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SISTEMAS OPERACIONAISIntrodução à disciplina

“Se você tem uma maçã e eu tenho outra; e nós trocamos as maçãs,então cada um terá sua maçã. Mas se você tem uma ideia e eu tenhooutra, e nós as trocamos; então cada um terá duas ideias.”

George Bernard Shaw

Profº: Joseph DonaldContatos:[email protected]

OBJETIVOS DA DISCIPLINA

• Conhecer os principais conceitos e funções dos Sistemas Operacionais;

• Gerência de Processos;

• Gerência de Processador;

• Gerência de Memória;

• Gerência de Arquivos;

• Gerência de Entrada / Saída;

Sistemas OperacionaisProfº: Joseph Donald

OBJETIVOS DA AULA

• Entender a visão de um Sistema Computacional;

• Compreender a importância dos Sistemas Operacionais:• Conceitos;• Interação com o Hardware;

• Assimilar os conceitos básicos sobre Sistemas Operacionais, como:• Interpretador de comandos;• Chamadas ao Sistema (System Calls);• Multiprocessamento.

• Conhecer o histórico dos Sistemas Operacionais:• 1ª, 2ª, 3ª, 4ª e 5ª gerações;


SISTEMA COMPUTACIONAL

• Antes de definir um Sistema Operacional, vamos compreender oque é um Sistema Computacional:

✓Um ou mais processadores;

✓Memória principal;

✓Discos, Impressoras, teclados, monitor, mouse e etc;

✓Usuários.

Os softwares precisam utilizar todos esses recursos.



DEFINIÇÃO DO SISTEMA OPERACIONAL

Tanembaum (2016), afirma que os Sistemas Operacionais são difíceisde se definir com precisão, mas afirma possuem duas funçõesessencialmente não relacionadas:

• Fornecer a programadores de aplicativos um conjunto de recursosabstratos limpo em vez de recursos confusos de hardware;(Máquina estendida)

• Gerenciar esses recursos de hardware. (Gerenciador de recursos).

A IMPORTÂNCIA DO SISTEMA OPERACIONAL

Segundo Tanenbaum (2016): O Sistema Operacional tem como função fornecer aos programas(softwares) do usuário um modelo de computador melhor, mais simples e mais limpo, assim comolidar com o gerenciamento de todos os recursos disponíveis.

Sem o sistema operacional:

• O usuário deveria conhecer os detalhes do hardware;

• Cada hardware possui suas peculiaridades;

• A complexidade ao se realizar uma tarefa induziria a erros;

• Se tornaria uma tarefa árdua manipular um computador ou dispositivo;

• Dificuldade de intercomunicação entre os dispositivos.


A IMPORTÂNCIA DO SISTEMA OPERACIONAL

Com o sistema operacional:

• Maior racionalidade;• Mais dedicação aos problemas de alto nível;• Portabilidade dos softwares entre diferentes tipos de hardware;

USUÁRIO

APLICAÇÃO

ROTINAS DE E/S

HARDWARE

USUÁRIO APLICAÇÃO

SISTEMA OPERACIONAL

HARDWARE

SEM S.O. COM S.O.

• Possibilidade de intercomunicação entre os dispositivos;

• Abstração do conceito de baixo nível ao usuário.



MODOS DE OPERAÇÃO DO S.O.

Tanembaum, 2016 (pág. 1)

• A maioria dos computadores tem dois modos deoperação: modo núcleo e modo usuário.

• O sistema operacional opera em modo núcleo

(também conhecido como modo supervisor).

• Os outros softwares operam em modo usuárioonde somente um subconjunto de instruções damáquina está disponível;


HARDWARE

• Provê os recursos computacionais básicos;

• Composto por: Dispositivos de Entrada e Saída, CPU e Memória.



SISTEMA OPERACIONAL

• Modo núcleo;

• Controla o uso do hardware entre várias aplicações do usuário.



PROGRAMA DE INTERFACE COM O USUÁRIO

• Definem a forma como os recursos do S.O. são utilizados;

• Para solucionar problemas computacionais dos usuários.



SOFTWARES (Programas)

• Interpretam e executam sequências de instruções;

• Pode ser executado de qualquer dispositivo capaz de interpretar e executar suas instruções.



ORGANIZAÇÃO TÍPICA

Núcleo (kernel)Responsável pela gerência do processador, tratamento de interrupções, comunicação e sincronização entre processos.

