Faculdades So JosTecnologia de Sistemas de Informao
Sistemas Operacionais Prof. Sandro Melo
Apresentao Professor Sandro Melo
Contatos:[email protected]://profsandromelo.blogspot.com2
Plano de AulaSistemas Operacionais I - Conceitos BsicosAulas
04/08 11/08 18/08 25/08 01/09 08/09 15/09
II - Gerncia de tarefas III - Comunicao entre Tarefas
IV - Coordenao entre Tarefas TA1V - Gerncia de Memria VI -
Gerncia de Arquivos VII - Gerncia de Entrada/Sada VII - Aspectos de
Segurana TA2 TA3
22/09 29/1006/10 13/10 20/10 27/10 03/11 10/11 17/11 24/11
08/123
Bibliografia1- Fundamentos de Sistemas
Operacionais.SILBERSCHATZ, Abraham; GALVIN, Peter Baer; GAGNE,
Greg. 6 ed. LTC,2004.Parte I - Uma viso geral1. Introduo 2.
Estruturas do Sistema Operacional
Parte V - Proteo e segurana14. Proteo 15. Segurana
Parte VI - Sistemas distribudos16. Estruturas de Sistemas
Distribudos 17. Sistemas de Arquivos Distribudos 18. Coordenao
Distribuda
Parte II - Gerenciamento de processos3. Processos 4. Threads 5.
Scheduling da CPU 6. Sincronizao de processos 7. Deadlocks
Parte VII - Sistemas de uso especfico19. Sistemas de Tempo Real
20. Sistemas Multimdia
Parte VIII - Estudos de caso21. O Sistema Linux 22. Windows XP
23. Sistemas Operacionais Influentes
Parte III - Gerenciamento da memria8. Memria Principal 9. Memria
Virtual
Parte IV - Gerenciamento de armazenamento10. Interface do
Sistema de Arquivos 11. Implementao do Sistema de Arquivos 12.
Estrutura de Armazenamento de Massa 13. Sistemas de I/O
4 ADONAI - Preparatrio para QT
Bibliografia2 - Sistemas Operacionais Modernos.TANENBAUM, A. S.
2 ed. So Paulo: Prentice-Hall Brasil,2003Captulo 1 IntroduoCaptulo
2 Processos e Threads Captulo 3 Deadlocks Captulo 4 Gerenciamento
de Memria Captulo 5 Entrada/Sada Captulo 6 Sistemas de Arquivos
Captulo 7 Sistemas Operacionais Multimdia Captulo 8 Sistemas com
Mltiplos Processadores Captulo 9 Segurana Captulo 10 Estudo de Caso
1: Unix e Linux Captulo 11 Estudo de Caso 2: Windows 2000 Captulo
12 Projeto de Sistemas Operacionais
5 ADONAI - Preparatrio pa
Sistemas OperacionaisI Conceitos BsicosIntroduo 1 Objetivos 2
Tipos 3 Funcionalidades 4 Estrutura de um Sistema Operacional 5
Conceitos de Hardware 6 Arquitetura de um Sistema Operacional 7
Histrico dos Sistemas Operacionais
6
Sistemas OperacionaisIntroduo Um sistema de computao constitudo
basicamente por hardware e software. O hardware composto por:
circuitos eletrnicos (processador, memria, portas de entrada/sada,
etc) perifricos eletro-ptico-mecnicos (teclados, mouses, discos
rgidos, unidades de disquete, CD ou DVD, dispositivos USB,
etc).
O software de aplicao representado por programas destinados ao
usurio do sistema, que constituem a razo final de seu uso, como
editores de texto, navegadores Internet ou jogos.Entre os
aplicativos e o hardware reside uma camada de software
multifacetada e complexa, denominada genericamente de Sistema
Operacional.7
Sistemas OperacionaisIntroduo O sistema operacional uma camada
de software que opera entre o hardware e os programas aplicativos
voltados ao usurio final. O sistema operacional uma estrutura de
software ampla,muitas vezes complexa, que incorpora: aspectos de
baixo nvel (como drivers de dispositivos e gerncia de memria fsica)
aspectos de alto nvel (como programas utilitrios e a prpria
interface grfica).
8
Sistemas OperacionaisIntroduo A figura ilustra a arquitetura
geral de um sistema de computao tpico. elementos de hardware,
sistema operacional e programas aplicativos.
9
Sistemas Operacionais1 Objetivos :
Os objetivos bsicos de um sistema operacional podem ser
sintetizados em duas palavras-chave: abstrao e gerncia.Existe uma
grande distncia entre os circuitos eletrnicos e dispositivos de
hardware e os programas aplicativos em software. Os circuitos so
complexos, acessados atravs de interfaces de baixo nvel (geralmente
usando as portas de entrada/sada do processador) e muitas vezes
suas caractersticas e seu comportamento dependem da tecnologia
usada em sua construo. Por exemplo, a forma de acesso de baixo nvel
a discos rgidos IDE difere da forma de acesso a discos SCSI ou
leitores de CD. Essa grande diversidade pode ser uma fonte de dores
de cabea para o desenvolvedor de aplicativos. Portanto, torna-se
desejvel oferecer aos programas aplicativos uma forma de acesso
homognea aos dispositivos fsicos, que permita abstrair as diferenas
tecnolgicas entre eles.10
Sistemas Operacionais1.1 Abstrao de recursos Acessar os recursos
de hardware de um sistema de computao pode ser uma tarefa complexa,
devido s caractersticas especficas de cada dispositivo fsico e a
complexidade de suas interfaces. Assim, o sistema operacional deve
definir interfaces abstratas para os recursos do hardware, visando
atender os seguintes objetivos: Prover interfaces de acesso aos
dispositivos, mais simples de usar que as interface de baixo nvel
para simplificar a construo de programas aplicativos. Tornar os
aplicativos independentes do hardware Definir interfaces de acesso
homogneas para dispositivos com tecnologias distintas.11
Sistemas Operacionais1.1 Abstrao de recursos Prover interfaces
de acesso aos dispositivos, mais simples de usar que as interface
de baixo nvel para simplificar a construo de programas aplicativos.
Por exemplo: para ler dados de um disco rgido, uma aplicao usa um
conceito chamado arquivo, que implementa uma viso abstrata do disco
rgido, acessvel atravs de operaes como open, read e close. Caso
tivesse de acessar o disco diretamente, teria de manipular portas
de entrada/sada e registradores com comandos para o controlador de
disco (sem falar na dificuldade de localizar os dados desejados
dentro do disco).12
Sistemas Operacionais1.1 Abstrao de recursos Tornar os
aplicativos independentes do hardware Ao definir uma interface
abstrata de acesso a um dispositivo de hardware, o sistema
operacional desacopla o hardware dos aplicativos e permite que
ambos evoluam de forma mais autnoma. Por exemplo, o cdigo de um
editor de textos no deve ser dependente da tecnologia de discos
rgidos utilizada no sistema.
13
Sistemas Operacionais1.1 Abstrao de recursos Definir interfaces
de acesso homogneas para dispositivos com tecnologias distintas.
