa de controle
 Controla a execuç ão dos programas para
prevenir erros e uso indevido do computador

7. Organização de um sistema computacional
 Um ou mais CPUs e controladores de dispositivos
conectados através de um barramento único que provê
acesso a uma memó ria compartilhada
 Execuç ão concorrente das CPUs e dispositivos competindo por
ciclos de acesso à memó ria

8. Operação de um sistema computacional
 Dispositivos de E/S e CPU podem executar
concorrentemente
 Cada controlador de dispositivo possui um buffer local
 Operaç ões de E/S são realizadas do dispositivo para o
buffer local do seu controlador
 O controlador de dispositivo informa à CPU quando
termina de realizar uma operaç ão de E/S através de
uma interrupç ão
 O CPU move dados entre a memó ria principal e
os buffers locais dos controladores (nem
sempre!)

9. Funcionamento das interrupções
 A ocorrência de uma interrupç ão transfere o
controle para uma rotina de tratamento de
interrupç ão,
 É preciso salvar o endereç o da instruç ão
interrompida
 A ocorrência de novas interrupç ões fica desabilitada
enquanto uma interrupç ão estásendo processada
 Um trap é uma interrupç ão gerada por software
 Um sistema operacional é baseado em
interrupç ões !

10. Tratamento de interrupções
 O sistema operacional preserva o estado da CPU
armazenando seus registradores e o contador de
programa
 Determina que tipo de interrupç ão ocorreu:
 Polling
 Sistema vetorial
 Segmentos separados de có digo determinam que
aç ões devem ser tomadas para cada tipo de
interrupç ão

11. Timeline de uma interrupção

12. Estrutura de E/S
 E/S síncrona: o controle retorna para o programa do
usuário somente apó s a conclusão da operaç ão
 No máximo uma operaç ão de E/S em execuç ão por vez
 Não háparalelismo de E/S
 E/S assíncrona: o controle retorna para o programa do
usuário antes da conclusão da operaç ão
 Interrupç ões são utilizadas para informar o programa do
usuário sobre conclusão das operaç ões de E/S
 O programa do usuário pode utilizar uma chamada de sistema
para esperar explicitamente pela conclusão de uma operaç ão
de E/S

13. Estrutura para acesso direto à
memória
 Utilizado por dispositivos de E/S rápidos,
capazes de transmitir dados a velocidades
pró ximas a da memó ria principal
 O controlador de dispositivo transfere blocos
de dados diretamente do buffer local para a
memó ria principal sem intervenç ão da CPU

14. Estrutura da armazenamento
 Memó ria principal: única unidade de memó ria de
alta capacidade acessada diretamente pela CPU
 Armazenamento secundário: extensão não volátil e
de alta capacidade da memó ria principal
 Discos magnéticos: pratos rígidos de metal ou
vidro cobertos por um material magnético gravável
 A superfície do disco é dividida logicamente em
trilhas, que são subdivididas em setores
 O controlador de disco determine a interaç ão
ló gica entre o dispositivo e o computador

15. Hierarquia de armazenamento
 Sistemas de armazenamento são organizados
de forma hierárquica
 Velocidade
 Custo
 Volatilidade
 Cache: có pia armazenada em uma memó ria
mais rápida; a memó ria principal pode ser
vista com um cache para dispositivos de
armazenamento secundário

16. Hierarquia de dispositivos de
armazenamento

17. Cache
 Princípio muito importante, realizado em vários níveis diferentes em
um computador (hardware, sistemas operacional, software)
 Os dados em uso são copiados de um armazenamento mais lento
para um mais rápido
 O dispositivo mais rápido (cache) é consultado primeiro para
determinar se os dados estão disponíveis
 Se estão, os dados são utilizados diretamente do cache (rápido)
 Se não, os dados são copiados para o cache e utilizados a partir dele
 O cache tem menor capacidade do que o dispositivo mais lento
associado
 Gerenciamento de cache é um importante problema de projeto
 Políticas para tamanho do cache e substituiç ão de dados