Gerente de MemóriaResponsável pelo controle e alocação de memória aos processos ativos.

Sistema de E/SResponsável pelo controle e execução de operações de E/S e otimização do uso dos periféricos.

Sistema de ArquivosResponsável pelo acesso e integridade dos dados residentes na memória secundária.

Processador de Comandos (shell) / Interface com o UsuárioResponsável pela interface conversacional com o usuário.


Sistemas Operacionais de Grande Porte

a. Sistemas de Lotes (Batch): Processa

tarefas rotineiras sem qualquer

usuário interativo presente;

b. Processamento de transações: Lidam

com grandes número de pequeno

pedidos;

c. Tempo Compartilhado (Time

Sharing): Permitem que múltiplos

usuários remotos executem tarefas no

computador ao mesmo tempo;

TIPOS DE SISTEMAS OPERACIONAIS


Sistemas Operacionais de Servidores

- Servem a múltiplos usuários ao menos

tempo por meio de uma rede e

permitem que os usuários

compartilhem recurso de hardware ou

software.

- Servidores WEB;

- Servidores de Domínio;

- Proxy;

- Provedores de acesso;



Sistemas Operacionais de

Multiprocessadores

- Também conhecidos como

computadores paralelos,

multicomputadores ou

multiprocessadores;

- Sistemas Operacionais especiais;

- Clusters;



Sistemas Operacionais de computadores pessoais

- Computadores modernos;

- Suporte a multiprogramação;

- Proporcionar um bom apoio a um único usuário;

- Amplamente usados para processamento de textos, planilhas, acesso à Web e games.



Sistemas Operacionais de computadores portáteis

- Tablets, Smartphones e etc...

- CPU multinúcleos, GPS, Câmeras, acelerômetro entre outros;

- Facilitou a disseminação dos “apps”;

- Google e Apple.



Sistemas Operacionais embarcados

- Executados em computadores que controlam

dispositivos que não costumam ser vistos como

computadores e não aceitam softwares

instalados pelo usuário.

- A principal distinção é a certeza de que nenhum

software não confiável vá ser executado nele um

dia.

- Embedded Linux, QNX e VxWorks são os mais

utilizados.



Sistemas Operacionais de nós sensores (sensor-node)

- Os sensores são computadores pequenos

movidos a bateria com rádios integrados;

- Podem ser usados para proteger prédios,

detectar incêndios, medir temperaturas,

monitoramento de veículos e etc;

- TinyOS e Arduino.



Sistemas operacionais de Tempo Real (Real Time)

- Caracterizados por ter o tempo como parâmetro-chave;

- Sistema de Tempo Real Crítico: É quando a ação tem que

ocorrer absolutamente em um determinado momento. Ex:

Controle de Processo industrial, aviação, monitor cardíaco,

semáforos e etc;

- Sistema de Tempo Real não-crítico: É aquele em que

perder um tempo ocasional, embora indesejável, é

aceitável e não causa danos permanentes. Ex: Sistemas de

multimídia, irrigação, monitoramento de veículos



Sistemas operacionais de cartões inteligentes (Smartcards)

- São os menores sistemas operacionais;

- Dispositivo do tamanho de um cartão de crédito;

- Alguns recebem energia quando inseridos na leitora;

- Outros recebem energia por indução;

- Alguns são usados somente para uma função ou já

possuem múltiplas funções;

- Tecnologia NFC.



1. Processos: É um programa em execução;

2. Espaços de endereçamento: Responsável por armazenar programas em execução;

3. Arquivos: Tem como objetivo esconder as peculiaridades dos discos e outros

dispositivos de E/S e apresentar ao programador (ou usuário) um modelo

agradável e claro de arquivos que sejam independentes dos dispositivos;

4. Entrada / Saída: Dispositivos físicos que têm a função de obter entrada e produzir

saídas;

5. Proteção: Gerenciar a segurança do sistema de maneira que os arquivos, por

exemplo, sejam acessíveis somente a usuários autorizados.

CONCEITOS E ABSTRAÇÕES


Terminais de textoÉ o código que executa as chamadas de sistema (System Calls).

A interação com o Sistema Operacional pode acontecer através de softwares baseados em texto,normalmente conhecido como SHELL.