Atravs de suas abstraes, o sistema operacional permite aos
aplicativos usar a mesma interface para dispositivos diversos. Por
exemplo, um aplicativo acessa dados em disco atravs de arquivos e
diretrios, sem precisar se preocupar com a estrutura real de
armazenamento dos dados, que podem estar em um: disquete, um disco
IDE, uma mquina fotogrfica digital conectada porta USB, um CD ou
mesmo um disco remoto, compartilhado atravs da rede. 14
Sistemas Operacionais1.1 Abstrao de recursos Por exemplo, a
seqncia a seguir apresenta os principais passos envolvidos na
abertura de um arquivo (operao open) em um leitor de disquete:
1. verificar se os parmetros informados esto corretos (nome do
arquivo, identificador do leitor de disquete, buffer de leitura,
etc); 2. verificar se o leitor de disquetes est disponvel; 3.
verificar se o leitor contm um disquete; 4. ligar o motor do leitor
e aguardar atingir a velocidade de rotao correta; 5. posicionar a
cabea de leitura sobre a trilha onde est a tabela de diretrio; 6.
ler a tabela de diretrio e localizar o arquivo ou subdiretrio
desejado; 7. mover a cabea de leitura para a posio do bloco inicial
do arquivo; 8. ler o bloco inicial do arquivo e deposit-lo em um
buffer de memria.15
Sistemas Operacionais1.2 Gerncia de recursos Os programas
aplicativos usam o hardware para atingir seus objetivos: ler e
armazenar dados, editar e imprimir documentos, navegar na Internet,
tocar msica, etc.
Em um sistema com vrias atividades simultneas, podem surgir
conflitos no uso do hardware, quando dois ou mais aplicativos
precisam dos mesmos recursos para poder executar. Cabe ao sistema
operacional definir polticas para gerenciar o uso dos recursos de
hardware pelos aplicativos, e resolver eventuais disputas e
conflitos.16
Sistemas Operacionais1.2 Gerncia de recursos Vejamos algumas
situaes onde a gerncia de recursos do hardware se faz necessria:
Gerncia de Processos: Cada computador possui normalmente um s
processador. O uso desse processador deve ser distribudo entre os
aplicativos presentes no sistema, de forma que cada um deles possa
executar na velocidade adequada para cumprir suas funes sem
prejudicar os outros.
Gerncia de Memria: O mesmo ocorre com a memria RAM, que deve ser
distribuda de forma justa entre as aplicaes.
17
Sistemas Operacionais1.2 Gerncia de recursos Vejamos algumas
situaes onde a gerncia de recursos do hardware se faz necessria:
Gerncia de Impresso: A impressora um recurso cujo acesso deve ser
efetuado de forma mutuamente exclusiva (apenas um aplicativo por
vez), para no ocorrer mistura de contedo nos documentos impressos.
O sistema operacional resolve essa questo definindo uma fila de
trabalhos a imprimir (print jobs) normalmente atendidos de forma
seqencial (FIFO).
18
Sistemas Operacionais1.2 Gerncia de recursos Vejamos algumas
situaes onde a gerncia de recursos do hardware se faz necessria:
Gerncia de Segurana: Ataques de negao de servio (DoS Denial of
Service) so comuns na Internet. Eles consistem em usar diversas
tcnicas para forar um servidor de rede a dedicar seus recursos a
atender um determinado usurio, em detrimento dos demais. Por
exemplo, ao abrir milhares conexes simultneas em um servidor de
e-mail, um atacante pode reservar para si todos os recursos do
servidor (processos, conexes de rede, memria e processador),
fazendo com que os demais usurios no sejam mais atendidos.
responsabilidade do sistema operacional do servidor detectar tais
situaes e impedir que todos os recursos do sistema sejam
monopolizados por um s usurio (ou um pequeno grupo).19
Sistemas Operacionais1.3 Concluso Assim, um sistema operacional
visa: abstrair o acesso e gerenciar os recursos de hardware.
Provendo aos aplicativos um ambiente de execuo abstrato. No qual o
acesso aos recursos se faz atravs de interfaces simples,
independentes das caractersticas e detalhes de baixo nvel. E no
qual os conflitos no uso do hardware so minimizados.
20
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais Os
sistemas operacionais podem ser classificados segundo diversos
parmetros e perspectivas, como tamanho, velocidade, suporte a
recursos especficos, acesso rede, etc.
A seguir so apresentados alguns tipos de sistemas operacionais
usuais (muitos sistemas operacionais se encaixam bem em mais de uma
das categorias): Batch (de lote) : De rede : Distribudo :
Multiusurio : Desktop : Servidor : Embutido : Tempo real :21
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais Batch (de
lote) : os sistemas operacionais mais antigos trabalhavam por lote,
ou seja,todos os programas a executar eram colocados em uma fila,
com seus dados e demais informaes para a execuo. O processador
recebia um programa aps o outro, processando-os em seqncia, o que
permitia um alto grau de utilizao do sistema. Ainda hoje o termo em
lote usado para designar um conjunto de comandos que deve ser
executado em seqncia, sem interferncia do usurio. Exemplos desses
sistemas incluem o OS/360 e VMS, entre outros.22
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais De rede :
um sistema operacional de rede deve possuir suporte operao em rede,
ou seja, a capacidade de oferecer s aplicaes locais recursos que
estejam localizados em outros computadores da rede, como arquivos e
impressoras. Ele tambm deve disponibilizar seus recursos locais aos
demais computadores, de forma controlada. A maioria dos sistemas
operacionais atuais oferece esse tipo de funcionalidade.
23
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais Distribudo
: em um sistema operacional distribudo, os recursos de cada mquina
esto disponveis globalmente, de forma transparente aos usurios. Ao
lanar uma aplicao, o usurio interage com sua janela, mas no sabe
onde ela est executando ou armazenando seus arquivos: o sistema
quem decide, de forma transparente. Os sistemas operacionais
distribudos: Amoeba e Clouds
24
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais
Multiusurio : um sistema operacional multiusurio deve suportar a
identificao do dono de cada recurso dentro do sistema (arquivos,
processos, reas de memria, conexes de rede) e impor regras de
controle de acesso para impedir o uso desses recursos por usurios
no autorizados. Essa funcionalidade fundamental para a segurana dos
sistemas operacionais de rede e distribudos. Grande parte dos
sistemas atuais so multiusurios.
25
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais Desktop :
um sistema operacional de mesa voltado ao atendimento do usurio
domstico e corporativo para a realizao de atividades corriqueiras,
como edio de textos e grficos, navegao na Internet e reproduo de
mdias simples. Sua principais caractersticas so a interface grfica,
o suporte interatividade e a operao em rede. Exemplos de sistemas
desktop so o Windows XP, MacOS X e Linux.
26
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais Servidor :
um sistema operacional servidor deve permitir a gesto eficiente de
grandes quantidades de recursos (disco, memria, processadores),
impondo prioridades e limites sobre o uso dos recursos pelos
usurios e seus aplicativos. Normalmente um sistema operacional
servidor tambm tem suporte a rede e multiusurios.
