BC1518 BC1518 -- SistemasSistemas OperacionaisOperacionais

IntroduçãoIntroduçãoAulaAula 0101AulaAula 0101

33°°°°°°°° QQuadrimestreuadrimestre de 2010de 2010

Prof. Marcelo Z. do Prof. Marcelo Z. do NascimentoNascimentoEmail: marcelo.nascimento@ufabc.edu.brEmail: marcelo.nascimento@ufabc.edu.br

Roteiro

• Introdução

• Funções do S.O.

• Organização do computador

• Arquitetura de sistemas computadorizados• Arquitetura de sistemas computadorizados

• Estrutura do S.O.

• Operações do sistema

• Ambiente de computação

• Leitura Sugerida

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Introdução

Sistema Operacional (SO):

• programa que gerencia o hardware do

computador;

• Fornece a base para os programas aplicativos;• Fornece a base para os programas aplicativos;

• Intermediário entre o usuário e o hardware;

• Projetados para serem convenientes ou eficientes ou uma combinação disso;

• Grande e complexo: necessário uma estrutura do sistema.

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Introdução

Sistema Operacional (SO): Diagrama

US3US2US1

Compilador Planilhas Editor de Texto SGBD

Sistema Operacional

Hardware docomputador

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Funções dos S.O.

Visão do usuário: Interface

• PC

• Projeto para facilitar o uso, com atenção ao desempenho e nenhuma à utilização do recursos.nenhuma à utilização do recursos.

• Terminal

• Projetado para facilitar a utilização de recursos – para garantir que recursos como CPU, Memória e E/S sejam utilizados de modo eficiente (compartilhar recursos).

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Funções dos S.O.

Visão do usuário: Interface

• Computadores portáteis:

• Projetados para facilitar a utilização individual;• Preocupação: desempenho por tempo de vida da bateria.• Preocupação: desempenho por tempo de vida da bateria.

• Computação embutida em dispositivos

• Projetados para serem executados sem intervenção do usuário;

• Exemplo: automóveis e dispositivos domésticos.

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Funções dos S.O.

Visão do sistema: Gerenciador

• Programa envolvido com o hardware• Alocar recursos;• Funções: o tempo de CPU, espaço de memória, dispositivos de

E/S;E/S;• Deve decidir como alocá-lo e a quem, de modo que possa operar

de forma eficiente e justa.

• Programa de controle

• Administrar a execução dos programas do usuário para impedir erros;

• Operação e controle de dispositivos de E/S.7

Funções dos S.O.

O que é um sistema operacional?

• Como o hardware puro não é fácil de utilizar: as funções comuns de controle e alocação são reunidas nesse software;nesse software;

• É o único programa que executa o tempo todo no computador;

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Organização do Computador

• Sistema Computacional

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Organização do Computador

Operação do computador: Sistema Básico de Entrada/Saída (Basic Input/Output System – BIOS)

• O BIOS é o primeiro programa executado pelo computador. computador. – Sua função é preparar o PC para que o SO, que esta

armazenado em um dispositivo (discos rígidos, disquetes, CDs, etc) possa ser carregado para memória e iniciado a sua execução.

• O BIOS é Firmware. • Software armazenado em uma memória de leitura não-

volatil, como ROM e EEPROM.

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Organização do Computador

Operação do computador: O Programa inicial –bootstrap

• Programa carregado durante “power-up” ou “reboot” pelo BIOS.

• O BIOS transfere o controle para o bootstrap, que • O BIOS transfere o controle para o bootstrap, que initializa todas as partes do sistema necessário para carregar o kernel do SO.

• O bootstrap, deverá localizar e carregar o kernel do SO para memória e inicializar a execução ou ativar um processo mais complexo (multi-boot);– Exemplos: GRUB e LILO.

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Organização do Computador

Operação do computador:

• O S.O. começa a executar o primeiro processo “init” e espera que ocorra algum evento;

• Evento = interrupções geradas por software ou hardware:hardware:• Hardware => envia um sinal à CPU (barramento);• Software => executa uma operação especial (system call ou

monitor call).• A rotina de serviço de interrupção (função) entra em operação, ao

completar a operação, a CPU retorna a operação interompida.

• Cada arquitetura tem seu próprio mecanismo de interrupção.

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Organização do Computador

Operação do computador: A rotina de serviço de interrupção

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Organização do Computador

Operação do computador: A rotina de serviço de interrupção

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� Tabela de ponteiros para rotina de interrupção;� Armazenada na memória baixa (100 primeiras

posições).

Organização do ComputadorProcessador: Pentium Intel

Mecanismo de interrupções também usado para exceções

ex. divisão por zero, acesso a endereço de memória protegida ou inexistente.