18. Arquitetura de um sistema computacional
 A maioria dos sistemas utiliza um único processador de
propó sito geral (de PDAs a mainframes)
 A maioria dos sistemas possuem também processadores de
propó sito específico
 Multiprocessadores têm aumentando em uso e em importância
 Também conhecidos como sistemas paralelos, sistemas de alto
acoplamento
 Vantagens incluem
1. Maior vazão (throughput)
2. Economia de escala
3. Maior confiabilidade: degradaç ão suave ou tolerância a falhas
 Dois tipos
1. Multi-processamento Assimétrico
2. Multi-processamento Simétrico

19. Arquitetura de multi-processamento simétrico

20. Dual-Core

21. Clusters
 Como multiprocessadores, porém formado por
múltiplos sistemas trabalhando juntos
 Geralmente compartilham armazenamento através
de uma rede
 Fornece um serviç o com alta disponibilidade, que
sobrevive a falhas
 Clusters são comumente utilizados para computaç ão
de alto desempenho (HPC)
 As aplicações precisam ser projetadas para explorar o
paralelismo!

22. Estrutura do sistema operacional
 Multiprogramaç ão é necessária para garantir uso
eficiente dos recursos
 Um único usuário não consegue manter a CPU e os
dispositivos de E/S ocupados o tempo todo
 Multiprogramaç ão organiza jobs (có digo e dados) de
forma a permitir que a CPU sempre tenha algo para
executar
 Um subconjunto de todos os jobs do sistema é mantido em
memó ria
 Um dos jobs é selecionado para executar por um
escalonador de jobs
 Quando o job precisar esperar por algo (E/S, por exemplo), o
SO passa a executar outro job

23. Estrutura do sistema operacional
 Compartilhamento de tempo (multi-tarefas)
 Rápida alternância da CPU entre vários jobs
 Fundamental para a computaç ão interativa
 Tempo de resposta deve ser << 1 segundo
 Cada usuário tem pelo menos um programa executando na
memó ria: processo
 Se vários jobs estão prontos para serem executados ao
mesmo tempo: escalonamento de CPU
 Se os processos não cabem na memó ria, swap os move
(parcialmente) para fora e para dentro da memó ria quando
necessário
 Memó ria Virtual permite que um processo possa ser
executado sem estar totalmente carregado na memó ria
principal

24. Layout de memória para sistemas
multiprogramados

25. Operação do sistema operacional
 Comunicaç ão baseada em eventos
 Interrupç ões geradas pelo hardware
 Traps gerados por software
 Requisiç ão de um serviç o do sistema operacional
 Divisão por zero, loops infinitos, processos modificando/acessando
memó ria de outros processos ou do sistema operacional, etc
 Operaç ão em dual-mode permite que o SO se proteja
e proteja outros componentes do sistema
 Modo usuário e modo kernel
 Bit de modo fornecido pelo hardware
 Permite distinguir quando o sistema estáexecutando có digo do
usuário ou có digo do núcleo
 Algumas instruç ões são designadas como privilegiadas,
executadas apenas em modo kernel
 Uma chamada de sistema altera para modo kernel, retorno da
chamada altera de volta para modo usuário

26. Transição do modo usuário para o
modo kernel
 Timer para prevenir loops infinitos / processos
sobrecarregando os recursos
 Agenda a ocorrência de uma interrupç ão
 Sistema Operacional decrementa um contador
 Quando chega a zero, ocorre uma interrupç ão
 Configurado antes de ativar o processo para reobter o controle
ou encerrar um processo que exceda o tempo permitido

27. Gerenciamento de processos
 Um processo é um programa em execução
 É uma unidade de trabalho no sistema
 Um programa é uma entidade passiva e um processo é uma entidade ativa
 Precisam de recursos para desempenhar sua tarefa
 CPU, memó ria, E/S, arquivos, dados de inicializaç ão
 Finalizaç ão de um processo requer liberaç ão de recursos reutilizáveis
 Mono-threaded versus multi-threaded
 Único thread = um único contador de programa
 Múltiplos threads = um contador de programa por thread
 Tipicamente um sistema possue vários processos, algum
usuário e algum sistema operacional executando
concorrentemente em uma ou mais CPUs

