Sistemas Operacionais

Sistemas Operacionais

3º- Aula

Organização do computador

Inicialização

Bootstrap ou Programa de Inicialização Armazenado em firmware (ROM, EEPROM) Inicializa e testa hardware Carrega o núcleo do sistema operacional

(kernel) Primeiros processos são carregados Espera-se a ocorrência de algum evento

Ocorrência de Eventos

Interrupção de Hardware Sinal enviado à UCP por meio do barramento

Interrupção de Software Chamada de Sistema (System Call) Chamada ao Monitor (Monitor Call)

Tratamento de Interrupções

Ao receber uma interrupção a UCP Interrompe a tarefa atual Transfere execução para endereço fixo na

memória Este endereço contém o endereço inicial da rotina de

atendimento da interrupção Retoma a tarefa interrompida

Quantidade de interrupções limitada e pré-definida

Vetor de Interrupções

Componentes do Sistema

Interação do usuário com o Sistema Operacional Em geral por meio de uma aplicação especial chamada shell

Núcleo (kernel) Software que contém componentes centrais do Sistema Operacional

Dentre os componentes mais comuns do sistema operacional encontra se Gerência de Processos Gerência da Memória Gerência de Arquivos Gerência Secundária Gerenciador de E/S Redes Sistema de Proteção Interpretador de Comandos Gerenciador de comunicação interprocessos (IPC)

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

Processos - Mecanismos de Interrupção

Estabelece um sistema de sinalização de ocorrência de eventos

Proteção entre processos• Impede situações de erros catastróficos

Processos - Definições

Processos são uma abstração para programa em execução Também chamado de tarefa, “task” ou “job”

Programa Entidade estática e permanente Invariável do ponto de vista do SO

Processo Entidade ativa e dinâmica

Possui estados que se alternam no tempo

Constituído de código, dados, contexto e recursos do sistema

Processos - Definições

Instâncias de programas Vários processos podem ser instâncias diferentes

de um mesmo processo Mesmo código, porem dados e contexto de

execução diferentes Processos são a forma com o SO vê programas

Processos executam Programas do usuário Programas de apoio ao SO

Estados de um Processos

Só um processo pode ser executado a cada instante Manter uma fila de processos em espera de

execução Selecionar periodicamente um novo processos da

fila para execução

Prevenir que um processo monopolize o processador

Estados de um Processos

Transições de estado

Criação Um novo processo é criado• Recursos são

atribuído Execução é necessariamente imediata Apto → Execução Processo é escolhido para execução Depende da política de escalonamento Execução → Término Evento de termino

Processos em Execução– CPU x E/S bound

Transições de estado

Execução → Apto Tempo máximo de execução sem interrupção foi atingida; Processo é “preemptado” pelo SO

Execução → Bloqueado Processo requisitou recurso/evento pelo qual deve

esperar. Bloqueado → Apto

– Recurso disponível ou ocorrência do evento • Apto → Término e Bloqueado → Término

Processo pai termina um processo filho Processo pai é terminado, e os processos filhos

associados são também finalizados.

Suspensão de Processos

Processador é muito mais rápido que os dispositivos de E/S todos os processos em memória poderiam ficar em

situação de espera. Ociosidade do processador Aumento de memória para acomodar mais processos

• SOLUÇÃO Liberar memória ocupado por processos bloqueados • Transferência dos processos para o disco (swapping) • Necessidade de novos estados Estado suspenso (processo no disco)

Suspensão de Processos

Processos Unix

Processos Windows

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 Tratar do Swapping entre memória principal e memória secundária.

Transferência temporária de processos residentes na memória principal para memória secundária.

Memória

Tipos de memória

Memória principal: também chamadas de memória real, são memórias que o processador pode endereçar diretamente, sem as quais o computador não pode funcionar. Estas fornecem geralmente uma ponte para as secundárias, mas a sua função principal é a de conter a informação necessária para o processador num determinado momento; esta informação pode ser, por exemplo, os programas em execução. Nesta categoria insere-se a memória RAM (volátil), memória ROM (não volátil), registradores e memórias cache.

Memória secundária: memórias que não podem ser endereçadas diretamente, a informação precisa ser carregada em memória principal antes de poder ser tratada pelo processador. Não são estritamente necessárias para a operação do computador. São geralmente não-voláteis, permitindo guardar os dados permanentemente. Incluem-se, nesta categoria, os discos rígidos, CDs, DVDs e disquetes.

Às vezes faz-se uma diferença entre memória secundária e memória terciária. A memória secundária não necessita de operações de montagem (inserção de uma mídia ou média em um dispositivo de leitura/gravação) para acessar os dados, como discos rígidos; a memória terciária depende das operações de montagem, como discos ópticos e fitas magnéticas, entre outros.

Técnicas de Alocação de Memória:

Alocação Contígua Simples; Alocação Particionada Estática;

Alocação Particionada Estática Absoluta; Alocação Particionada Estática Relocável;

Alocação Particionada Dinâmica.

