o papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos sistemas operativos
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Trabalho de pesquisa sobre a evolução dos núcleos dos sistemas operativos e como estes afectam a sua evolução. Trabalho realizado no âmbito da disciplina de SOP(Sistemas Operativos) no ISPGAYA.PF: Mantenham os direitos de autor.TRANSCRIPT
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Instituto Superior Politécnico Gaya Escola Superior de Ciência e Tecnologia
Informática de Gestão Sistemas Operativos
2008/2009
O Papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
Joel Correia Ricardo & César Filipe Cardoso Marques Pinto
Docente: José Augusto Monteiro
25 De Janeiro de 2009
Instituto Superior Politécnico de Gaya | SOP
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
.Índice
.GLOSSÁRIO 5
.LISTA DE SIGLAS 6
.INTRODUÇÃO 7
.DEFININDO NÚCLEO 8
..GENERALIDADES 9
.FUNCIONAMENTO DO NÚCLEO 9
..GESTÃO DE PROCESSOS 9
..GESTÃO DE MEMÓRIA 10
..GESTÃO DE DISPOSITIVOS 11
..CHAMADAS DE SISTEMA 11
.ARQUITECTURAS DE NÚCLEO 12
..NÚCLEO MONOLÍTICO 13
..MICRONÚCLEO 15
..NANONÚCLEO 16
..NÚCLEO HÍBRIDO 16
..EXONÚCLEO 18
.PAPEL DOS DIFERENTES NÚCLEOS NOS SISTEMAS OPERATIVOS 19
.CONSIDERAÇÕES FINAIS 21
.METODOLOGIA DE ESTUDO 22
..TIPO DE PESQUISA 22
..RECOLHA DE DADOS 22
..AGRUPAMENTO DE DADOS 22
..TRATAMENTO DE DADOS 22
..ELABORAÇÃO DO TRABALHO 23
.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 24
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
.Índice de imagens
ILUSTRAÇÃO 1 – TAREFA PRINCIPAL DO NÚCLEO .......................................................................................... 8 ILUSTRAÇÃO 2 – FUNÇÕES DO NÚCLEO ...................................................................................................... 11 ILUSTRAÇÃO 3 – DIFERENTES NÚCLEOS E SEUS APOIANTES ........................................................................ 12 ILUSTRAÇÃO 4 – NÚCLEO MONOLÍTICO ...................................................................................................... 13 ILUSTRAÇÃO 5 - MICRONÚCLEO .................................................................................................................. 15 ILUSTRAÇÃO 6 – NÚCLEO HÍBRIDO ............................................................................................................. 17 ILUSTRAÇÃO 7 - EXONÚCLEO ...................................................................................................................... 18 ILUSTRAÇÃO 8 – CRONOLOGIA NÚCLEO WINDOWS .................................................................................... 19
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
.Glossário
Componente ‐ Material electrónico que faça parte interna de um computador. Por exemplo uma placa gráfica.
Drivers – Ficheiros que identificam o hardware. Estes permitem a comunicação entre o S.O e o hardware. Estes ficheiros são normalmente geridos pelo núcleo.
Hardware ‐ Material físico de um sistema informático. É nele que realmente todas as acções acontecem traduzidas por impulsos eléctricos, magnetismos ou fotões.
Paginação ‐ Método de Virtualização da memória física. Tem a possibilidade de usar o disco rígido como memória. Pode ser também denominado por Swap.
Periférico ‐ Denomina‐se periférico todo aquele equipamento electrónico que esteja em comunicação com o computador e em possível interacção com o utilizador. Por exemplo um rato.
Processador ‐ Também designado por unidade central de processamento é o componente mais importante de um sistema informático. Cabe a este pequeno componente realizar funções de cálculo. Pode‐se considerar o cérebro do sistema informático pois é ele que efectua todas as tomadas de decisão.
Segmentação – Processo utilizado para a distribuição da memória física do computador. Consiste na divisão da memória em segmentos onde são endereçados e utilizados de acordo com código a ser processado.
Software ‐ Sequencia de instruções construídas para interpretar as acções do utilizador. Cabe ao software comunicar com a máquina e gerir as ordens impostas pelo utilizador. É também responsável pela gestão dos recursos da máquina.
