1 conceitos e estrutura do so prof. alexandre monteiro recife

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Conceitos e Estrutura do SO

Prof. Alexandre Monteiro

Recife

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Prof. Guilherme Alexandre Monteiro Reinaldo

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Agenda

•Revisão sobre hardware de computadores

•Conceitos sobre Sistemas Operacionais

•Chamadas ao sistema

•Estrutura de Sistemas Operacionais

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Revisão sobre hardware de computadores (1)

Componentes de um computador pessoal simples

Processador

É o cérebro do computador – CPU.

Ciclo Básico do Processador

1. Busca a 1ª instrução da memória;

2. Decodifica para determinar seus operandos e qual operação executar;

3. Executa as operações subsequentes. O ciclo é repetido até que o programa pare.

Cada CPU tem um conjunto específico de instruções.

MMU (memory management unit): unidade de gerenciamento de memória.

Processador Clock (ciclo de instrução) Um computador é algo que possui funções, tarefas e

coisas a fazer, ele precisa de um sinal de relógio para sincronizar as suas operações, assim como nós mesmos precisamos sincronizar as nossas.

Esse relógio é chamado de CLOCK, e ele é gerado por um oscilador eletrônico que fornece uma sequência ininterrupta de pulsos com períodos constantes.

A isso chamamos, de frequência. Portanto, quando falamos que um computador possui tanto de Hertz(Hz), estamos falando da velocidade que ele processa ou sincroniza algo.

Processador Clock (ciclo de instrução) A cada intervalo de tempo T, que corresponde a um

período do sinal de clock, dá-se o nome de estado.

O estado é a unidade básica de tempo do microprocessador.

Cada instrução demora um número inteiro de estado para a sua completa execução.

Algumas instruções podem ter 4 estados, isto é, demoram 4 períodos do sinal de clock, outras podem chegar a ter 18 estados.

Por exemplo: O tempo gasto para processar uma instrução de 7 estados no microprocessador 8085 com um cristal que fornece um sinal externo do oscilador de 6,144 MHz é de , 2,28 microsegundos, pois a frequência do sinal de clock é de 3,072 MHz e o período, que corresponde ao estado, é de 325,52 ns(nano segundos).

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(a) Um pipeline de três estágios

(b) Uma CPU superescalar

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Típica hierarquia de memória• números mostrados são apenas aproximações

Registradores

Registradores de propósito geral: armazena variáveis importantes e resultados temporários

Contador de Programas: contém o endereço de memória da próxima instrução a ser buscada. Depois que busca é atualizado para apontar a próxima instrução.

Ponteiro de Pilha: aponta para o topo da pilha atual na memória. A pilha contém uma instrução

PSW (program status word – palavra de estado do programa): contém os bits de códigos de condições de instruções de comparação, pelo nível de prioridade da CPU.

Registrador Ponteiro de Pilha

Cache (L1, L2), RAM e ROM

Cache: Memória extremamente rápida e cara.

• Cache hit vs. Cache Miss Cache L1 (16KB): dentro da CPU, decodifica instruções;

Cache L2 (4MB): armazena memória recente, mais lenta.

Memória RAM (4GB): volátil.

Memória CMOS: data/hora, disco de boot.

Memória ROM: boot, placas.

Memória Flash (portáteis): intermediária entre a RAM e a de disco

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Cache

(a) Chip quad-core com cache L2 compartilhada.

(b) Chip quad-core com cache L2 separada.

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Revisão sobre hardware de computadores(4)

Estrutura de uma unidade de disco (1 TB)

Setores de 512 bytes / 5400, 7200 e 10800 rpm /

braço setor – 1ms / braço disco – 5 a 10 ms

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(a) Passos para iniciar um dispositivo de E/S e obter uma interrupção

(b) Como a CPU é interrompida

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Revisão sobre hardware de computadores(7)

Barramentos (8): Estrutura de um sistema Pentium grande

BUS – Barramento Serial Universal

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Uma árvore de processos

• A criou dois processos filhos: B e C• B criou três processos filhos: D, E, e F

Conceitos sobre Sistemas Operacionais (1)

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(a) Um deadlock potencial. (b) um deadlock real.