27
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais Embutido :
um sistema operacional dito embutido (embedded) quando construdo
para operar sobre um hardware com poucos recursos de processamento,
armazenamento e energia. Aplicaes tpicas desse tipo de sistema
aparecem em telefones celulares, controladores industriais e
automotivos, equipamentos eletrnicos de uso domstico (leitores de
DVD, TVs, fornos-micro-ondas, centrais de alarme, etc.). Muitas
vezes um sistema operacional embutido se apresenta na forma de uma
biblioteca a ser ligada ao programa da aplicao (que fixa). Exemplos
de sistemas operacionais embutidos so o C/OS, Xylinx, LynxOS e
VxWorks.28
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais Tempo real
: ao contrrio da concepo usual, um sistema operacional de tempo
real no precisa ser necessariamente ultra-rpido; sua caracterstica
essencial ter um comportamento temporal previsvel (ou seja, seu
tempo de resposta deve ser conhecido no melhor e pior caso de
operao). A estrutura interna de um sistema operacional de tempo
real deve ser construda de forma a minimizar esperas e latncias
imprevisveis, como tempos de acesso a disco e sincronizaes
excessivas. Existem duas classificaes de sistemas de tempo real:
soft real-time systems, nos quais a perda de prazos implica na
degradao do servio prestado. Um exemplo seria o suporte gravao de
CDs ou reproduo de msicas. Caso o sistema se atrase, pode ocorrer a
perda da mdia em gravao ou falhas na msica que est sendo tocada.
Por outro lado, nos hard real-time systems a perda de prazos pelo
sistema pode perturbar o objeto controlado, com graves conseqncias
humanas, econmicas ou ambientais. 29
Sistemas Operacionais2 Tipos de sistemas operacionais Tempo real
: Exemplos desse tipo de sistema seriam o controle de funcionamento
de uma turbina de avio a jato ou de uma caldeira industrial.
Exemplos de sistemas de tempo real incluem o : QNX, RT-Linux e
VxWorks. Muitos sistemas embutidos tm caractersticas de tempo
real.
30
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades Para cumprir seus
objetivos de abstrao e gerncia, o sistema operacional deve atuar em
vrias frentes. Cada um dos recursos do sistema possui suas
particularidades, o que impe exigncias especficas para gerenciar e
abstrair os mesmos. As principais funcionalidades implementadas por
um sistema operacional tpico so: Gerncia do processador Gerncia de
memria Gerncia de dispositivos Gerncia de arquivos Gerncia de
proteo31
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades: Gerncia do processador
tambm conhecida como gerncia de processos ou de atividades, esta
funcionalidade visa distribuir a capacidade de processamento de
forma justa entre as aplicaes, evitando que uma aplicao monopolize
esse recurso e respeitando as prioridades dos usurios. O sistema
operacional prov a iluso de que existe um processador independente
para cada tarefa, o que facilita o trabalho dos programadores de
aplicaes e permite a construo de sistemas mais interativos. Tambm
faz parte da gerncia de atividades fornecer abstraes para
sincronizar atividades inter-dependentes e prover formas de
comunicao entre elas.
32
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades: Gerncia de memria tem
como objetivo fornecer a cada aplicao uma rea de memria prpria,
independente e isolada das demais aplicaes e inclusive do ncleo do
sistema. O isolamento das reas de memria das aplicaes melhora a
estabilidade e segurana do sistema como um todo, pois impede
aplicaes com erros (ou aplicaes maliciosas) de interferir no
funcionamento das demais aplicaes. Alm disso, caso a memria RAM
existente seja insuficiente para as aplicaes, o sistema operacional
pode aument-la de forma transparente s aplicaes, usando o espao
disponvel em um meio de armazenamento secundrio (como um disco
rgido). Uma importante abstrao construda pela gerncia de memria a
noo de memria virtual, que desvincula os endereos de memria vistos
por cada aplicao dos endereos acessados pelo processador na memria
RAM. Com isso, uma aplicao pode ser carregada em qualquer posio
livre da memria, sem que seu programador tenha de se preocupar com
os endereos de memria onde ela ir executar.33
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades: Gerncia de dispositivos
cada perifrico do computador possui suas peculiaridades; assim, o
procedimento de interao com uma placa de rede completamente
diferente da interao comum disco rgido SCSI. Todavia, existem
muitos problemas e abordagens em comum para o acesso aos
perifricos. Por exemplo, possvel criar uma abstrao nica para a
maioria dos dispositivos de armazenamento como pen-drives, discos
SCSI ou IDE, disquetes, etc, na forma de um vetor de blocos de
dados. A funo da gerncia de dispositivos (tambm conhecida como
gerncia de entrada/sada) implementar a interao com cada dispositivo
por meio de drivers e criar modelos abstratos que permitam agrupar
vrios dispositivos distintos sob a mesma interface de acesso.34
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades: Gerncia de arquivos esta
funcionalidade construda sobre a gerncia de dispositivos e visa
criar arquivos e diretrios, definindo sua interface de acesso e as
regras para seu uso. importante observar que os conceitos abstratos
de arquivo e diretrio so to importantes e difundidos que muitos
sistemas operacionais os usam para permitir o acesso a recursos que
nada tem a ver com armazenamento. Exemplos disso so as conexes de
rede (nos sistemas UNIX e Windows, cada socket TCP visto como um
descritor de arquivo no qual pode-se ler ou escrever dados) e as
informaes do ncleo do sistema (como o diretrio /proc do UNIX).
35
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades: Gerncia de proteo com
computadores conectados em rede e compartilhados por vrios usurios,
importante definir claramente os recursos que cada usurio pode
acessar, as formas de acesso permitidas (leitura, escrita, etc) e
garantir que essas definies sejam cumpridas. Para proteger os
recursos do sistema contra acessos indevidos, necessrio: definir
usurios e grupos de usurios; identificar os usurios que se conectam
ao sistema, atravs de procedimentos de autenticao; definir e
aplicar regras de controle de acesso aos recursos, relacionando
todos os usurios, recursos e formas de acesso e aplicando essas
regras atravs de procedimentos de autorizao; e finalmente registrar
o uso dos recursos pelos usurios, para fins de auditoria e
contabilizao.36
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades: Alm dessas
funcionalidades bsicas oferecidas pela maioria dos sistemas
operacionais, vrias outras vm se agregar aos sistemas modernos,
para cobrir aspectos complementares, como: interface grfica,
suporte de rede, fluxos multimdia, gerncia de energia, etc. As
funcionalidades do sistema operacional geralmente so
interdependentes: por exemplo, a gerncia do processador depende de
aspectos da gerncia de memria, assim como a gerncia de memria
depende da gerncia de dispositivos e da gerncia de proteo.
37
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades: Alguns autores
[Silberschatz et al., 2001, Tanenbaum, 2003] representam a
estrutura do sistema operacional conforme indicado na figura 2.
Nela, o ncleo central implementa o acesso de baixo nvel ao
hardware, enquanto os mdulos externos representam as vrias
funcionalidades do sistema.