Sistema Operativo ‐ Software elaborado de tal forma complexa com a capacidade de gerir todos os componentes físicos e lógicos de um sistema informático.
Servidor ‐ Máquina informática com capacidade de fornecer serviços a uma rede de computadores.
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
.Lista de siglas
S.O. ‐ Sistema Operativo
MIT ‐ Massachusetts Institute of Technology
MMV ‐ Monitor de Máquinas Virtual
C.P.U ‐ Central Processing Unit
GPL ‐ General Public License
API ‐ Application Programming Interface
XNU ‐ X is Not UNIX
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
.Introdução
Este trabalho foca‐se substancialmente no núcleo do sistema operativo.
Serão apresentados os diferentes tipos de núcleo existentes bem como as suas
diferenças e orientações.
Com a evolução da capacidade de processamento, surge cada vez mais a
necessidade de ter um sistema operativo que aproveite ao máximo essa
capacidade. Neste aspecto o desenvolvimento do núcleo, como principal
componente do S.O, tem de acompanhar toda a evolução do hardware.
Não só são apresentadas noções de núcleos como também em paralelo o
funcionamento do sistema operativo é levemente explicado para uma boa
compreensão do assunto central.
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Instituto Superior Politécnico de Gaya | SOP
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
..Generalidades
Como camada de software mais próxima do hardware o núcleo assegura:
1. A comunicação entre o hardware e o software
2. Gestão das ordens do utilizador
3. Gestão dos diversos recursos da máquina
4. Máximo de rendimento possível
A generalidade dos S.O’s é elaborada envolto do núcleo e apoiam toda a gestão
sobre ele. Para o S.O o núcleo administra todo o hardware e é o software com mais
poder sobre o hardware num sistema informático.
.Funcionamento do núcleo
Como já foi dito cabe ao núcleo gerir a globalidade do sistema informático. É
ele que coordena os recursos da máquina para tentar tornar o sistema o mais
eficiente possível. O núcleo pode ser dividido em quatro partes:
1. Gestão de Processos
2. Gestão de Memória
3. Gestão de Dispositivos
4. Chamadas de Sistema
..Gestão de Processos
Esta pode ser considerara, das quatro partes, a mais importante do núcleo. É
nesta função que os processos de sistema são geridos, ou seja, é aqui que o núcleo
dá as permissões de execução. As cedências de memória são também aqui
calculadas e atribuídas. Uma tarefa fundamental da gestão de processos é a
consideração tomada em relação ao hardware de memória existente para que esta
não fique superlotada e cause problemas a alto nível4.
4 Problemas a nível de software
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
Uma característica interessante da gestão de processos é a sua capacidade
de dar uma ideia de multi‐tarefa5. Normalmente, o número de processos é igual ao
número de núcleos de processamento que haja na máquina, ou seja, se houver um
CPU com dois núcleos6, em teoria esse CPU será capaz de executar dois processos
ao mesmo tempo.
O gestor de processos do núcleo, a partir de algoritmos de programação,
atribui fatias de tempo e prioridades aos processos para que estes sejam
executados inteligentemente e com a menos perda de eficiência possível. Depois
disto os processos são movimentados tão rapidamente que dá ao utilizador a ilusão
de que estes estão a ser executados todos ao mesmo tempo.
..Gestão de Memória
O gestor de memória do núcleo tem acesso total a esta. É ele que gere a
memória física do sistema e a reparte pelos diversos processos. A primeira tarefa a
ser realizada é atribuir um endereço virtual7 que é feito a partir de paginação8 ou
segmentação.
A memória disponível depende muito dos processos que se encontram em
execução. O gestor de memória coloca em memória física os dados necessários
para todos os processos em execução. Uma vez inactivos os processos, os seus
dados são colocados em memória virtual (muito mais lenta) deixando espaço para
correr outros possíveis processos activos.
O endereçamento virtual permite repartir a memória em duas partes
distintas, uma direccionada para o núcleo e outra direccionada para o utilizador. A
parte reservada ao núcleo está calculada para que este possa manobrar todos os
recursos da máquina sem que haja interrupções ou esperas. A parte reservada ao
utilizador é direccionada para as aplicações e para as ordens do factor humano.
