ANÁLISE E COMPLEXIDADE DE ALGORITMOS - Ariel Diasarieldias.com/material/2019-1/SO/Aula2n.pdf · Roteiro - Nesta aula Tipo e Estrutura de Sistemas Operacionais Chamadas ao Sistema

Sistemas OperacionaisSlides adaptados de Prof. Dr. Marcos José Santana e Prof. Dra. Regina Helena Carlucci Santanabaseados no livro Sistemas Operacionais Modernos de A. Tanenbaum

Tipos e EstruturaSystem Calls

Professor Ariel da Silva Dias - www.arieldias.com

Na aula Anterior

▪ Por que é necessário um sistema operacional?

▪ O que é um sistema operacional?

▪ Histórico

▪ Conceitos Básicos


Roteiro - Nesta aula

▪ Tipo e Estrutura de Sistemas Operacionais

▪ Chamadas ao Sistema (System Calls)


Tipos de SOs

▪ Quanto ao compartilhamento de Hardware (2 tipos)

▪ Monoprogramados ou Monotarefas:

▪ permitem apenas um programa ativo em dado período, permanecendo ativo do início ao fim de sua execução (MS-DOS)

▪ Multiprogramados ou Multitarefas

▪ mantém mais de um programa na memória, permitindo o time-sharing (Unix, Windows)


Monoprogramados ou Monotarefas

▪ O processador, a memória e os periféricos permanecem exclusivamente dedicados à execução de um único programa

▪ Má utilização dos recursos

▪ Facilidade na implementação

▪ Exemplo: sistemas embarcados

▪ O processo estará em um destes estados


Novo Executando Concluído

Multiprogramados ou Multitarefas

▪ Vários processos encontram-se em memória ao mesmo tempo

▪ Várias tarefas ocorrem simultaneamente em um único processador: um processo é executado enquanto outro aguarda

▪ Necessidade de um mecanismo de trocas rápidas de processo


Multiprogramados ou Multitarefas

▪ Classificação quanto à interação com as aplicações:

▪ Sistema Multitarefa

▪ Sistemas batch

▪ Sistemas de tempo real

▪ Sistemas de interativo


Estrutura dos Sistemas Operacionais

▪ Principais tipos de estruturas

▪ Monolíticos;

▪ Arquitetura Micro-Kernel;

▪ Em camadas;

▪ Máquinas Virtuais;

▪ Cliente-Servidor.


Estrutura dos Sistemas Operacionais = Monolíticos

▪ O SO é um único módulo

▪ O SO é um conjunto de processos que podem interagir entre si a qualquer momento sempre que necessário

▪ Processos do usuário invocam rotinas do SO

▪ 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;



▪ Todos os módulos do sistema são compilados individualmente e depois ligados uns aos outros em um único arquivo-objeto;

▪ 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;




Aplicação Aplicação



Estrutura dos Sistemas Operacionais = Micro-Kernel


▪ O objetivo é tornar o núcleo do SO o menor possível

▪ A função do núcleo é gerenciar comunicação entre esses processos

▪ Papeis do núcleo

▪ alocação de CPU

▪ comunicação aos processos (IPC)

▪ Ex.: Symbian, Minix

Estrutura dos Sistemas Operacionais = Micro-Kernel


Estrutura dos Sistemas Operacionais = Em Camadas


▪ Sistema operacional modular que possui uma hierarquia de níveis;

▪ Modular: divisão de um processo complexo em módulos de menor complexidade

▪ Hierarquico: a cada nível, os detalhes de operações dos níveis anteriores podem ser ignorados

▪ 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;

▪ Exemplo: Multics

▪ Atualmente: modelo de 2 camadas.



▪ Camadas definidas no THE

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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Em Camadas


Forn

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• Alocação do processador• Chaveamento entre os

processos em execução -multiprogramação



Forn

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• Gerenciamento da memória• Alocação de espaço para

processos na memória e no disco• Processo dividido em

partes (páginas) para ficarem no disco



Forn

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• Comunicação entre os processos



Forn

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• Gerenciamento dos dispositivos de i/o –armazenamento de informações de/para tais dispositivos



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• Programas dos usuários• Alto nível de abstração



Forn

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• Processo do operador do sistema

Estrutura dos Sistemas Operacionais = Máquina Virtual


▪ Idealizada em 1960 pela IBM ➔ VM/370;

▪ Modelo de máquina virtual cria um nível intermediário entre o SO e o Hardware denominado Gerência de VM;

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

▪ Cada máquina virtual pode ter seu próprio SO.



▪ Principais Conceitos

▪ Monitor da Máquina Virtual (VMM): executa 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 VM pode rodar um SO diferente.



Monitor da Máquina Virtual (VMM)Roda sobre o hardware e

implementa multiprogramação

TimeSharingChamadas ao Sistema

TRAP

TRAP



▪ A ideia de VM foi posteriormente utilizada em contextos diferentes:

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

▪ As chamadas feitas pelo MS-Dos ao SO eram realizadas e monitoradas pelo monitor da VM (VMM);




▪ Programas Java (Máquina Virtual Java-JVM): o compilador Java produz código JVM (Bytecodes).