Alocação Contígua Simples

Alocação implementada nos primeiros sistemas e ainda usada nos monoprogramáveis;

A Memória é dividida em duas áreas: Área do Sistema Operacional Área do Usuário

Um usuário não pode usar uma área maior do que a disponível;

Sem proteção: Um usuário pode acessar a área do Sistema Operacional.

Alocação Contígua Simples

Memória principal

Sistema Operacional

Área deProgramas do usuário

Alocação Contígua Simples

Registrador de proteção delimita as áreas do sistema operacional e do usuário;

Sistema verifica acessos à memória em relação ao endereço do registrador;

A forma de alocação era simples, mas não permitia utilização eficiente de processador e memória;

Alocação Contígua Simples

Memória principal

Sistema Operacional

Área deProgramas do usuário

Reg

Alocação Contígua Simples

Programas de usuário limitados pelo tamanho da memória principal disponível.

Solução: Overlay Dividir o programa em módulos; Permitir execução independente de cada módulo, usando

a mesma área de memória;

Área de Overlay Área de memória comum onde módulos compartilham

mesmo espaço.

Alocação Contígua Simples

Memória principal

Sistema Operacional

Área do Módulo Principal

A B C

Alocação Particionada

Multiprogramação. Necessidade do uso da memória por vários usuários

simultaneamente.

Ocupação mais eficiente do processador; A memória foi dividida em pedaços de tamanho fixo

chamados partições; O tamanho de cada partição era estabelecido na

inicialização do sistema; Para alteração do particionamento, era necessário

uma nova inicialização com uma nova configuração

Alocação Particionada Estática

Alocação Particionada Estática Absoluta: Compiladores gerando código absoluto;

Endereços relativos ao início da memória;

Programas exclusivos para partições específicas.

Alocação Particionada Estática Relocável: Compiladores gerando código relocável;

Endereços relativos ao início da partição;

Programas podem rodar em qualquer partição.

Algoritmos para localização em memória (Curiosidade) O algoritmo de busca "best-first" usa a

função heurística F(n)=h(n) de procura ao nó de destino. Esta procura tenta expandir o nó que é mais próximo ao objetivo, acreditando numa condução rápida ao objetivo.

A heuristica é aplicada globalmente, isto é, o caminho a ser seguido é selecionado entre todos os nodos abertos até o momento, O nodo aberto com a melhor nota é escolhido para a expansão

Algoritmos para localização em memória (Curiosidade) Worst-fit é um algoritmo utilizado na partição de

disco rígido.Função O algoritmo worst-fit aloca o programa na pior partição, ou

seja, aquela que deixa o maior espaço livre. Está técnica, apesar de aproveitar primeiro as partições

maiores, acaba deixando espaços livres grandes o suficiente para que outros programas utilizem da memória, diminuindo ou retardando a fragmentação.

Algoritmos para localização em memória (Curiosidade) Next-fit é um algoritmo utilizado para partição de

disco rígido.

Processo Algoritmo para partição dinâmica que inicia a busca

a partir da posição da última alocação até encontrar o primeiro bloco, mais freqüentemente são alocados blocos de tamanho grande.

Grandes blocos são particionados em blocos menores e existe a necessidade de compactação quando não houver mais memória disponível.

Algoritmos para localização em memória (curiosidade) First Fit é um algoritmo utilizado por sistemas operacionais para

decidir em que local da memória um processo deve ser alocado. Ele funciona escolhendo sempre o primeiro espaço vazio na

memória que caiba o processo. Tem um tempo médio de espera entre processos relativamente baixo, principalmente se levado em conta sua facilidade de implementação. É mais eficaz que o Best Fit e menos que o Worst Fit.

O algoritmo Next Fit é um melhoramento do First Fit. Exemplo: Existem os seguintes espaços livres: 11k, 3k, 19k, 18k, 7k,

8k, 13k, 15k. Se o First-Fit for utilizado, as solicitações 5k, 12k, 6k, ocupariam os espaços 11k, 19k, 18k respectivamente.

Gerência de Memória

Mapeamento da Memória com listas ligadas: Best-Fit (melhor alocação):

Espaço mais próximo do tamanho do processo; Tempo de busca grande; Provoca fragmentação.

Worst-Fit (pior alocação): Cria o maior espaço possível; Tempo de busca grande; Não apresenta bons resultados.

First-Fit (primeira alocação): Melhor performance.

Next-Fit (proxima alocação): Performance inferior ao First-Fit.

Gerência de Memória

Considerações sobre Mapeamento da Memória com listas ligadas : Todos melhoram em performance se existirem

listas distintas para processos e espaços, embora o algoritmo fique mais complexo.

Listas ordenadas por tamanho de espaço melhoram a performance.

Lista Ligadas

Swapping

Os processos ficavam na memória principal, mesmo se bloqueados pela espera de algum evento.

Solução: Swapping. Técnica para resolver problema de processos que

aguardam por espaço livre adequado; Processos não ficam mais na memória o tempo

todo.

Swapping

Problema gerado pelo Swapping: Relocação de processos:

O tempo gasto com relocação é alto; Um mesmo processo sendo Swapped-Out repetidas

vezes gera um alto consumo de CPU.