5 Processar várias aplicações ao mesmo tempo 6 Duas unidades de processamento dentro do mesmo componente de hardware 7 Permite abstrair o endereçamento físico 8 Também conhecido por Swap
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Instituto Superior Politécnico de Gaya | SOP
14
O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
o módulo passa a formar um todo com o núcleo, usando a mesma API12. Este
esquema é usado, entre outros, pelo GNU/Linux, FreeBSD e diversos derivados de
UNIX.
Um sistema operativo com núcleo monolítico concentra todas as
funcionalidades possíveis (planeamento, sistema de arquivos, rede, drivers de
dispositivos, gestão de memoria, etc.) dentro de uma grande plataforma de
software. Ele pode ter um tamanho considerável e deve ser recompilado por
completo para adicionar uma nova funcionalidade. Todos os componentes
funcionais no núcleo têm acesso a todas as estruturas de dados internos e suas
rotinas. Um erro numa rotina pode‐se espalhar por todo o núcleo causando
problemas de desempenho. Todos os componentes encontram‐se integrados no
mesmo programa e são executados num único espaço de endereço. Assim todos os
serviços cedidos por este tipo de sistema são executados em modo elevado de
Supervisor13.
Os S.O’s integrantes deste tipo de núcleo, normalmente, começam por ser
pequenos programas. A0 longo dos tempos e devido á sua grande popularidade, é
lhes atribuído mais funções que os faz evoluir e transformar‐se em programas
grandes e complexos formados por muitas funções. Exemplos deste tipo de
sistemas são o MS‐DOS e UNIX. Ambos começaram pequenos sistemas operativos e
ao longo dos tempos foram tornando‐se duas referencias mundiais.
O problema deste tipo de sistemas operativos é que é complicado de os
modificar para adicionar novas funcionalidades e serviços. De facto, adicionar uma
nova funcionalidade implica modificar um grande programa, composto por milhares
de linhas de código e funções que por sua vez invocam outras linhas de código
situadas também no mesmo programa. A alternativa é ter uma estrutura
micronúcleo, onde as partes funcionais estão divididas em unidades separadas com
mecanismos de comunicação rigorosos entre eles.
12 Rotinas ou padrões de software desenvolvidos para que softwares externos possam usar os seus serviços 13 Modo capaz de gerir o sistema e seus recursos
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Instituto Superior Politécnico de Gaya | SOP
16
O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
maior complexidade no código, menor rendimento, ou limitações em várias
funções.
Segundo Tanenbaum (1995), The future of supercomputing lies in massively
parallel computers. The nodes of these machines will need a different kind of
operating system than current computers have. Many researchers in the field believe
that microkernels provide the kind of functionality and performance required.
Tanenbaum diz que de acordo com pesquisadores da área, o micronúcleo é o
núcleo com as competências e funcionalidades exigidas para uma boa operação de
sistemas informáticos de alto desempenho.
..Nanonúcleo
O nanonúcleo ou piconúcleo é um tipo de núcleo extremamente simples.
Este núcleo foi desenvolvido para suportar vários sistemas operativos virtualizados
em cima dele e assim conseguir repartir eficientemente os recursos da máquina. Ele
delega virtualmente todos os serviços, incluindo dos mais básicos aos drivers,
fazendo com que a memória utilizada por ele seja menor do que a memória utilizada
por qualquer outro núcleo.
..Núcleo Híbrido
Os núcleos híbridos são essencialmente micronúcleos, que tem algum código
denominado de “não essencial” no espaço de memória do núcleo para que este
execute os processos mais rápido do que executaria no espaço de memória do
utilizador.