38
Sistemas Operacionais3 Funcionalidades: Uma regra importante a
ser observada na construo de um sistema operacional a separao entre
os conceitos de poltica e mecanismo. Como poltica consideram-se os
aspectos de deciso mais abstratos, que podem ser resolvidos por
algoritmos de nvel mais alto, como por exemplo decidir a quantidade
de memria que cada aplicao ativa deve receber, ou qual o prximo
pacote de rede a enviar para satisfazer determinadas especificaes
de qualidade de servio. Por outro lado, como mecanismo
consideram-se os procedimentos de baixo nvel usados para
implementar as polticas, ou seja, atribuir ou retirar memria de uma
aplicao, enviar ou receber um pacote de rede, etc. Os mecanismos
devem ser suficientemente genricos para suportar mudanas de poltica
sem necessidade de modificaes.39
Sistemas Operacionais4 Estrutura de um sistema operacional Um
sistema operacional no um bloco nico e fechado de software
executando sobre o hardware. Na verdade, ele composto de diversos
componentes com objetivos e funcionalidades complementares. Ncleo
Drivers Cdigo de Inicializao Programas utilitrios
40
Sistemas Operacionais4 Estrutura de um sistema operacional
Ncleo: o corao do sistema operacional, responsvel pela gerncia dos
recursos do hardware usados pelas aplicaes. Ele tambm implementa as
principais abstraes utilizadas pelos programas aplicativos.
Drivers: mdulos de cdigo especficos para acessar os dispositivos
fsicos. Existe um driver para cada tipo de dispositivo, como discos
rgidos IDE, SCSI, portas USB, placas de vdeo, etc. Muitas vezes o
driver construdo pelo prprio fabricante do hardware e fornecido em
forma compilada (em linguagem de mquina) para ser acoplado ao
restante do sistema operacional. Cdigo de Inicializao: a
inicializao do hardware requer uma srie de tarefas complexas, como
reconhecer os dispositivos instalados, test-los e configur-los
adequadamente para seu uso posterior. Outra tarefa importante
carregar o ncleo do sistema operacional em memria e iniciar sua
execuo.41
Sistemas Operacionais4 Estrutura de um sistema operacional
Programas utilitrios: so programas que facilitam o uso do sistema
computacional, fornecendo funcionalidades complementares ao ncleo,
como: formatao de discos e mdias, configurao de dispositivos,
manipulao de arquivos (mover, copiar, apagar), interpretador de
comandos, terminal, interface grfica, gerncia de janelas, etc.
42
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware O sistema
operacional interage diretamente com o hardware para fornecer
servios s aplicaes. Para a compreenso dos conceitos implementados
pelos sistemas operacionais, necessrio ter uma viso clara dos
recursos fornecidos pelo hardware e a forma de acess-los. Esta seo
apresenta uma reviso dos principais aspectos do hardware de um
computador pessoal convencional.
43
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware Um sistema de
computao tpico constitudo de um ou mais processadores, responsveis
pela execuo das instrues das aplicaes, uma rea de memria que
armazena as aplicaes em execuo (seus cdigos e dados) e dispositivos
perifricos que permitem o armazenamento de dados e a comunicao com
o mundo exterior, como discos rgidos, terminais e teclados.
A maioria dos computadores mono-processados atuais segue uma
arquitetura bsica definida nos anos 40 por John Von Neumann,
conhecida por arquitetura Von Neumann. A principal caracterstica
desse modelo a idia de programa armazenado, ou seja, o programa a
ser executado reside na memria junto com os dados. Os principais
elementos constituintes do computador esto interligados por um ou
mais barramentos (para a transferncia de dados, endereos e sinais
de controle).44
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware A figura 4 ilustra
a arquitetura de um computador tpico.
45
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware O ncleo do sistema
de computao o processador. Ele responsvel por continuamente:
ler instrues e dados da memria ou de perifricos, process-los e
enviar os resultados de volta memria ou a outros perifricos.
Um processador convencional normalmente constitudo de: uma
unidade lgica e aritmtica (ULA), que realiza os clculos e operaes
lgicas, um conjunto de registradores para armazenar dados de
trabalho e alguns registradores para funes especiais (contador de
programa, ponteiro de pilha, flags de status, etc).
46
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware Todas as
transferncia de dados entre processador, memria e perifricos so
feitas atravs dos barramentos: o barramento de endereos indica a
posio de memria (ou o dispositivo) a acessar, o barramento de
controle indica a operao a efetuar (leitura ou escrita) e o
barramento de dados transporta a informao indicada entre o
processador e a memria ou um controlador de dispositivo.
47
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware O acesso memria
geralmente mediado por um controlador especfico (que pode estar
fisicamente dentro do prprio processador): a Unidade de Gerncia de
Memria (MMU - Memory Management Unit). Ela responsvel por: analisar
cada endereo solicitado pelo processador, valid-los, efetuar as
converses de endereamento necessrias e executar a operao solicitada
pelo processador (leitura ou escrita de uma posio de memria).
48
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware Os perifricos do
computador (discos, teclado, monitor, etc) so acessados atravs de
circuitos especficos genericamente denominados controladores: placa
de vdeo permite o acesso ao monitor, placa ethernet d acesso rede,
Controlador USB permite acesso ao mouse, teclado e outros
dispositivos USB externos.
Para o processador, cada dispositivo representado por seu
respectivo controlador. Os controladores podem ser acessados atravs
de portas de entrada/sada endereveis: a cada controlador atribuda
uma faixa de endereos de portas de entrada/sada.
49
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware A tabela 1 a seguir
apresenta alguns endereos portas de entrada/sada para acessar
controladores em um PC tpico:
50
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes
Quando um controlador de perifrico tem uma informao importante a
fornecer ao processador, ele tem duas alternativas de comunicao:
Aguardar at que o processador o consulte, o que poder ser demorado
caso o processador esteja ocupado com outras tarefas (o que
geralmente ocorre); Notificar o processador atravs do barramento de
controle, enviando a ele uma requisio de interrupo (IRQ Interrupt
ReQuest). Ao receber a requisio de interrupo, os circuitos do
processador suspendem seu fluxo de execuo corrente e desviam para
um endereo pr-definido, onde se encontra uma rotina de tratamento
de interrupo (interrupt handler).51
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes Essa
rotina responsvel por tratar a interrupo, ou seja, executar as aes
necessrias para atender o dispositivo que a gerou. Ao final da
rotina de tratamento da interrupo, o processador retoma o cdigo que
estava executando quando recebeu a requisio. A figura 5 representa
os principais passos associados ao tratamento de uma interrupo
envolvendo a placa de rede Ethernet, enumerados a seguir:
52
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes 1. O
processador est executando um programa qualquer (em outras
palavras, um fluxo de execuo); 2. Um pacote vindo da rede recebido
pela placa Ethernet; 3. A placa envia uma solicitao de interrupo
(IRQ) ao processador; 4. O processamento desviado do programa em
execuo para a rotina de tratamento da interrupo; 5. A rotina de
tratamento executada para receber as informaes da placa de rede
(via barramentos de dados e de endereos) e atualizar as estruturas
de dados do sistema operacional; 6. A rotina de tratamento da
interrupo finalizada e o processador retorna execuo do programa que
havia sido interrompido.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes Esse
roteiro de aes ocorre a cada requisio de interrupo recebida pelo
processador. Cada interrupo geralmente corresponde a um evento
ocorrido em um dispositivo perifrico: a chegada de um pacote de
rede, um click no mouse, uma operao concluda pelo controlador de
disco, etc.