Swapping

Vantagens da técnica de Swapping: Permite maior compartilhamento da memória; Aumento no Throughput (quantidade de

processos executados por unidade de tempo);

Eficiente para sistemas com poucos usuários e pequenas aplicações;

Problema: custo do Swapping (in/out).

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

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

Estrutura de E/S

UCP e controladores de dispositivos ligados por barramento comum Quantidade de dispositivos por controlador IDE SCSI

Controladores de dispositivos Buffer local Registradores específicos

Estrutura de E/S (cont)

Controladores movem dados entre periféricos e buffer local

Sistemas Operacionais têm um driver de dispositivo para cada controlador de dispositivo

Operação de E/S

Drivers de dispositivo carrega registradores para o controlador de dispositivo

Controlador usa registradores para determinar ação Controlador transfere dados do dispositivo para

buffer local Ao concluir, controlador avisa ao driver via

interrupção Driver avisa sistema operacional DMA ( acesso direto a memória – Directy merory

access )

Placa mãe

Buffer

Um buffer é uma pequena área de memória ultra-rápida usada para melhorar a velocidade de acesso a um determinado dispositivo. É encontrado em HDs, gravadores de CD, modems, e muitos outros. Apesar de serem sinônimos, o termo "buffer" é mais usado em relação aos dispositivos anteriormente citados enquanto o termo "cache" é mais usado com relação aos processadores e memória RAM.

Embora não seja tão importante para o desempenho quanto geralmente se pensa, o buffer permite à controladora do HD executar um conjunto de operações úteis para melhorar o desempenho.

Geralmente ao ler um arquivo, serão lidos vários setores seqüenciais. A forma mais rápida de fazer isso é, naturalmente, fazer com que a

cabeça de leitura leia de uma vez todos os setores da trilha, passe para a trilha seguinte, passe para a terceira e assim por diante. Isso permite obter o melhor desempenho possível.

Cache

Na área da computação, cache é um dispositivo de acesso rápido, interno a um sistema, que serve de intermediário entre um operador de um processo e o dispositivo de armazenamento ao qual esse operador acede. A vantagem principal na utilização de uma cache consiste em evitar o acesso ao dispositivo de armazenamento - que pode ser demorado -, armazenando os dados em meios de acesso mais rápidos

spooling

Spooling ou simplesmente Spool (do acrônimo Simultaneous Peripheral Operation Online) refere-se a um processo de tranferência de dados colocando-os em uma área de trabalho temporária onde outro programa pode acessa-lo para processa-lo em um tempo futuro. A técnica de Spooling consistem em colocar jobs em um buffer, uma área da memória ou de um disco onde um dispositivo pode acessa-la quando estiver preparada. O Spooling é útil porque os dispositivos acessam dados em diferentes velocidades, o buffer provê uma estação de espera onde o dado pode ficar armazenado enquanto o dispositivo mais lento fica carregando. O mais comum exemplo de spooling é o da impressora.

Como a impressora é um periférico muito mais lento que o microcomputador, este teria de ficar esperando a impressão terminar para, então, executar uma nova tarefa. Para resolver esse problema, a maioria das impressoras tem um buffer, ou seja, uma memória interna utilizada para armazenar temporariamente os dados que estão vindo do microcomputador. Com isso, os dados são transferidos do microcomputador para o buffer, liberando o micro mais rapidamente. Quanto maior o buffer da impressora, mais cedo esta liberará o micro.

Gerência de I/O (entrada e saída)

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

Gerência de I/O

Processador

Armazenamento

ControladorDe Disco

Área detransferência

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

Modo Dual (turma de sexta)

Distinguir execução de código do Sistema Operacional e código do usuário

Modo Usuário e Modo do Sistema (Monitor, Supervisor, Privilegiado ou Kernel)

Transição de modos

Modo Dual (cont)

No boot, hardware opera em Modo Monitor Modo dual protege o sistema operacional contra

usuários mal intencionados e um usuário do outro. Instruções que podem causar danos são instruçõe Privilegiadas, executadas apenas em Modo Monitor Intel 8088 não possuia suporte para o modo dual.

MSDOS escrito para ele não o implementava, portanto

Temporizador

Garantir que o Sistema Operacional tenha controle sobre a UCP

Garantir retomada de controle pelo Sistema Operacional

Temporizadores enviam interrupções após períodos de tempo especificados Fixos ou variáveis

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

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

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

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

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

CATEGORIAS DE SISTEMAS OPERACIONAIS O sistema operacional deve ser capaz de

fazer mais de uma coisa ao mesmo tempo? O sistema operacional deve funcionar com

apenas um usuário, ou deve aceitar vários usuários simultaneamente?

O sistema operacional deve ser capaz de usar mais de uma CPU?

CATEGORIAS DE SISTEMAS OPERACIONAIS A capacidade que um sistema operacional

tem de controlar mais de uma única tarefa ao mesmo tempo chama-se multitarefa.

O sistema operacional que permite que mais de um usuário use o computador em um determinado momento chama-se multiusuárío.

O sistema operacional que usa mais de uma CPU chama-se sístema multíprocessador.

Boa noite