▪ Esse código é executado pelo interpretador Java:

▪ Programas Java rodam em qualquer plataforma, independentemente do SO;




▪ Computação em Nuvem

▪ Virtualização dos servidores simula diferentes ambientes em servidores físicos;



▪ Vantagem:

▪ Flexibilidade;

▪ Desvantagem:

▪ Simular diversas máquinas virtuais não é uma tarefa simples → sobrecarga;

Estrutura dos Sistemas Operacionais = Cliente/Servidor


▪ Reduzir o SO a um nível mais simples:

▪ Kernel: implementa a comunicação entre processos clientes e processos servidores → núcleo mínimo;

▪ Maior parte do SO está implementado como processos de usuários (nível mais alto de abstração);

▪ Sistemas Operacionais Modernos.



▪ Cada processo servidor trata de uma tarefa

▪ Os processo servidores não tem 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.



▪ Adaptável para Sistemas Distribuídos



▪ Linux

▪ Monolítico + Módulos;

▪ Windows

▪ Microkernel + Camadas + Módulos

Sistemas Operacionais

System Calls e Interrupções


Conceitos Básicos – Chamadas ao Sistema

▪ Quando ocorre?

▪ um processo precisa realizar uma instrução privilegiada (imprimir arquivo)

▪ Para que isso ocorre, é necessário que haja uma chamada de sistema

▪ alternância do modo de usuário para o modo kernel

▪ Chamadas de sistema são a porta de entrada para o modo kernel



▪ 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 SO na RAM contra acessos indevidos.



▪ Modo Usuário

▪ Aplicações não tem 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.



▪ Modo Kernel

▪ Aplicações tem 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.



▪ 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 SO no modo kernel;

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



▪ As system calls são realizadas através das instruções TRAP

▪ TRAP: interupções de software

▪ Permitem chamar a atenção do SO

▪ pegar a requisição do usuário, identificar a requisição, processar esta requisição



▪ Passos para system calls

1. processo realiza uma chamada ao sistema (TRAP)

2. o SO utiliza uma tabela para determinar o endereço da rotina

3. a rotina do serviço é acionada

4. serviço solicitado é executado, devolvendo o controle ao processo



▪ TRAP: instrução que permite o acesso ao modo kernel;

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

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


Arquivo a ser lido Bytes a serem lidos

Ponteiro para o Buffer



▪ Exemplos de chamadas da interface:

▪ Chamadas para gerenciamento de processos:

▪ Fork (CreateProcess – WIN32) – Cria um processo;

▪ Outros exemplos no Posix (Portable Operating System Interface)




▪ Chamadas para Gerenciamento de Diretórios:

▪ Mount – monta um diretório;

▪ Outros exemplos no Posix




▪ Outros tipos de chamadas:

▪ Chmod: modifica permissões;

▪ Outros exemplos no Posix


▪ Chamadas da interface. Unix x Windows>

▪ Unix

▪ Chamadas da interface muito semelhantes às chamadas ao sistema

▪ ~100 chamadas a procedimentos

▪ 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



▪ Exemplos de chamadas da interface: Unix e API Win32


Interface das Chamadas de Sistemas

▪ Interface para esconder a complexidade das system calls

▪ interface de programação fornecida pelo SO

▪ escrita em linguagem de alto nível

▪ aplicações utilizam uma API (Application Program Interface)

▪ encapsula o acesso direto às chamadas ao sistema




APLICAÇÃO DO USUÁRIO

Wrapper API

Solaris AIXLinux

read(fd, buffer,var(

read() do Solaris read() do Linux read() do aix


▪ win32 API para Windows

▪ POSIX API para todas versões UNIX

▪ Java API para JVM



▪ Por que utilizar APIs em vez de chamadas diretas ao sistema?

▪ Portabilidade

▪ Esconder complexidade de chamadas ao sistema

▪ Acréscimo de funcionalidades que otimizam o desempenho


Interrupções

▪ Um processo pode ser interrompido ao fazer uma chamada ao sistema

▪ Usando TRAPS (para isso a aplicação tem que estar em execução)

▪ interrupção em nível de processo

▪ E o que fazer com interrupções que não são causadas por processos em execução?▪ Interrupções de hardware

▪ Sinal elétrico no hardware

▪ Dispositivo de i/o ou clock


Interrupções


Interrupção vs Traps

▪ Interrupção

▪ Evento que independe do processo (externo ao processador)

▪ Gerada por dispositivos que podem não estar relacionado ao processo em execução

▪ TRAPS

▪ Evento que depende do processo

▪ Causado pelo processo no processador


Atividades para casa

▪ Ler capítulo 1 do Tanenbaum

▪ Resolver os exercícios ímpares

▪ Estudar chamadas ao sistema (Linux) e começar a pensar como implementar um programa que utilize algumas delas...


Referências

▪ Notas de aula Professor Marcos José Santana (USP)

▪ Aulas professor Jó Ueyama (Univesp) -https://www.youtube.com/watch?v=IE9EVxy8Ups


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