Este foi o compromisso que muitos dos primeiros desenvolvedores de
sistemas operativos, com a arquitectura baseada em micronúcleos, adoptou antes
de se demonstrar que os micronúcleos podem ter muito bom desempenho. A
maioria dos modernos sistemas operativos enquadram‐se nesta categoria de
núcleo, sendo o mais popular o Microsoft® Windows™. XNU14, o núcleo do Mac15 OS
X16, também é um micronúcleo modificado, devido à inclusão de código do núcleo
14 Núcleo do sistema operativo da Apple aplicado nos computadores MAC 15 Computador desenvolvido pela Apple 16 Sistema operativo integrado nos computadores MAC
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
No ano de 1985 a Microsoft® lança o seu primeiro sistema operativo com
interface gráfica denominado Windows™ 1.0. Este sistema operativo tinha como
unidade central um núcleo monolítico. Ao longo dos anos o núcleo monolítico do
Windows™ foi sendo modificado e melhorando o desempenho de cada sistema
operativo produzido pela Microsoft®. Contudo, como era de prever, a evolução de
hardware continuou e foi necessário tomar medidas para acompanhar esta
evolução. Com o lançamento do Windows™ 2000, a Microsoft não só iniciou a era
NT18 para utilizadores comuns como passou a implementar o núcleo híbrido nos
seus sistemas operativos até aos dias de hoje com excepção do Windows™ ME.
Como o núcleo monolítico obrigava a uma recompilação e a um reinício do
sistema sempre que uma funcionalidade era adicionada, o sistema tornava‐se
bastante desconfortável, nomeadamente em sistemas que requeriam actividade
continua. Com isto o núcleo híbrido passou a ser uma parte fundamental do
Windows™. Assim foi possível dar continuidade aos desenvolvimentos informáticos.
18 Nova Tecnologia
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
.Considerações Finais
Dentro do tema proposto a informação valida era reduzida. Existem várias
opiniões de qual é o melhor núcleo mas resumindo todos eles têm o seu
fundamento. De acordo com as situações em que são precisos, os tipos de núcleo
variam e assim se consegue ter uma razoável lista de escolhas. A implementação do
núcleo é muito importante uma vez que é ele que tem a função mais importante
dentro do sistema operativo.
Este trabalho foi muito útil para uma aprendizagem básica dos núcleos. Foi
conseguido também o objectivo o trabalho. A evolução dos sistemas operativos é
baseada no tipo de núcleo que lhe é implementado.
Em suma o factor núcleo é importantíssimo na evolução dos sistemas
operativos.
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
.Metodologia de estudo
Para a elaboração deste trabalho foram seguidas regras de estudo
previamente definidas.
Foram elas:
1. Escolha do tipo de pesquisa
2. Recolha dos dados
3. Agrupamento de dados
4. Tratamento dos dados
5. Elaboração do trabalho
..Tipo de pesquisa
Decidiu‐se usar uma pesquisa exploratória, ou seja, estudar a matéria dos
núcleos usando um processo lento de pesquisa. A pesquisa não só ficou limitada aos
diversos núcleos como também foram explorados outros temas como a integração
destes em sistemas reais.
..Recolha de dados
Os dados foram recolhidos na internet, livros e revistas, sendo sempre
sujeitos a validação de informação. Nada do que se encontra no trabalho é relativa a
fontes duvidosas ou inexistentes.
..Agrupamento de dados
Depois de a recolha estar concluída, os dados foram agrupados por temas
para ser mais fácil e intuitiva a sua compreensão e o seu tratamento.
..Tratamento de dados
Uma vez agrupados, os dados foram estudados e compreendidos para uma
posterior elaboração detalhada e estruturada.
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
..Elaboração do trabalho
Por fim depois de ter‐mos os dados prontos foi desenvolvido o trabalho com
o máximo de cuidado e atenção.
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O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos
.Referencias Bibliográficas
Silberschatz, Avi (2005); Galvin, Peter B. Operating system concepts.
Tanenbaum, Andrew S. (1999). Sistemas Operativos Modernos.
http://www.owoelwo.info/pt/tipi‐di‐kernel/
http://pt.wikipedia.org/wiki/API
http://www.guiadohardware.net/termos/kernel‐monolitico‐kernel‐modular
Tanenbaum, Andrew S. (1996). The Amoeba Distributed Operating System
Tanenbaum, Andrew S. (1995). A Comparison of Three Microkernels
http://pt.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Windows#Windows_1.0x
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