Isso representa centenas ou mesmo milhares de interrupes
recebidas por segundo, dependendo da carga e da configurao do
sistema (nmero e natureza dos perifricos). Por isso, as rotinas de
tratamento de interrupo devem ser curtas e realizar suas tarefas
rapidamente (para no prejudicar o desempenho do sistema).54
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes
Normalmente o processador recebe e trata cada interrupo recebida,
mas nem sempre isso possvel. Por exemplo, receber e tratar uma
interrupo pode ser problemtico caso o processador j esteja tratando
outra interrupo. Por essa razo, o processador pode decidir ignorar
temporariamente algumas interrupes, se necessrio. Isso feito
ajustando o bit correspondente interrupo em um registrador
especfico do processador.
55
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes Para
distinguir interrupes geradas por dispositivos distintos, cada
interrupo identificada por um inteiro, normalmente com 8 bits. Como
cada interrupo pode exigir um tipo de tratamento diferente (pois os
dispositivos so diferentes), cada IRQ deve disparar sua prpria
rotina de tratamento de interrupo. A maioria das arquiteturas
atuais define um vetor de endereos de funes denominado Vetor de
Interrupes (IV - Interrupt Vector); cada entrada desse vetor aponta
para a rotina de tratamento da interrupo correspondente. Por
exemplo, se a entrada 5 do vetor contm o valor 3C20h, ento a rotina
de tratamento da IRQ 5 iniciar na posio 3C20h da memria RAM. O
vetor de interrupes reside em uma posio fixa da memria RAM,
definida pelo fabricante do processador, ou tem sua posio indicada
pelo 56 contedo de um registrador da CPU especfico para esse
fim.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes As
interrupes recebidas pelo processador tm como origem eventos
externos a ele, ocorridos nos dispositivos perifricos e reportados
por seus controladores. Entretanto, alguns eventos gerados pelo
prprio processador podem ocasionar o desvio da execuo usando o
mesmo mecanismo das interrupes: so as excees. Eventos como instrues
ilegais (inexistentes ou com operandos invlidos), tentativa de
diviso por zero ou outros erros de software disparam excees no
processador, que resultam na ativao de uma rotina de tratamento de
exceo, usando o mesmo mecanismo das interrupes (e o mesmo vetor de
endereos de funes).
57
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes A
tabela 2 representa o vetor de interrupes do processador Intel
Pentium
58
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.1 Interrupes O
mecanismo de interrupo torna eficiente a interao do processador com
os dispositivos perifricos. Se no existissem interrupes, o
processador perderia muito tempo varrendo todos os dispositivos do
sistema para verificar se h eventos a serem tratados. Alm disso, as
interrupes permitem construir funes de entrada/sada assncronas, ou
seja, o processador no precisa esperar a concluso de cada operao
solicitada a um dispositivo, pois o dispositivo gera uma interrupo
para avisar o processador quando a operao for concluda. Interrupes
no so raras, pelo contrrio: em um computador pessoal, o processador
trata de centenas a milhares de interrupes por segundo, dependendo
da carga do sistema e dos perifricos instalados.59
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.2 Proteo do ncleo
Um sistema operacional deve gerenciar os recursos do hardware,
fornecendo-os s aplicaes conforme suas necessidades. Para assegurar
a integridade dessa gerncia, essencial garantir que as aplicaes no
consigam acessar o hardware diretamente, mas sempre atravs de
pedidos ao sistema operacional, que avalia e intermedeia todos os
acessos ao hardware. Ncleo, drivers, utilitrios e aplicaes so
constitudos basicamente de cdigo de mquina. Todavia, devem ser
diferenciados em sua capacidade de interagir com o hardware.
Enquanto o ncleo e os drivers devem ter pleno acesso ao hardware,
para poder configur-lo e gerenci-lo, Os utilitrios e os aplicativos
devem ter acesso mais restrito a ele, para no interferir nas
configuraes e na gerncia, o que acabaria desestabilizando o sistema
inteiro.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.2 Proteo do ncleo
Alm disso, aplicaes com acesso pleno ao hardware tornariam inteis
os mecanismos de segurana e controle de acesso aos recursos (tais
como arquivos, diretrios e reas de memria). Para permitir
diferenciar os privilgios de execuo dos diferentes tipos de
software, os processadores modernos contam com dois ou mais nveis
de privilgio de execuo. Esses nveis so controlados por flags
especiais nos processadores, e as formas de mudana de um nvel de
execuo para outro so controladas estritamente pelo processador. O
processador Pentium, por exemplo, conta com 4 nveis de privilgio
(sendo 0 o nvel mais privilegiado), embora a maioria dos sistemas
operacionais construdos para esse processador s use os nveis
extremos (0 para o ncleo e drivers do sistema operacional e 3 para
utilitrios e aplicaes).
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.2 Proteo do ncleo
Na forma mais simples desse esquema, podemos considerar dois nveis
bsicos de privilgio: Nvel ncleo e Nvel usurio. Nvel ncleo : tambm
denominado nvel supervisor, sistema, monitor ou ainda kernel
space.
Para um cdigo executando nesse nvel, todo o processador est
acessvel: todos os recursos internos do processador (registradores
e portas de entrada/sada) e reas de memria podem ser acessados. Alm
disso, todas as instrues do processador podem ser executadas. Ao
ser ligado, o processador entra em operao neste nvel.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.2 Proteo do ncleo
Na forma mais simples desse esquema, podemos considerar dois nveis
bsicos de privilgio: Nvel ncleo e Nvel usurio. Nvel usurio (ou
userspace): neste nvel, somente um sub-conjunto das instrues do
processador, registradores e portas de entrada/sada esto
disponveis. Instrues perigosas como HALT (parar o processador) e
RESET (reiniciar o processador) so proibidas para todo cdigo
executando neste nvel. Alm disso, o hardware restringe o uso da
memria, permitindo o acesso somente a reas previamente definidas.
Caso o cdigo em execuo tente executar uma instruo proibida ou
acessar uma rea de memria inacessvel, o hardware ir gerar uma
exceo, desviando a execuo para uma rotina de tratamento dentro do
ncleo, que provavelmente ir abortar o programa em execuo (e tambm
gerar a famosa frase este programa executou uma instruo ilegal e
ser finalizado, no caso do Windows).
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.2 Proteo do ncleo
fcil perceber que, em um sistema operacional convencional, o ncleo
e os drivers operam no nvel ncleo, enquanto os utilitrios e as
aplicaes operam no nvel usurio, confinados em reas de memria
distintas, conforme ilustrado na figura 6. Todavia, essa separao
nem sempre segue uma regra to simples; outras opes de organizao de
sistemas operacionais sero abordadas na seo 6.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.3 Chamadas de
Sistema O confinamento de cada aplicao em sua rea de memria,
imposto pelos mapeamentos de memria realizados pela MMU nos acessos
em nvel usurio, prov robustez e confiabilidade ao sistema, pois
garante que uma aplicao no poder interferir nas reas de memria de
outras aplicaes ou do ncleo. Entretanto, essa proteo introduz um
novo problema: como chamar, a partir de uma aplicao, as rotinas
oferecidas pelo ncleo para o acesso ao hardware e suas abstraes? Em
outras palavras, como uma aplicao pode acessar a placa de rede para
enviar/receber dados, se no tem privilgio para acessar as portas de
entrada/sada correspondentes nem pode invocar o cdigo do ncleo que
implementa esse acesso (pois esse cdigo reside em outra rea de
memria)?
