(PDF) Sistemas Operacionais I Parte III – Estrutura dos SOs I... · Vantagens e Desvantagens Vantagens ... Núcleo (kernel) menor, mais simples e expansível

Sistemas Operacionais I

Parte III – Estrutura dos SOs

Prof. Gregorio Perez

gregorio@uninove.br

2007

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 2

Roteiro

Componentes do Sistema

Serviços

Estrutura dos Sistemas Operacionais

• Funções do Sistema Operacional

• Chamadas do Sistema (System Calls)

• Modos de Acesso

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

• Sistema Monolítico

• Sistema em Camadas

• Microkernel (Cliente Servidor)

• Máquinas Virtuais

Questões

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Componentes do Sistema

Os Sistemas Operacionais são complexos e possuem

estruturas diferentes

Divisão em partes definidas do sistema

• Gerência de Processos

• Gerência da Memória Principal

• Gerência de Arquivos

• Gerência do Sistema de E/S

• Gerência Secundária

• Redes

• Sistema de Proteção

• Interpretador de Comandos

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Componentes do Sistema

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

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Componentes do Sistema

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

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Componentes do Sistema

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

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Componentes do Sistema

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

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Componentes do Sistema

Gerência de I/O

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

ProcessadorProcessador

ArmazenamentoArmazenamento

Controlador

De Disco

Controlador

De Disco

Área de

transferência

Área de

transferência

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 9

Componentes do Sistema

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

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Componentes do Sistema

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

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Componentes do 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

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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

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Serviços do Sistema Operacional

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

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Introdução

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

Núcleo do Sistema

Ou Kernel

Núcleo do Sistema

Ou Kernel

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 15

Estrutura dos Sistemas Operacionais

Chamadas do Sistema - System Calls

Mecanismo de Proteção do Núcleo

• Método usado para requisitar uma ação do Sistema Operacional

• Geralmente disponíveis como instruções em linguagem assembly

Cada Serviço tem um System Calls associado

Cada SO tem uma biblioteca de System Calls

Acesso por linguagens de alto nível

• Linguagens definidas para substituir a

linguagem assembly na programação de

sistemas permitem chamadas diretas (C/C++)

• Linguagens independentes da plataforma não

permitem chamada diretas (Java)

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 16

Chamadas de Sistema

Modos de Acesso

Instruções Privilegiadas - Podem comprometer o sistema

Modo Usuário

• executa instruções não privilegiadas

Modo Kernel

• executa instruções privilegiadas

Aplicativos Aplicativos Aplicativos Aplicativos

usuário

kernel

Componentes

do SO

Interface das Chamadas de Sistemas

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 17

Chamadas de Sistema

Passagem de Parâmetros

3 Métodos são usados para passagem de parâmetros

• Passar parâmetros via registradores

• Armazenar os parâmetros em uma tabela na memória

• O endereço na tabela é passado como um parâmetro em um

registrador

• O programa coloca (push) os parâmetros na pilha e o Sistema

Operacional retira (pop) os parâmetros da pilha

X: parâmetros

para chamada

Carrega endereço X

Chamada de sistema 13

Usa parâmetros

da tabela X

Programa de usuário Sistema Operacional

registrador

X

Código para

Chamada de

Sistema 13

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 18

Chamadas de Sistema

Exemplos Interface API Win32 / Unix

Tanenbaum

Sistemas Operacionais Modernos

Ed. Pearson

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 19

Chamadas de Sistema

Exemplos de Chamadas dos Componentes

Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos, Ed. Pearson

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Chamadas de Sistema

Exemplos de Chamadas dos Componentes

Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos, Ed. Pearson

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Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Sistema Operacionais Atuais tendem a ser complexos

• Devem prover muitos serviços

• Suportam uma grande variedade de software e hardware

A organização (arquitetura) dos Sistemas Operacionais

auxiliam o gerenciamento de sua complexidade

• Organização dos componentes do sistema operacional

• Especificam o privilégio com o qual cada componente será

executado

Mais Utilizadas

• Arquitetura Monolítica

• Arquitetura em Camadas

• Arquitetura Cliente / Servidor

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 22

AplicativosAplicativos

Modo

usuário

Modo

kernel

Kernel do SO

Hardware

Interface das Chamadas de Sistemas

MM IPC

IO PS FS Net

MM – Gerência de Memória

PS – Escalonador de Processador

IPC – Comunicação Interprocessos

FS- Sistema de Arquivos

IO – Gerência de Entrada e Saída

Net – Gerência de Redes

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Sistema Monolítico

Organização mais comum

• Cada componente é contida no Kernel

• Rotinas podem interagir livremente entre si

• System Calls dispara o processo

OS/360

VMS

Linux

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Sistema Monolítico

Vantagens e Desvantagens

Vantagens

• Tende a ser altamente eficiente

Desvantagens

• Dificuldade de determinar a origem de erros sutis

• Particularmente suscetíveis a códigos maliciosos

(todo código é executado com acesso irrestrito ao sistema)