28. Funções do gerenciamento de processos
 Criaç ão e remoç ão de processos do usuário e do
sistema
 Suspender e reiniciar a execuç ão de processos
 Prover mecanismos para permitir a sincronizaç ão entre
processos
 Prover mecanismos para permitir a comunicaç ão entre
processos
 Prover mecanismos para lidar com deadlocks

29. Gerenciamento de memória
 Todos os dados na memó ria antes e depois de sua utilização
 Todas as instruções na memó ria para serem executadas
 O gerenciamento de memó ria determina o que estána
memó ria
 Tarefas
 Manter um registro sobre que partes da memó ria estão sendo
atualmente utilizados e por quem estão sendo utilizadas
 Decidir que processo (ou partes de processos) e dados mover para
dentro e para fora da memó ria
 Alocar e liberar espaç o de memó ria de acordo com a necessidade

30. Gerenciamento de armazenamento
 SO provêuma visão ló gica uniforme para o armazenamento de
informaç ões
 Abstrai propriedades físicas em unidades ló gicas de armazenamento:
arquivo
 Cada mídia é controlada por um dispositivo (ex., drive de disco, drive de
fita)
 As propriedades variáveis incluem velocidade de acesso, capacidade, taxa de
transferência, método de acesso (sequencial ou aleató rio)
 Gerenciamento do sistema de arquivos
 Arquivos geralmente organizados em diretó rios
 Controle de acesso na maioria dos sistemas determina quem pode
acessar o que
 Atividades do SO incluem
 Criar e remover arquivos e diretó rios
 Primitivas para manipular arquivos e diretó rios
 Mapear arquivos no armazenamento secundário
 Fazer backup de arquivos em mídias de armazenamento não volátil

31. Gerenciamento de armazenamento de
massa
 Discos são geralmente utilizados para armazenar dados que não cabem na
memó ria principal ou que devem ser mantidos por um “longo” período de
tempo
 Um gerenciamento correto é de fundamental importância neste cenário
 A velocidade de todo o sistema computacional depende das engrenagens envolvidas
na operaç ão do sub-sistema de disco e de seus algoritmos
 Atividades do SO
 Gerenciamento do espaç o livre
 Alocaç ão de armazenamento
 Escalonamento de disco
 Algumas mídias de armazenamento não precisam ser rápidas
 Armazenamento terciário inclui armazenamento ó tico, fitas magnéticas
 Mas ainda assim precisa ser gerenciado
 Variam entre WORM (write-once, read-many-times) e RW (read-write)

32. Migração de um inteiro do disco para um
registrador
 Ambientes multi-tarefa precisam ter o cuidado de utilizar os
valores mais recentes, não importando onde eles se
encontram na hierarquia de armazenamento
 Um ambiente com múltiplos processadores precisa prover
coerência de cache em hardware para garantir que todos
as CPUs tenham o valor mais recente em seus caches
 Em ambientes distribuídos a situação é ainda mais
complexas
 Podem existir várias có pias completas dos dados

33. Subsistema de E/S
 Uma das funç ões do SO é esconder
peculiaridades do hardware de seus usuários
 O subsistema de E/S é responsável por
 Gerenciamento da memó ria de E/S, incluindo
buffers, cache e spooling (a sobreposiç ão da
saída de uma job com a entrada de outros)
 Interface comum para drivers de dispositivo
 Drivers para dispositivos específicos de hardware

34. Proteção e segurança
 Proteç ão: qualquer mecanismo para controlar o acesso de
processos ou usuários aos recursos definidos pelo SO
 Seguranç a: defesa do sistema contra ataques internos ou
externos
 Incluindo negaç ão de serviç o, vermes, vírus, roubo de identidade
 Os sistemas geralmente distinguem os usuários para
determinar quem pode fazer o que
 A identificaç ão dos usuários inclui nome e um número associado
 Essa identificaç ão é então associada com todos os arquivos e
processos desse usuário para determinar o controle de acesso
 Identificaç ão de grupos permite a definiç ão de conjuntos de usuários
e sua associaç ão com processos e arquivos
 Mecanismos para mudanç a de privilé gio permitem que usuários
possam ganhar mais privilégios de acesso