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.3 Chamadas de
Sistema A resposta a esse problema est no mecanismo de interrupo,
apresentado na seo 5.1. Os processadores implementam uma instruo
especial que permite acionar o mecanismo de interrupo de forma
intencional, sem depender de eventos externos ou internos. Ao ser
executada, essa instruo (int no Pentium, syscall no MIPS) comuta o
processador para o nvel privilegiado e procede de forma similar ao
tratamento de uma interrupo. Por essa razo, esse mecanismo
denominado interrupo de software, ou trap. Processadores modernos
oferecem instrues especficas para entrar/sair do modo privilegiado,
como SYSCALL e SYSRET (nos processadores Pentium), que permitem a
transferncia rpida do controle para o ncleo, com custo menor que o
tratamento de uma interrupo.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.3 Chamadas de
Sistema A ativao de procedimentos do ncleo usando interrupes de
software (ou outros mecanismos correlatos) denominada chamada de
sistema (system call ou syscall). Os sistemas operacionais definem
chamadas de sistema:
para todas as operaes envolvendo o acesso a recursos de baixo
nvel (perifricos, arquivos, alocao de memria, etc) ou abstraes
lgicas (criao e finalizao de tarefas, operadores de sincronizao e
comunicao, etc).
Geralmente as chamadas de sistema so oferecidas para as aplicaes
em modo usurio atravs de uma biblioteca do sistema (system
library), que prepara os parmetros, invoca a interrupo de software
e retorna aplicao os resultados obtidos.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.3 Chamadas de
Sistema A figura 7 ilustra o funcionamento bsico de uma chamada de
sistema (a chamada read, que l dados de um arquivo previamente
aberto).
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.3 Chamadas de
Sistema Os seguintes passos so realizados: 1. No nvel usurio, a
aplicao invoca a funo read (fd, &buffer, bytes) da biblioteca
de sistema (no Linux a biblioteca GNU C Library, ou glibc; no
Windows, essas funes so implementadas pela API Win32). 2. A funo
read preenche uma rea de memria com os parmetros recebidos e
escreve o endereo dessa rea em um registrador da CPU. Em outro
registrador, ela escreve o cdigo da chamada de sistema desejada (no
caso do Linux, seria 03h para a syscall read). 3. A funo read
invoca uma interrupo de software (no caso do Linux, sempre invocada
a interrupo 80h). 4. O processador comuta para o nvel privilegiado
(kernel level) e transfere o controle para a rotina apontada pela
entrada 80h do vetor de interrupes. 5. A rotina obtm o endereo dos
parmetros, verifica a validade de cada um deles e realiza (ou
agenda para execuo posterior) a operao desejada pela aplicao.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.3 Chamadas de
Sistema Os seguintes passos so realizados: 6. Ao final da execuo da
rotina, eventuais valores de retorno so escritos na rea de memria
da aplicao e o processamento retorna funo read, em modo usurio. 7.
A funo read finaliza sua execuo e retorna o controle aplicao. 8.
Caso a operao solicitada no possa ser realizada imediatamente, a
rotina de tratamento da interrupo de software passa o controle para
a gerncia de atividades, ao invs de retornar diretamente da
interrupo de software para a aplicao solicitante. Isto ocorre, por
exemplo, quando solicitada a leitura de uma entrada do teclado. 9.
Na seqncia, a gerncia de atividades devolve o controle do
processador a outra aplicao que tambm esteja aguardando o retorno
de uma interrupo de software, e cuja operao solicitada j tenha sido
concluda.
Sistemas Operacionais5 Conceitos de hardware5.3 Chamadas de
Sistema A maioria dos sistemas operacionais implementa centenas de
chamadas de sistema distintas, para as mais diversas finalidades. O
conjunto de chamadas de sistema oferecidas por um ncleo define a
API (Application Programming Interface) desse sistema operacional.
Exemplos de APIs bem conhecidas so: a Win32, oferecida pelos
sistemas Microsoft derivados doWindows NT, e a API POSIX
[Gallmeister, 1994], que define um padro de interface de ncleo para
sistemas UNIX.
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Embora a definio de nveis de privilgio (seo 5.3) imponha uma
estruturao mnima a um sistema operacional, as mltiplas partes que
compem o sistema podem ser organizadas de diversas formas,
separando suas funcionalidades e modularizando seu projeto.
Sistemas Monolticos Sistemas em Camadas Sistemas micro-ncleo
Mquinas Virtuais
72
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas Monolticos Em um sistema monoltico, todos os componentes
do ncleo operam em modo ncleo e se inter-relacionam conforme suas
necessidades, sem restries de acesso entre si, pois o cdigo no nvel
ncleo tem acesso pleno a todos os recursos e reas de memria. A
grande vantagem dessa arquitetura seu desempenho: qualquer
componente do ncleo pode acessar os demais componentes, toda a
memria ou mesmo dispositivos perifricos diretamente, pois no h
barreiras impedindo esse acesso. A interao direta entre componentes
tambm leva a sistemas mais compactos. Todavia, a arquitetura
monoltica pode pagar um preo elevado por seu desempenho: a robustez
e a facilidade de desenvolvimento.73
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas Monolticos Caso um componente do ncleo perca o controle
devido a algum erro, esse problema pode se alastrar rapidamente por
todo o ncleo, levando o sistema ao colapso (travamento,
reinicializao ou funcionamento errtico). Alm disso, a manuteno e
evoluo do ncleo se tornam mais complexas, porque as dependncias e
pontos de interao entre os componentes podem no ser evidentes:
pequenas alteraes na estrutura de dados de um componente podem ter
um impacto inesperado em outros componentes, caso estes acessem
aquela estrutura diretamente. A arquitetura monoltica foi a
primeira forma de organizar os sistemas operacionais; sistemas UNIX
antigos e o MS-DOS seguiam esse modelo. Atualmente, apenas sistemas
operacionais embutidos usam essa arquitetura, devido s limitaes do
hardware sobre o qual executam.74
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas Monolticos O ncleo do Linux nasceu monoltico,mas vem sendo
paulatinamente estruturado e modularizado desde a verso 2.0 (embora
boa parte de seu cdigo ainda permanea no nvel de ncleo).