Podem se tornar “desajeitados”

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 24

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Sistemas em Camadas

Divisão dos componentes do SO em camadas sobrepostas

• Cada camada oferece um conjunto de funções

• Funções podem ser utilizadas por outros módulos

• Cada camada se comunica apenas com camadas

imediatamente acima ou abaixo

• Camada inferior (camada 0) é o hardware

• Camada superior (camada N) é a interface com o usuário

Windows NT

Windows XP

Linux

Sistema THE (Technische Hogeschool

Eindhoven) - Dijkstra – Holanda (1968)

Programas de UsuáriosProgramas de Usuários

Gerência de Entrada / SaídaGerência de Entrada / Saída

ComunicaçãoComunicação

Gerência de MemóriaGerência de Memória

Alocação e Escalonamento

de Processos

Alocação e Escalonamento

de Processos

44

33

22

11

00

Ha

rd

wa

re

Ha

rd

wa

re

Modo

Usuário

Modo

Usuário

Modo

Kernel

Modo

Kernel

UsuárioUsuário

________________________

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Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Sistemas em Camadas

MS-DOS

• Sistema em camadas

simples

OS/2

• Descendente do MS-DOS - multitarefa

• O usuário sem acesso aos recursos de

baixo nível

• SO tem maior controle de hardware

Programa de Aplicação

Programa residente do sistema

Drivers de dispositivos

do MS-DOS

Drivers de dispositivos do ROM BIOS

Driver de dispositivo

• Gerência de memória

• Despacho de tarefas

• Gerência de dispositivos

Kernel do sistema

subsistema subsistema subsistema

Interface de programa de aplicação (API) Extensão da API

Aplicação Aplicação Aplicação

Driver de dispositivo Driver de dispositivo

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 26

Sistemas em Camadas

Vantagens e Desvantagens

Vantagens

• Sistema mais Modular

• Isolar as funções do SO

• Facilita alteração e depuração

• Hierarquia de níveis de modos de acesso

• Interface protege a implementação (encapsulamento)

• Camadas internas fornecem o serviço para as camadas externas

Desvantagens

• Processo pode ter que passar por muitas camadas antes da

execução

• Eficiência pode ser reduzida em relação ao sistema monolítico

KernelKernel

ExecutivoExecutivo

SupervisorSupervisor

UsuárioUsuário

MULTICS e VMS

Mais interna – mais privilegiada

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 27

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Sistema de Microkernel (Cliente/Servidor)

Núcleo (kernel) menor, mais simples e expansível

• Prover pequeno número de serviços

• Sistema dividido em processos

• Cada processo responsável por conjunto de serviços

• de arquivos, de criação de processos, de memória, ..

Todos os componentes podem

se comunicar

Windows XP

Linux

UNIX e MacOS X Server

• (kernel Mach)

Processo

Cliente

(usuário)

Processo

Cliente

(usuário)

requisição

resposta

Realiza a

tarefa

Realiza a

tarefa

Processo

Servidor

Processo

Servidor

Troca de Mensagens

(função do núcleo)

Troca de Mensagens

(função do núcleo)

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 28

Sistema Cliente Servidor

Modos de Acesso

Servidores executam o pedido no modo usuário

Apenas o Núcleo executa no modo kernel

AplicativosAplicativos

Modo

usuário

Modo

kernel

Gerência de

memória

...IOPSFS

sincronização

IPC

Kernel

Interface das Chamadas de Sistemas

PS – Servidor de Processos

FS- Servidor de Arquivos

IO – Servidor de E / S

...

IPC – Comunicação Interprocessos

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 29

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Sistema de Microkernel

Estrutura do Windows NT

• Estrutura híbrida

• Parte em Camadas

Estrutura do MacOS X

• kernel Mach

Ambiente de Aplicação

e Serviços Comuns

Mach

BSD

Ambiente

do kernel

Kernel

Aplicações

win32

Aplicações

win32

Servidor

win32

Servidor

win32

Aplicações

OS/2

Aplicações

OS/2

Servidor

OS/2

Servidor

OS/2

Aplicações

POSIX

Aplicações

POSIX

Servidor

POSIX

Servidor

POSIX

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 30

Sistema Cliente Servidor

Vantagens

Serviço pode parar sem comprometer o sistema

Alto grau de modularidade

• Portável e Expansível

• Isolar Funções do SO por processos (Servidores)

• Mais fácil manutenção

Independente da quantidade de processadores

• Sistemas múltiplos processadores (fortemente acoplados)

• Sistemas distribuídos (fracamente acoplados)