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� Unidade de Controle (UC)� Unidade Lógica e Aritmética (ULA)� Clock (temporizador) � Registradores – armazena dados (estado do programa)

Organização do Computador

Processador:

� Registradores – armazena dados (estado do programa)� Contador de instruções – contém o endereço da próxima instrução

que o processador deve buscar e executar.

� Apontador de pilha – contém o endereço de memória do topo da pilha, estrutura de dados onde o sistema mantém informação sobre o programa que está sendo executado e foram interrompidos.

� Registrador de Status – responsável por armazenar informações sobre a execução de instruções (overflow).

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Organização do Computador

Armazenamento:

• Programas ficam alocados na memória principal;• memória de acesso aleatória – Random Acess memory – RAM• utilizam semicondutores chamado memória de acesso aleatória

dinâmica (DRAM) que formam um conjunto de words na dinâmica (DRAM) que formam um conjunto de words na memória;

• cada word tem seu próprio endereço;• instruções são movidas das words para registradores da CPU

para processamento.

• Como ocorre o armazenamento de instruções?

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Organização do Computador

Armazenamento:

• Unidade de memória apenas visualiza um fluxo de endereços

• Os programas e dados deveriam estar permanetemente na memóriapermanetemente na memória• Problema:• pequena para armazenar todos os programas;• dispositivo volátil.

• Memória secundária: utilizada como extensão da RAM• Mantém grande quantidade de dados

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Armazenamento: Disco magnético

• Pratos de vidro ou de metal rígido revestidos de material magnético de gravação;

• A superfície do disco está logicamente

Organização do Computador

• A superfície do disco está logicamente dividida em trilhas (tracks), as quais estão divididas em setores (sectors);

• O controlador do disco determina a interação lógica entre o dispositivo e o computador.

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Hierarquia de Armazenamento

� Sistemas de armazenamento são organizados em hierarquia.� Velocidade� Custo

Organização do Computador

� Custo� Volatilidade

� Caching copia informação para um sistema mais rápido de armazenamento;

� A memória principal pode ser vista como um cache rápido para o armazenamento secundário (disco rígido).

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Hierarquia de Armazenamento

Organização do Computador

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Interrupções de E/S:

� Método síncrono => após o início de uma operação E/S, o controle só retorna após o término dessa operação.

Implementação:� a instrução wait coloca a CPU no estado de

Organização do Computador

� a instrução wait coloca a CPU no estado de espera até à próxima interrupção. � utilize-se um ciclo tipo espera.Desvantagens :

• No máximo um pedido E/S é atendido de cada vez.

• Não existe nenhum processamento E/S simultâneo.

• Contenção para acesso à memória (Wait).Método I/O síncrono

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� Vantagens

Organização do Computador

Interrupções de E/S:

� Método assíncrono => após o início de E/S, o controle retorna ao programa sem esperar pela terminação da operação..

� Vantagens� Concorrente E/S operações. � Permite processamento simultâneo.

� Desvantagens �Implementação mais complexa

Método I/O assíncrono

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E/S: Device-status table� contém uma entrada para cada dispositivo E/S, indicando o tipo, endereço e estado.

� O SO indexa a I/O device table para determinar o estado de dispositivo e modifica a sua entrada na tabela de acordo com a ocorrência da interrupção.

Organização do Computador

Tabela de estado dos dispositivos

ocorrência da interrupção.

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E/S: Estrutura DMA (Direct Memory Acess)

� hardware que permite a realização de E/S programado a fim de manter a CPU ocupada única e exclusivamente com as atividades que requerem processamento de resultados;

Organização do Computador

processamento de resultados;

� Após ser programado pela CPU realiza uma transferência de vários blocos de dados de um dispositivo para a memória:

� Somente uma interrupção é gerada por bloco e não por byte;

� CPU só interrompida (interrupção) quando todos estes blocos estiverem no local desejado.

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E/S = Estrutura DMA (Direct Memory Acess)

Organização do Computador

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Sistema Único Processador:

� Uma CPU capaz de executar um conjunto de instruções de uso geral:�Processadores de uso específico (disco,

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

UCPespecífico (disco, controladores gráficos, etc) executam conjunto de instruções limitadas�Exemplo: controlador de disco => recebe solicitação da CPU e implementa sua própria fila de disco e algoritmo de escalonamento.

MemóriaPrincipal

Dispositivosde E/S

UCPprograma/

tarefa

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Sistemas Multiprocessados:

� Sistemas paralelos ou fortemente aclopados� Possui mais de 1 processador,� Compartilham barramento, o clock e a memória;

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

� Compartilham barramento, o clock e a memória;� Vantagens:

� Maior vazão (throughput): tarefa em menos tempo.

� Há um custo adicional para funcionar corretamente => o ganho é inferior a N processadores;

� Economia de escala: custo mais reduzido por compartilhar recurso;

� Maior confiabilidade: distribui corretamente as funções entre os diversos processadores, se um falhar náo interrompe o sistema.