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Sistema de arquivos de um departamento universitário

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Antes da montagem, • os arquivos do disco flexível são inacessíveis

Depois da montagem do disco flexível em b,• os arquivos do disco fazem parte da hierarquia de arquivos

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Dois processos conectados por um pipe

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Interfaces de um Sistema Operacional

Usuário – SO:

• Shell ou Interpretador de comandos

• GUI

Programas – SO:

• Chamadas ao Sistema

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Conceitos BásicosChamadas ao Sistema (System Call) Modos de Acesso:

• Modo usuário;• Modo kernel ou Supervisor ou Núcleo;• São determinados por um conjunto de bits localizados

no registrador de status do processador: PSW (program status word);

- Por meio desse registrador, o hardware verifica se a instrução pode ou não ser executada pela aplicação;

• Protege o próprio kernel do Sistema Operacional na RAM contra acessos indevidos;

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Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema (System Call) Modo usuário:

• Aplicações não têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware;

• Quando o processador trabalha no modo usuário, a aplicação só pode executar instruções sem privilégios, com um acesso reduzido de instruções;

• Por que? Para garantir a segurança e a integridade do sistema;

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Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema (System Call) Modo Kernel:

• Aplicações têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware;

• Operações com privilégios;• Quando o processador trabalha no modo kernel, a aplicação tem acesso ao conjunto total de instruções;

• Apenas o SO tem acesso às instruções privilegiadas;

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Conceitos Básicos Chamadas de Sistema (System Call) Se uma aplicação precisa realizar alguma instrução

privilegiada, ela realiza uma chamada ao sistema (system call), que altera do modo usuário para o modo kernel;

Chamadas de sistemas são a porta de entrada para o modo Kernel;

• São a interface entre os programas do usuário no modo usuário e o Sistema Operacional no modo kernel;

• As chamadas diferem de SO para SO, no entanto, os conceitos relacionados às chamadas são similares independentemente do SO;

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Conceitos Básicos Chamadas de Sistema TRAP: instrução que permite o acesso ao modo

kernel;

Exemplo:

• Instrução do UNIX: count = read(fd,buffer,nbytes);

Arquivo a ser lido

Ponteiro para o Buffer

Bytes a serem lidos

O programa sempre deve checar o retorno da chamada de sistema para saber se algum erro ocorreu!!!

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Chamadas ao Sistema

Endereço 0

Retorno

Colocar o código para read no registrador

TRAP

Empilha nbytes

Incrementa SPComando read

Empilha fdEmpilha &buffer

Manipulador de Chamadas

Dispatch

Endereço0xFFFFFFFFF

Biblioteca do ProcedimentoREAD

Chamada ao ProcedimentoREAD

Kernel SO

Espaço do

Usuário

1

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4

5

6

7 8

9

10

Tabela de ponteiros para Chamadas

11

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11 Passos de uma Chamada ao Sistema read (fd, buffer, nbytes)

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Algumas Chamadas ao Sistema para Gerenciamento de Processos

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Algumas Chamadas ao Sistema para Gerenciamento de Arquivos

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Algumas Chamadas ao Sistemapara Gerenciamento de Diretório

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Algumas Chamadas ao Sistemapara Tarefas Diversas

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Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema

Chamadas da interface. Unix x Windows:• Unix

- Chamadas da interface muito semelhantes às chamadas ao sistema

- ~100 chamadas a procedimentos

Retorno

Colocar o código para read no registrador

TRAP

Empilha nbytes

Incrementa SPComando read

Empilha fdEmpilha &buffer

Manipulador de Chamadas

Dispatch

Windows Chamadas da interface

totalmente diferente das chamadas ao sistema

APIWin32 (Application Program Interface)

Padrão de acesso ao sistema operacional

Facilita a compatibilidade Possui milhares de procedimentos

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Chamadas ao Sistema (1)

O interior de um shell:

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Os processos têm três segmentos:

texto, dados e pilha

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(a) Dois diretórios antes da ligação de /usr/jim/memo ao diretório /usr/ast/note

link(“/usr/jim/memo”, “/usr/ast/note”)

(b) Os mesmos diretórios depois dessa ligação

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(a) Sistema de arquivos antes da montagem

(b) Sistema de arquivos depois da montagem

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Algumas chamadas da interface API Win32

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Baseados em Kernel (núcleo) Kernel é o núcleo do Sistema Operacional

Provê um conjunto de funcionalidades e serviços que suportam várias outras funcionalidades do SO

O restante do SO é organizado em um conjunto de rotinas não-kernel

Kernel

Hardware

Rotinas não kernel

Interface com usuário

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Estrutura dos Sistemas Operacionais

Principais tipos de estruturas:

• Monolíticos;• Em camadas;• Máquinas Virtuais;• Arquitetura Micro-kernel;• Cliente-Servidor;

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Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico Os serviços (chamadas) requisitados ao sistema são

realizados por meio da colocação de parâmetros em registradores ou pilhas de serviços seguida da execução de uma instrução chamada TRAP;

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Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico Todos os módulos do sistema são compilados

individualmente e depois ligados uns aos outros em um único arquivo-objeto;

O Sistema Operacional é um conjunto de processos que podem interagir entre si a qualquer momento sempre que necessário;

Cada processo possui uma interface bem definida com relação aos parâmetros e resultados para facilitar a comunicação com os outros processos;