Cliente / Servidor em ambiente distribuído

• Resposta pode ser processada remotamente

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 31

Sistema Cliente Servidor

Desvantagens

Implementação difícil

• Funções do SO que exigem acesso direto ao hardware

por exemplo: operações de Entrada / Saída

Aumento do nível de comunicação inter-modular

• Pode degradar a eficiência do Sistema

Usualmente:

Combinação de modelo em Camadas com Cliente/Servidor

Ex. Windows NT

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 32

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Máquinas Virtuais

Conclusão lógica da técnica de Camadas

Hardware e o Kernel como se ambos fossem hardware

Uma MV oferece interface idêntica à do hardware básico

O sistema operacional cria a ilusão de múltiplos processos,

cada um sendo executado em seu próprio processador, com

sua própria memória (virtual)

IBM - VM

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 33

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Máquinas Virtuais

Máquina Não Virtual

IBM VM / 370

Máquina Virtual

processos

kernel

hardware hardware

Implementação da máquina virtual

processos

kernel

VM1

processos

kernel

VM1

processos

kernel

VM1

Interface de

Programação

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 34

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Máquinas Virtuais

VMWare

Silberschatz et al.

Operating Systems

7a ed.

Ed. Elsevier

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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 35

Máquina Virtual

Vantagens e Desvantagens

Vantagens

• Provê proteção completa dos recursos do sistema

• cada MV é completamente isolada de todas as outras MV

• Não existem problemas de segurança

• Veículo perfeito para pesquisa e desenvolvimento de SO

• O desenvolvimento do sistema é feito na máquina virtual, e não em

uma máquina física, e não interrompe a operação normal do sistema.

Desvantagens

• O isolamento não permite compartilhamento direto dos recursos

• Implementação de compartilhamento pode ser feito por software

• Compartilhamento pode ser feito por rede de comunicação virtual

• Conceito de MV difícil de implementar devido ao esforço

necessário para oferecer uma duplicata exata da máquina

utilizada

________________________

2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 36

Máquina Virtual Java (JVM)

Os programas Java compilados são bytecodes para plataforma

neutra executados por uma Máquina Virtual Java (JVM)

A JVM consiste em

• Carregador de classes

• Verificador de classe

• Interpretador de tempo de execução

Os compiladores Just-In-Time (JIT) aumentam o desempenho

Carregador

de classes

Interpretador

Java

Sistema Operacional

(Windows, Linux, etc...)

Programa

Java

API

________________________

2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 37

Arquitetura dos Sistemas Operacionais

Questões

O que é Kernel ? Cite 3 das

principais funções do Kernel

Qual a diferença entre Kernel e

Shell ?

Qual é a finalidade do interpretador

de comandos? Por que ele

normalmente é separado do

kernel?

Explique o que são as Chamadas

do Sistema e porque são

necessárias

Quais são os modos de Acesso às

instruções do núcleo

Por que é arriscado permitir que

usuários executem livremente

operações de leitura e escrita para

qualquer região do disco ?

Como funciona um Sistema

Monolítico ? Qual a sua principal

desvantagem ?

Em que condição o Sistema em

Camadas será menos eficiente que

o Sistema Monolítico ?

Como o Sistema de microkernel

difere do Sistema em Camadas ?

________________________

2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 38

Questões

Quais as vantagens de um Sistema

Cliente Servidor (microkernel) e

como ele pode promover a

portabilidade ?

Qual é a principal vantagem para

um projetista de sistema

operacional em usar uma

arquitetura de máquina virtual?

Por que Java oferece a capacidade

de chamar métodos nativos que

são escritos, digamos, em C ou

C++? Dê um exemplo em que um

método nativo é útil.

Por que um compilador just-in-

time é útil para a execução de

programas Java?

O sistema operacional

experimental Synthesis possui um

assembler incorporado dentro do

kernel. Para otimizar o

desempenho da chamada de

sistema, o kernel monta rotinas

dentro do seu espaço para diminuir

o caminho que a chamada de

sistema precisa percorrer no

kernel. Essa técnica é a antítese da

técnica em camadas, em que o

caminho pelo kernel é estendido

para facilitar a montagem do

sistema operacional.

• Discuta os prós e os contras da

técnica do Synthesis para o projeto

do kernel e a otimização do

desempenho do sistema.

________________________

2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 39

Referência Bibliográfica

Sistemas Operacionais

• Deitel, Deitel e Choffnes;

• Ed. Pearson 3a Edição

• www.prenhall.com/deitel_br

Sistemas Operacionais, Conceitos e Aplicações

• A. Silberschatz, P. Galvin, G. Gagne;

• Ed. Campus Tradução da 6a Edição

• www.wiley.com/college/silberschatz6e/

0471417432/slides/slides.html

Sistemas Operacionais Modernos

• Andrew Tanenbaum;

• Ed. Pearson 2a Edição

• www.prenhall.com/tanenbaum_br

________________________

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