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Sistemas Multiprocessados:

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

MemóriaUCP UCP

MemóriaPrincipal

Dispositivosde E/S

Dispositivosde E/S

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Sistemas Multiprocessados:

� Sistemas tolerantes a falha: pares de CPUs trabalham em cooperação, ou seja, 2 processadores executam instruções e comparam os resultados;

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

� Os sistemas podem ser:� mutiprocessamento assimétrico: relacionamento mestre-

escravos� Multiprocessamento simétrico: cada processador executa

todas as tarefas em um SO.� Exemplo: Windows XP, Mac OS X, Linux.

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Sistemas Multiprocessados:

� Tendências de Projeto de CPU => múltiplos núcleos em um único chip – SO aparecem com N processadores;

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

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Cluster:

� Composto de 2 ou mais sistemas acoplados e conectados por um rede local;

� Configurações:� assimétrica:uma máquina em modo hot-standy (monitora o

servidor ativo);

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

� assimétrica:uma máquina em modo hot-standy (monitora o servidor ativo);

� simétrica: 2 ou mais hosts estão executando aplicações e monitorando um ao outro.

UCP UCP

MemóriaPrincipal

MemóriaPrincipal

Dispositivosde E/ S

link de comunicação

Dispositivosde E/ S

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Estrutura do S.O.• Provê um ambiente dentro do qual os programas são

executados;• Fornece:• Capacidade de multiprogramar: aumenta capacidade

de uso da CPU, organizando as tarefas do modo que a CPU sempre tenha uma (Situações da vida => de uso da CPU, organizando as tarefas do modo que a CPU sempre tenha uma (Situações da vida => Advogado);• Tempo compartilhado: extensão lógica da

multiprogramação => CPU executa várias tarefas alternando entre elas.

• Escalonamento e multiprogramação possibilita ao usuário usar parte do computador.

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Estrutura do S.O.

• Cada usuário tem pelo menos um programa separado na memória;• Programas são carregados na memória.

• Devido ao tamanho: as tarefas são mantidas no disco => • Devido ao tamanho: as tarefas são mantidas no disco => o escalonador deve decidir quem irá para memória;

• Garantir tempo de resposta razoável => swapping• Ex.: Memória virtual => permite a execução de um processo que

não está completamente na memória (programas maiores que a memória física).

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� Os eventos são sinalizados quase sempre pela ocorrência de uma interrupção ou trap

� Compartilhamento de recursos do sistema obriga o SO a garantir que um programa errado não provoque execução errônea de outros programas

Operação do Sistema

execução errônea de outros programas

� Provê suporte do hardware para diferenciar entre dois modos de operação� Modo usuário - execução feita em nome de um usuário

� Modo Monitor (também modo supervisor ou modo sistema) − execução feita em nome do SO.

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Modo Dual:

� Mode bit adicionado ao hardware do computador para indicar o modo corrrente: monitor (0) ou usuário (1).

� Quando uma interrupção ou erro ocorre, o hardware troca para o modo monitor.

Operação do Sistema

troca para o modo monitor.

� Instruções Privilegiadas podem ser executadas somente em modo monitor (modo kernel).

monitor

usuário

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Operação do Sistema

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• Temporizador previne que programa de usuário fique preso com um recurso (CPU).

– Ex. um loop infinito

• Como trabalha:

Temporizador

– Antes de passar o controle para o programa de usuário, o SO configura um tempo com um específico valor;

– Após o período, uma interrupção é disparada e o SO retém o controle;

– O SO então decide se permitirá usar o recurso por mais tempo ou terminá-lo.

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� “Um processo é um programa em execução”.

� Exemplo: um processador de textos executado por um usuário individual em um PC.

� Um processo precisa de certos recursos, incluindo

Gerência de Processos

� Um processo precisa de certos recursos, incluindo tempo de CPU, memória, arquivos e dispositivo de E/S para completar sua tarefa.

� Um programa é uma entidade passiva (conteúdo do arquivo armazenado em disco), enquanto o processo é uma entidade ativa (contador de programa).

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• O SO é responsável pelas seguintes atividades relacionadas à administração de processos:

� Criação e deleção de processos (usuário e SO);

Gerência de Processos

� Criação e deleção de processos (usuário e SO);� Suspensão e reativação de processos;� Provisão de mecanismos para:

� Sincronização de processos;� Comunicação de processos;� Fornecer mecanismos para manipulação de deadlock

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� A memória principal é uma grande sequência de words ou bytes, cada um com o seu próprio endereço.

� Ela é o repositório de dados rapidamente acessíveis compartilhados para CPU e os dispositivos de E/S.

Gerência de Memória

� A memória principal é um dispositivo de armazenamento volátil. Ela perde o seu conteúdo no caso de falha do sistema.