Por exemplo: date (Retorna a data atual)

Ex: bash, sh no Linux ou Prompt de Comando (D.O.S.) e PowerShell no Windows

INTERPRETADOR DE COMANDOS


LINUX



WINDOWS



A interação com o Sistema Operacional pode acontecer através de softwares baseados em janelas,normalmente conhecido como GUI (Grafics User Interface).

Ex: GNOME, KDE no Linux ou Explorer no Windows.

LINUX WINDOWS

Interfaces gráficas



• Os Softwares interagem com o Sistema Operacionalatravés das Chamadas ao Sistema, também conhecidascomo System Calls.

• Elas permitem um controle mais eficiente sobre asoperações do sistema.

Segundo Silberschatz (2015): “As chamadas de sistemapodem ser agrupadas, grosso modo, em seis categoriasprincipais: Controle de processos, manipulação dearquivos, manipulação de dispositivos, manutenção deinformações, comunicações e proteção”

CHAMADAS DE SISTEMA (System Calls)


• Monoprocessado✓ São sistemas criados com o intuito de

executar instruções através de um únicoprocessador.

MULTIPROCESSAMENTO

• Multiprocessado:✓ Projetados para uso em Servidores, Data Centers,

Mainframes, Cloud Computing, ou seja, equipamentosque geralmente possuem mais de um processador.


• Monoprogramação / Monotarefas (SERIAL):✓ Recursos alocados a um único programa;✓ Executa uma tarefa por vez;✓ Exige que um trabalho seja salvo e fechado para que seja aberto

um novo projeto;✓ Não-preemptivo – Nenhum evento pode ocasionar a perda do

uso do processador

• Multiprogramação / Multitarefas (CONCORRENTE):✓ Recursos dinamicamente associados entre uma coleção de

programas em diferentes estágios;✓ Os processos podem ser executados simultaneamente /

concorrentemente.✓ Preemptivo – Tempo dividido em fatias, onde se obedece uma

ordem de prioridade entre os processos;

MULTIPROGRAMAÇÃO


• Monousuário✓ Acesso de um usuário por vez;

MULTIUSUÁRIOS

• Multiusuário:✓ Acesso simultâneo de vários usuários;✓ Simultaneidade física e/ou virtual;


Sistemas Monolíticos

✓ O Sistema Operacional é executado em um único programa em modo núcleo;✓ É escrito como uma coleção de rotinas ligadas a um único grande programa binário;✓ Milhares de procedimento podem dificultar a compreensão sobre o sistema

operacional;✓ Uma rotina que falhar pode derrubar todo o sistema;✓ Compila todas as rotinas de forma individual e junta todas em um único arquivo

ligador (linker);

• Estrutura Básica:1. Um programa principal que invoca a rotina de serviço requisitada;2. Um conjunto de rotinas de serviço que executam as chamadas de sistema (System

Calls);3. Um conjunto de rotinas utilitárias que ajudam as rotinas de serviço.

ESTRUTURA DOS SISTEMAS OPERACIONAIS

Sistemas OperacionaisProfº: Joseph DonaldESTRUTURA DOS SISTEMAS OPERACIONAIS

Um modelo de estruturação simples para um sistema monolítico.


Sistemas de Camadas

✓ Divide o Sistema Operacional em sistemas sobrepostos. Cada módulo oferece umconjunto de funções que pode ser usado por outros módulos;

✓ O intenção da estruturação em camadas é o isolamento do sistema operacional,facilitando sua alteração e depuração, além de criar uma hierarquia de níveis de modos,protegendo as camadas mais internas.

✓ O empilhamento de várias camadas de software faz com que cada pedido de umaaplicação demore mais tempo para chegar até o dispositivo periférico ou recurso a seracessado, prejudicando o desempenho do sistema;

✓ Não é óbvio dividir as funcionalidades de um núcleo de sistema operacional em camadashorizontais, de abstração crescente, pois essas funcionalidades são inter-dependentes,embora tratem muitas vezes de recursos distintos.



Sistemas de Camadas

O sistema THE era um sistema de lote simples para um computador holândes, o Electrologica X8.