Simples; Primeiros sistemas UNIX e MS-DOS;

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Estrutura de Sistemas Operacionais (1)

Modelo simples de estruturação

de um sistema monolítico

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Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico

M odo kernel

ap lica ção ap lica ção

M odo u suá rio

System ca ll

H a rdw are

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Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico

Programas de usuáriorodam em modo usuário

Rotinas do SO rodam em modo kernelProcedimentos de

Serviço

Programa de usuário 2

Programa de usuário 1 Chamada ao sistema (kernel)

Mem

ória

Pri

nci

pal

1

2

TRAP 3

Tabela de Escalonamento

4

Procedimentos de Serviços

Implementação de uma Chamada de Sistema

chaveamento da máquina do modo usuário para o modo kernel e transferência do controle para o Sistema

Operacional

Sistema Operacional examina os parâmetros da chamada para determinar qual procedimento

deve ser executado

SO indexa em uma tabela um ponteiro para o processo responsável

pela execução

a chamada é concluída e o controle volta ao programa

do usuário

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Em camadas Possui uma hierarquia de níveis;

Primeiro sistema em camadas: THE (idealizado por E.W. Dijkstra);

• Possuía 6 camadas, cada qual com uma função diferente;

• Sistema em batch simples;

Vantagem: isolar as funções do sistema operacional, facilitando manutenção e depuração

Desvantagem: cada nova camada implica uma mudança no modo de acesso

Atualmente: modelo de 2 camadas

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Em camadas

Fornecimento de Serviços

Camadas definidas no THE

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Idéia em 1960 com a IBM VM/370;

Modelo de máquina virtual cria um nível intermediário entre o SO e o Hardware;

Esse nível cria diversas máquinas virtuais independentes e isoladas, onde cada máquina oferece um cópia virtual do hardware, incluindo modos de acesso, interrupções, dispositivos de E/S, etc.;

Cada máquina virtual pode ter seu próprio SO;

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Principais conceitos:

• Monitor da Máquina Virtual (VMM): roda sobre o hardware e implementa multiprogramação fornecendo várias máquinas virtuais é o coração do sistema;

• CMS (Conversational Monitor System):- TimeSharing;- Executa chamadas ao Sistema Operacional;

• Máquinas virtuais são cópias do hardware, incluindo os modos kernel e usuário;

• Cada máquina pode rodar um Sistema Operacional diferente;

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual

Instruções de E/S

Hardware (VMM)

VM/370

CMS CMSCMS

Cópias virtuais do 370s

TRAP

Chamadas ao sistema

TRAP

Monitor da Máquina Virtualroda sobre o hardware e

implementa multiprogramação

TimeSharing; Chamadas ao Sistema

Cada máquina pode rodar um Sistema

Operacional diferente

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A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes:

• Programas MS-DOS: rodam em computadores 32bits;

- As chamadas feitas pelo MS-DOS ao Sistema Operacional eram realizadas e monitoradas pelo monitor da máquina virtual (VMM);

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• Programas JAVA (Máquina Virtual Java-JVM): o compilador Java produz código para a JVM (bytecode). Esse código é executado pelo interpretador Java:

- Programas Java rodam em qualquer plataforma, independentemente do Sistema Operacional;

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• Computação em nuvem- Virtualização dos servidores simula diferentes ambientes em

servidores físicos

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Vantagens

• Flexibilidade; Desvantagem:

• Simular diversas máquinas virtuais não é uma tarefa simples sobrecarga;

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Micro-Kernel

M odo kernel

M odo u suá rio

M icrokernel

H a rdw are

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Reduzir o Sistema Operacional a um nível mais

simples:

• Kernel: implementa a comunicação entre processos clientes e processos servidores Núcleo mínimo;

• Maior parte do Sistema Operacional está implementado como processos de usuários (nível mais alto de abstração);

• Sistemas Operacionais Modernos;

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor

Cada processo servidor trata de uma tarefa

• Os processos servidores não têm acesso direto ao hardware. Assim, se algum problema ocorrer com algum desses servidores, o hardware não é afetado;

• O mesmo não se aplica aos serviços que controlam os dispositivos de E/S, pois essa é uma tarefa difícil de ser realizada no modo usuário devido à limitação de endereçamento. Sendo assim, essa tarefa ainda é feita no kernel.

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Adaptável para Sistemas Distribuídos;

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Linux

• Monolítico +Módulos

Windows• Microkernel + Camadas + Módulos

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Tarefa para casa.....

Ler capítulo 1 do Tanenbaum

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Unidades Métricas

Os prefixos métricos

Referências

Sistemas Operacionais Modernos – 3ª Edição. A. Tanenbaum, 2008.

Modern Operating Systems 3 e. Prentice-Hall, 2008.

1 conceitos e estrutura do so prof. alexandre monteiro recife

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