75
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas em Camadas Uma forma mais elegante de estruturar um
sistema operacional faz uso da noo de camadas: a camada mais baixa
realiza a interface como hardware, enquanto as camadas
intermedirias provem nveis de abstrao e gerncia cada vez mais
sofisticados. Por fim, a camada superior define a interface do
ncleo para as aplicaes (as chamadas de sistema). Essa abordagem de
estruturao de software fez muito sucesso no domnio das redes de
computadores, atravs do modelo de referncia OSI (Open Systems
Interconnection), e tambm seria de se esperar sua adoo no domnio
dos sistemas operacionais. No entanto, alguns inconvenientes
limitam sua aceitao nesse contexto:76
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas em Camadas No entanto, alguns inconvenientes limitam sua
aceitao nesse contexto: O empilhamento de vrias camadas de software
faz com que cada pedido de uma aplicao demore mais tempo para
chegar at o dispositivo perifrico ou recurso a ser acessado,
prejudicando o desempenho do sistema. No bvio como dividir as
funcionalidades de um ncleo de sistema operacional em camadas
horizontais de abstrao crescente, pois essas funcionalidades so
inter-dependentes, embora tratem muitas vezes de recursos
distintos. Em decorrncia desses inconvenientes, a estruturao em
camadas apenas parcialmente adotada hoje em dia.
77
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas em Camadas Muitos sistemas implementam uma camada inferior
de abstrao do hardware para interagir com os dispositivos (a camada
HAL Hardware Abstraction Layer, implementada no Windows NT e seus
sucessores), e tambm organizam em camadas alguns sub-sistemas como
a gerncia de arquivos e o suporte de rede (seguindo o modelo OSI).
Como exemplos de sistemas fortemente estruturados em camadas podem
ser citados o IBM OS/2 e o MULTICS.
78
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas micro-ncleo Uma outra possibilidade de estruturao consiste
em retirar do ncleo todo o cdigo de alto nvel (normalmente
associado s polticas de gerncia de recursos), deixando no ncleo
somente o cdigo de baixo nvel necessrio para interagir como
hardware e criar as abstraes fundamentais (como a noo de
atividade). Por exemplo, usando essa abordagem o cdigo de acesso
aos blocos de um disco rgido seria mantido no ncleo, enquanto as
abstraes de arquivo e diretrio seriam criadas e mantidas por um
cdigo fora do ncleo, executando da mesma forma que uma aplicao do
usurio. Por fazer os ncleos de sistema ficarem menores, essa
abordagem foi denominada micro-ncleo (ou -kernel).79
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas micro-ncleo Um micro-ncleo normalmente implementa somente
a noo de atividade, de espaos de memria protegidos e de comunicao
entre atividades. Todos os aspectos de alto nvel, como polticas de
uso do processador e da memria, o sistema de arquivos e o controle
de acesso aos recursos so implementados fora do ncleo, em processos
que se comunicam usando as primitivas do ncleo. Em um sistema
micro-ncleo, as interaes entre componentes e aplicaes so feitas
atravs de trocas de mensagens. Assim, se uma aplicao deseja abrir
um arquivo no disco rgido, envia uma mensagem para o gerente de
arquivos que, por sua vez, se comunica com o gerente de
dispositivos para obter os blocos de dados relativos ao arquivo
desejado. Os processos no podem se comunicar diretamente, devido s
restries impostas pelos mecanismos de proteo do hardware. 80
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas micro-ncleo Por isso, todas as mensagens so transmitidas
atravs de servios do microncleo. Como os processos tm de solicitar
servios uns dos outros, para poder realizar suas tarefas, essa
abordagem tambm foi denominada clienteservidor. O micro-ncleos
foram muito investigados durante os anos 80. Dois exemplos clssicos
dessa abordagem so os sistemas Mach e Chorus. As principais
vantagens dos sistemas micro-ncleo so sua robustez e flexibilidade:
caso um sub-sistema tenha problemas, os mecanismos de proteo de
memria e nveis de privilgio iro confin-lo, impedindo que a
instabilidade se alastre ao restante do sistema.81
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas micro-ncleo Alm disso, possvel customizar o sistema
operacional, iniciando somente os componentes necessrios ou
escolhendo os componentes mais adequados s aplicaes que sero
executadas. Vrios sistemas operacionais atuais adotam parcialmente
essa estruturao; por exemplo, o MacOSX da Apple tem suas razes no
sistema Mach, ocorrendo o mesmo com o Digital UNIX. Todavia, o
custo associado s trocas de mensagens entre componentes pode ser
bastante elevado, o que prejudica seu desempenho e diminui a
aceitao desta abordagem. O QNX um dos poucos exemplos de
micro-ncleo amplamente utilizado, sobretudo em sistemas embutidos e
de tempo-real.82
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Sistemas micro-ncleo
83
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais Para que programas e bibliotecas possam executar
sobre uma determinada plataforma computacional, necessrio que
tenham sido compilados para ela, respeitando o conjunto de instrues
do processador e o conjunto de chamadas do sistema operacional. Da
mesma forma, um sistema operacional s poder executar sobre uma
plataforma de hardware se for compatvel com ela. Nos sistemas
atuais, as interfaces de baixo nvel so pouco flexveis: geralmente
no possvel criar novas instrues de processador ou novas chamadas de
sistema, ou mudar sua semntica. Por isso, um sistema operacional s
funciona sobre o hardware para o qual foi construdo, uma biblioteca
s funciona sobre o hardware e sistema operacional para os quais foi
projetada e as aplicaes tambm tm de obedecer a interfaces
pr-definidas. 84
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais Todavia, possvel contornar os problemas de
compatibilidade entre os componentes de um sistema atravs de
tcnicas de virtualizao. Usando os servios oferecidos por um
determinado componente do sistema, possvel construir uma camada de
software que oferea aos demais componentes servios com outra
interface. Essa camada permitir assim o acoplamento entre
interfaces distintas, de forma que um programa desenvolvido para
uma plataforma A possa executar sobre uma plataforma distinta B. O
sistema computacional visto atravs dessa camada denominado mquina
virtual.
85
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais A figura mostra um exemplo de mquina virtual, onde
uma camada de virtualizao permite executar um sistema operacional
Windows e suas aplicaes sobre uma plataforma de hardware Sparc,
distinta daquela para a qual foi projetado (Intel/AMD).
86
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais Um ambiente de mquina virtual consiste de trs
partes bsicas: O sistema real, ou sistema hospedeiro (host system),
que contm os recursos reais de hardware e software do sistema; O
sistema virtual, tambm denominado sistema convidado (guest system),
que executa sobre o sistema virtualizado; em alguns casos, vrios
sistemas virtuais podem coexistir, executando sobre o mesmo sistema
real; A camada de virtualizao, denominada hipervisor ou monitor de
virtualizao (VMM - Virtual Machine Monitor), que constri as
interfaces virtuais a partir da interface real.
87
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais Atualmente, as solues de virtualizao de linguagens
e de plataformas vm despertando grande interesse do mercado. Vrias
linguagens so compiladas para mquinas virtuais portveis e os
processadores mais recentes trazem um suporte nativo virtualizao de
hardware, finalmente respeitando as condies conceituais definidas
no incio dos anos 70. Existem diversas possibilidades de
implementao de sistemas de mquinas virtuais. De acordo com o tipo
de sistema convidado suportado, os ambientes de mquinas virtuais
podem ser divididos em duas grandes famlias (figura 11): Mquinas
virtuais de aplicao Mquinas virtuais de sistema88
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais Mquinas virtuais de aplicao So ambientes de
mquinas virtuais destinados a suportar apenas um processo ou
aplicao convidada especfica. A mquina virtual Java um exemplo desse
tipo de ambiente. As mquinas virtuais de aplicao so geralmente
usadas como suporte de execuo de linguagens de programao. Mquinas
virtuais de sistema : So construdos para suportar sistemas
operacionais convidados completos, com aplicaes convidadas
executando sobre eles. Como exemplos podem ser citados os ambientes
VMWare, Xen e Virtual Box Mquinas virtuais de sistema suportam um
ou mais sistemas operacionais convidados, com suas respectivas
aplicaes, que executam de forma 89 isolada e independente.