• Camada 0 – lidava com alocação do processador , realizando o chaveamento de processosquando ocorriam interrupções ou quando os temporizadores expiravam. Em outras palavras,a camada 0 (zero) fornecia a multiprogramação básica da CPU;

• Camada 1 – realizava o gerenciamento da memória. Ela alocava espaço para os processos damemória principal e em um tambor (Antigo meio magnético de armazenamento de dados)utilizado para armazenar partes do processo (páginas) para os quais não havia lugar namemória principal;

• Camada 2 – encarregava-se da comunicação entre cada processo e o console do operador.• Camada 3 – gerenciava dispositivos de entrada e saída e armazenava temporariamente fluxos

de informação que transitavam entre os dispositivos;• Camada 4 – onde os programas de usuários eram encontrados. Eles não tinham de se

preocupar com o gerenciamento de processo, memória, console ou E/S;• Camada 5 – onde se encontra o processo operador do sistema.



Micronúcleos (microkernel)

✓ Mínimo possível de código no modo núcleo, pois erros de código podem derrubar osistema instantaneamente;

✓ Processos de usuário podem ser configurados para ter menos poder, de maneira que umerro possa não ser fatal;

✓ A ideia é atingir a alta confiabilidade através da divisão do sistema operacional emmódulos pequenos e bem definidos, onde apenas o micronúcleo é executado em modonúcleo e os demais em modo usuário;

✓ Muito utilizados em Sistemas de Tempo Real , como: industriais, aviônica, militares e etc;



Estrutura simplificada do sistema MINIX.


Modelo cliente-servidor

✓ Uma ligeira variação da ideia do micronúcleo é distinguir duas classes deprocessos, os servidores, que prestam algum serviço, e os clientes, queusam esses serviços;

✓ Frequentemente a camada inferior é o micronúcleo, mas nãoobrigatoriamente. A essência é haver a presença de processos clientes eservidores;

✓ A comunicação entres clientes e servidores se dá geralmente por troca demensagens;

✓ O modelo cliente-servidor é uma abstração que pode ser usada para umaúnica máquina ou para uma rede de máquinas.



Máquinas virtuais

✓ Máquinas virtuais não são máquinas estendidas com arquivos e outrascaracterísticas convenientes;

✓ São cópias exatas do hardware, inclusive com modos núcleo/usuário, E/S,interrupções e tudo o que uma máquina real tem;

✓ A VM pode executar qualquer SO capaz de ser executado diretamente sobre o hardware.

✓ Diferentes VMs podem executar diferentes SOs.



Exonúcleos

✓ Ao invés de clonar a máquina real ele a divide ela e dá a cada usuário umsubconjunto de recursos;

✓ Sua tarefa é alocar recursos às máquinas virtuais e então conferirtentativas de usá-las para assegurar-se de que nenhuma máquina estejatentando usar os recursos de outra pessoa;

✓ Separa a multiprogramação do código do sistema operacional do usuário,mas com menos sobrecarga.



• A PRIMEIRA GERAÇÃO (1945 – 1955) : Válvulas

✓ ENIAC, MARK I, COLOSSUS, Z3;

✓ Computadores a válvulas e relés;

✓ Possuía por volta de 20.000 válvulas;

✓ Ausência de um Sistema Operacional;

✓ Não possuía Linguagem de Programação;

✓ Alto consumo energético, por volta de 200 kilowatts;

História dos Sistemas Operacionais


• A SEGUNDA GERAÇÃO (1955 – 1965) : Transistores

✓ Invenção e uso dos transistores;

✓ Uso da linguagem Assembly e FORTRAN;

✓ Sistema Operacional em lote (batch);

✓ Cartões perfurados;

✓ Esquentavam menos;



• A TERCEIRA GERAÇÃO (1965 – 1980) : CIs emultiprogramação

✓ Circuitos Integrados;

✓ Multiprogramação;

✓ Time-sharing;

✓ System / 360 (IBM);

✓ Teoricamente programas escritos em uma

máquina poderiam operar em todas as outras;


Intel 4004


• A QUARTA GERAÇÃO (1980 – presente)

✓ Circuitos Integrados em Larga Escala (LSI – Large Scale Integration)

✓ Sistemas Operacionais para microcomputadores – DOS e Windows;

✓ Difusão da Internet;



• A QUINTA GERAÇÃO (1990 – hoje)

✓ Expansão da Internet;

✓ S.O. com suporte ao protocolo TCP/IP;

✓ Arquitetura Cliente / Servidor;

✓ Sistemas de tempo-real (Real Time Operating System);

✓ Computação Ubíqua (Everywhere);

✓ Internet das Coisas (IoT);

✓ Robótica.


Dúvidas?Sistemas OperacionaisProfº: Joseph Donald

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