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� O SO é responsável pelas seguintes atividades relacionadas à administração da memória principal:

� Manter registro de quais partes da memória estão correntemente sendo utilizadas e por quem;

Gerência de Memória

� Decidir que processos carregar quando há espaço disponível na memória;

� Alocar e desalocar espaço na memória quando necessário.

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� O SO abstrai as propriedades físicas de seus dispositivos de armazenamento para definir uma unidade lógica de armazenamento => o arquivo.

� Arquivo é uma coleção de informações relacionadas

Gerência de Arquivo

� Arquivo é uma coleção de informações relacionadas definida pelo seu criador. Geralmente, os arquivos representam programas (tanto em formato fonte como objeto) e dados.

� Para guardar os arquivos, a maioria dos SO fornece o conceito de diretório como modo de agrupar arquivos

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� O SO é responsável pelas seguintes atividades:

� Criar e apagar arquivo;

� Criar e apagar diretório;

Gerência de Arquivo

� Suportar primitivas para a manipulação de arquivos e diretórios;

� Mapear arquivos em memória secundária;

� Copiar arquivos em meio de armazenamento estável (não volátil).

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� O SO busca ocultar as peculiaridades de dispositivos de hardware específicos do usuário.

� O UNIX esconde as peculiaridades => um subsistema E/S é utilizado:

Um sistema de buffer-caching;

Sistema de E/S

� Um sistema de buffer-caching;

� Uma interface geral de drivers de dispositivos;

� Drivers para os hardware específicos dos dispositivos

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� Desde que a memória principal é volátil e muito pequena para acomodar todos os dados e os programas permanentemente, o sistema computacional deve prover armazenamento secundário para recuperar a memória principal;

Gerência de Armazenamento

secundário

principal;

� A maioria dos sistemas de computação modernos utilizam discos como o principal meio de armazenamento on-line, tanto para os programas como para os dados.

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� O SO é responsável pelas seguintes atividades relacionadas à administração do armazenamento secundário:

Administração do espaço livre.

Gerência de Armazenamento

secundário

� Administração do espaço livre.

� Alocação de armazenamento (espaço necessário).

� Programação de alocação do disco (fragmentação).

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Caching

• As informações são mantidas na memória principal e a medida que são utilizadas são copiadas para um sistema mais rápido de armazenamento – a cache;

• Consulta primeiro a cache, caso não tenha vai até a • Consulta primeiro a cache, caso não tenha vai até a memória e faz uma cópia para a cache;

• A seleção cuidadosa de seu tamanho e de sua politíca de substituição pode resultar em um desempenho bastante aumentado.

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Caching

Desempenho de vários níveis de armazenamento

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� Um sistema distribuído é uma coleção de processadores que não compartilham a memória principal.

� Ao contrário, cada processador tem sua própria memória local;

Sistema Distribuído

memória local;

� Os processadores no sistema são conectados através de uma rede de comunicação (LAN);

� Um sistema distribuído provê ao usuário acesso a vários recursos do sistema;

� O acesso a um recurso compartilhado aumenta velocidade de computação.

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� Uma rede é a via simples de comunicação entre dois ou mais sistemas:

� Varia de acordo com o protocolo: maioria dos S.Os suportam TCP/IP.

� A distância: LAN, WAN, MAN;

Sistema Distribuído

� A distância: LAN, WAN, MAN;

� Um S.O. de rede provê recursos compartilhados de arquivo pela rede e inclui um esquema de comunicação que permite que diferentes processos em diferentes computadores troquem mensagem:

� Há comunicação de fornecer a ilusão de que um único SO controla a rede.

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� Computação tradicional

� Sistema cliente-servidor:

� Servidor de processamento;

� Servidor de arquivos.

Ambiente de Computação

� Sistema peer-to-peer:

� serviços fornecidos por vários nós distribuídos por meio de uma rede.

� Computação baseada na Web:

� balanceadores de carga: distribui conexão da rede entre um banco de servidores semelhantes.

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Aula 01 - Sumário

• Temas abordados:

• Funções do S.O.: Usuário e Sistema

• Organização do computador: recursos

• Arquitetura de sistemas computadorizados: único e • Arquitetura de sistemas computadorizados: único e multiprocessados

• Operações do sistema: modo dual

• Estrutura do S.O: Gerenciadores

• Ambiente de computação: cliente/servidor, peer-to-peer

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Leituras Sugeridas

• Silberschatz, A., Galvin, P. B. Gagne, G. Sistemas Operacionais com Java. 7º , edição. Editora, Campus, 2008

• Silberschatz, Abraham; Galvin, Peter Baer; Gagne, Greg. Fundamentos de sistemas operacionais. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

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Acesse o link abaixo para obté-la:

http://hostel.ufabc.edu.br/~marcelo.nascimento/

Nota de Aula

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