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais Mquinas virtuais de aplicao Mquinas virtuais de
sistema :
90
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais Em uma mquina virtual, cada sistema operacional
convidado tem a iluso de executar sozinho sobre uma plataforma de
hardware exclusiva. Como o sistema operacional convidado e o
ambiente de execuo dentro da mquina virtual so idnticos ao da
mquina real, possvel usar os softwares j construdos para a mquina
real dentro das mquinas virtuais. Essa transparncia evita ter de
construir novas aplicaes ou adaptar as j existentes.
91
Sistemas Operacionais6 Arquiteturas de Sistemas Operacionais
Mquinas Virtuais A principal desvantagem do uso de mquinas virtuais
o custo adicional de execuo dos processos na mquina virtual em
comparao com a mquina real. Esse custo muito varivel, podendo
passar de 50% em plataformas sem suporte de hardware virtualizao,
como os PCs de plataforma Intel mais antigos. Todavia, pesquisas
recentes tm obtido a reduo desse custo a patamares abaixo de 20%,
graas sobretudo a ajustes no cdigo do sistema hospedeiro. Esse
problema no existe em ambientes cujo hardware oferece suporte
virtualizao, como o caso dos mainframes e dos processadores
Intel/AMD mais recentes.92
Sistemas Operacionais7 Um breve histrico dos sistemas
operacionais Os primeiros sistemas de computao, no final dos anos
40 e incio dos anos 50, no possuam sistema operacional. Por outro
lado, os sistemas de computao atuais possuem sistemas operacionais
grandes, complexos e em constante evoluo. A seguir so apresentados
alguns dos marcos mais relevantes na histria dos sistemas
operacionais: Anos 40 Anos 50 Anos 60 Anos 80 Anos 90 Anos 2000
93
Sistemas Operacionais7 Um breve histrico dos sistemas
operacionais Anos 40: Cada programa executava sozinho e tinha total
controle do computador. Tudo devia ser programado detalhadamente
pelo desenvolvedor da aplicao: a carga do programa em memria, a
varredura dos perifricos de entrada para busca de dados, a computao
propriamente dita e o envio dos resultados para os perifrico de
sada, byte a byte,
94
Sistemas Operacionais7 Um breve histrico dos sistemas
operacionais Anos 50: os sistemas de computao fornecem bibliotecas
de sistema (systeml ibraries) que encapsulam o acesso aos
perifricos, para facilitar a programao de aplicaes. Algumas vezes
um programa monitor (system monitor) auxilia a carga e descarga de
aplicaes e/ou dados entre a memria e perifricos (geralmente
leitoras de carto perfurado, fitas magnticas e impressoras de
caracteres).
95
Sistemas Operacionais7 Um breve histrico dos sistemas
operacionais Anos 60: 1961 : o grupo do pesquisador Fernando
Corbat, do MIT, anuncia o desenvolvimento do CTSS Compatible
Time-Sharing System , o primeiro sistema operacional com
compartilhamento de tempo. 1965 : a IBM lana o OS/360, um sistema
operacional avanado, com compartilhamento de tempo e excelente
suporte a discos. 1965 : um projeto conjunto entre MIT, GE e Bell
Labs define o sistema operacional Multics, cujas idias inovadoras
iro influenciar novos sistemas durante dcadas. 1969 : Ken Thompson
e Dennis Ritchie, pesquisadores dos Bell Labs, criam a primeira
verso do UNIX.
96
Sistemas Operacionais7 Um breve histrico dos sistemas
operacionais Anos 80: 1981 : a Microsoft lana o MS-DOS, um sistema
operacional comprado da empresa Seattle Computer Products em 1980.
1984 : a Apple lana o sistema operacional Macintosh OS 1.0, o
primeiro a ter uma interface grfica totalmente incorporada ao
sistema. 1985 : primeira tentativa da Microsoft no campo dos
sistemas operacionais com interface grfica, atravs do MS-Windows
1.0. 1987 : Andrew Tanenbaum, um professor de computao holands,
desenvolve um sistema operacional didtico simplificado, mas
respeitando a API do UNIX, que foi batizado como Minix. 1987 : IBM
e Microsoft apresentam a primeira verso do OS/2, um sistema
multitarefa destinado a substituir o MS-DOS e o Windows. Mais
tarde, as duas empresas rompem a parceria; a IBM continua no OS/2 e
a Microsoft investe no ambiente Windows.97
Sistemas Operacionais7 Um breve histrico dos sistemas
operacionais Anos 90: 1991 : Linus Torvalds, um estudante de
graduao finlands, inicia o desenvolvimento do Linux, lanando na
rede Usenet o ncleo 0.01, logo abraado por centenas de
programadores ao redor do mundo. 1993 : a Microsoft lana Windows
NT, o primeiro sistema 32 bits da empresa. 1993 : lanamento dos
UNIX de cdigo aberto FreeBSD e NetBSD.
98
Sistemas Operacionais7 Um breve histrico dos sistemas
operacionais Anos 2000: 2001 : a Apple lana o MacOS X, um sistema
operacional derivado da famlia UNIX BSD. 2001 : lanamento do
Windows XP. 2004 : lanamento do ncleo Linux 2.6. 2006 : lanamento
do Windows Vista.
99
Sistemas OperacionaisExerccios1. Quais os dois principais
objetivos dos sistemas operacionais?2. Por que a abstrao de
recursos importante para os desenvolvedores de aplicaes? Ela tem
utilidade para os desenvolvedores do prprio sistema operacional? 3.
A gerncia de atividades permite compartilhar o processador,
executando mais de uma aplicao ao mesmo tempo. Identifique as
principais vantagens trazidas por essa funcionalidade e os desafios
a resolver para implement-la. 4. O que caracteriza um sistema
operacional de tempo real? Quais as duas classificaes de sistemas
operacionais de tempo real e suas diferenas? 5. O que diferencia o
ncleo do restante do sistema operacional? 6. Seria possvel
construir um sistema operacional seguro usando um processador que
no tenha nveis de privilgio? Por que?
100
Sistemas OperacionaisExerccios7. Quais as diferenas entre
interrupes, excees e traps? 8. O comando em linguagem C fopen uma
chamada de sistema ou uma funo de biblioteca? Por que? 9. Monte uma
tabela com os benefcios e deficincias mais significativos das
principais arquiteturas de sistemas operacionais. 10. Relacione as
principais caractersticas dos respectivos tipos de sistemas
operacionais: distribudo (D), multi-usurio (M), desktop (K),
servidor (S), embutido (E) ou de tempo-real (T). 11. A operao em
modo usurio permite ao processador executar somente parte das
instrues disponveis em seu conjunto de instrues. Quais as operaes
no deveria ser permitida em nvel usurio? Por que?
101
