O Papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos

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Instituto Superior Politécnico Gaya Escola Superior de Ciência e Tecnologia

Informática de Gestão Sistemas Operativos

2008/2009

O Papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos

Joel Correia Ricardo & César Filipe Cardoso Marques Pinto

Docente: José Augusto Monteiro

25 De Janeiro de 2009

Instituto Superior Politécnico de Gaya | SOP

3

O papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos

.Índice

.GLOSSÁRIO 5

.LISTA DE SIGLAS 6

.INTRODUÇÃO 7

.DEFININDO NÚCLEO 8

..GENERALIDADES 9

.FUNCIONAMENTO DO NÚCLEO 9

..GESTÃO DE PROCESSOS 9

..GESTÃO DE MEMÓRIA 10

..GESTÃO DE DISPOSITIVOS 11

..CHAMADAS DE SISTEMA 11

.ARQUITECTURAS DE NÚCLEO 12

..NÚCLEO MONOLÍTICO 13

..MICRONÚCLEO 15

..NANONÚCLEO 16

..NÚCLEO HÍBRIDO 16

..EXONÚCLEO 18

.PAPEL DOS DIFERENTES NÚCLEOS NOS SISTEMAS OPERATIVOS 19

.CONSIDERAÇÕES FINAIS 21

.METODOLOGIA DE ESTUDO 22

..TIPO DE PESQUISA 22

..RECOLHA DE DADOS 22

..AGRUPAMENTO DE DADOS 22

..TRATAMENTO DE DADOS 22

..ELABORAÇÃO DO TRABALHO 23

.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 24


4


.Índice de imagens

ILUSTRAÇÃO 1 – TAREFA PRINCIPAL DO NÚCLEO .......................................................................................... 8 ILUSTRAÇÃO 2 – FUNÇÕES DO NÚCLEO ...................................................................................................... 11 ILUSTRAÇÃO 3 – DIFERENTES NÚCLEOS E SEUS APOIANTES ........................................................................ 12 ILUSTRAÇÃO 4 – NÚCLEO MONOLÍTICO ...................................................................................................... 13 ILUSTRAÇÃO 5 - MICRONÚCLEO .................................................................................................................. 15 ILUSTRAÇÃO 6 – NÚCLEO HÍBRIDO ............................................................................................................. 17 ILUSTRAÇÃO 7 - EXONÚCLEO ...................................................................................................................... 18 ILUSTRAÇÃO 8 – CRONOLOGIA NÚCLEO WINDOWS .................................................................................... 19


5


.Glossário

Componente ‐ Material electrónico que faça parte interna de um computador. Por exemplo uma placa gráfica.

Drivers – Ficheiros que identificam o hardware. Estes permitem a comunicação entre o S.O e o hardware. Estes ficheiros são normalmente geridos pelo núcleo.

Hardware ‐ Material físico de um sistema informático. É nele que realmente todas as acções acontecem traduzidas por impulsos eléctricos, magnetismos ou fotões.

Paginação ‐ Método de Virtualização da memória física. Tem a possibilidade de usar o disco rígido como memória. Pode ser também denominado por Swap.

Periférico ‐ Denomina‐se periférico todo aquele equipamento electrónico que esteja em comunicação com o computador e em possível interacção com o utilizador. Por exemplo um rato.

Processador ‐ Também designado por unidade central de processamento é o componente mais importante de um sistema informático. Cabe a este pequeno componente realizar funções de cálculo. Pode‐se considerar o cérebro do sistema informático pois é ele que efectua todas as tomadas de decisão.

Segmentação – Processo utilizado para a distribuição da memória física do computador. Consiste na divisão da memória em segmentos onde são endereçados e utilizados de acordo com código a ser processado.

Software ‐ Sequencia de instruções construídas para interpretar as acções do utilizador. Cabe ao software comunicar com a máquina e gerir as ordens impostas pelo utilizador. É também responsável pela gestão dos recursos da máquina.

Sistema Operativo ‐ Software elaborado de tal forma complexa com a capacidade de gerir todos os componentes físicos e lógicos de um sistema informático.

Servidor ‐ Máquina informática com capacidade de fornecer serviços a uma rede de computadores.


6


.Lista de siglas

S.O. ‐ Sistema Operativo

MIT ‐ Massachusetts Institute of Technology

MMV ‐ Monitor de Máquinas Virtual

C.P.U ‐ Central Processing Unit

GPL ‐ General Public License

API ‐ Application Programming Interface

XNU ‐ X is Not UNIX


7


.Introdução

Este trabalho foca‐se substancialmente no núcleo do sistema operativo.

Serão apresentados os diferentes tipos de núcleo existentes bem como as suas

diferenças e orientações.

Com a evolução da capacidade de processamento, surge cada vez mais a

necessidade de ter um sistema operativo que aproveite ao máximo essa

capacidade. Neste aspecto o desenvolvimento do núcleo, como principal

componente do S.O, tem de acompanhar toda a evolução do hardware.

Não só são apresentadas noções de núcleos como também em paralelo o

funcionamento do sistema operativo é levemente explicado para uma boa

compreensão do assunto central.

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..Generalidades

Como camada de software mais próxima do hardware o núcleo assegura:

1. A comunicação entre o hardware e o software

2. Gestão das ordens do utilizador

3. Gestão dos diversos recursos da máquina

4. Máximo de rendimento possível

A generalidade dos S.O’s é elaborada envolto do núcleo e apoiam toda a gestão

sobre ele. Para o S.O o núcleo administra todo o hardware e é o software com mais

poder sobre o hardware num sistema informático.

.Funcionamento do núcleo

Como já foi dito cabe ao núcleo gerir a globalidade do sistema informático. É

ele que coordena os recursos da máquina para tentar tornar o sistema o mais

eficiente possível. O núcleo pode ser dividido em quatro partes:

1. Gestão de Processos

2. Gestão de Memória

3. Gestão de Dispositivos

4. Chamadas de Sistema

..Gestão de Processos

Esta pode ser considerara, das quatro partes, a mais importante do núcleo. É

nesta função que os processos de sistema são geridos, ou seja, é aqui que o núcleo

dá as permissões de execução. As cedências de memória são também aqui

calculadas e atribuídas. Uma tarefa fundamental da gestão de processos é a

consideração tomada em relação ao hardware de memória existente para que esta

não fique superlotada e cause problemas a alto nível4.

4 Problemas a nível de software


10


Uma característica interessante da gestão de processos é a sua capacidade

de dar uma ideia de multi‐tarefa5. Normalmente, o número de processos é igual ao

número de núcleos de processamento que haja na máquina, ou seja, se houver um

CPU com dois núcleos6, em teoria esse CPU será capaz de executar dois processos

ao mesmo tempo.

O gestor de processos do núcleo, a partir de algoritmos de programação,

atribui fatias de tempo e prioridades aos processos para que estes sejam

executados inteligentemente e com a menos perda de eficiência possível. Depois

disto os processos são movimentados tão rapidamente que dá ao utilizador a ilusão

de que estes estão a ser executados todos ao mesmo tempo.

..Gestão de Memória

O gestor de memória do núcleo tem acesso total a esta. É ele que gere a

memória física do sistema e a reparte pelos diversos processos. A primeira tarefa a

ser realizada é atribuir um endereço virtual7 que é feito a partir de paginação8 ou

segmentação.

A memória disponível depende muito dos processos que se encontram em

execução. O gestor de memória coloca em memória física os dados necessários

para todos os processos em execução. Uma vez inactivos os processos, os seus

dados são colocados em memória virtual (muito mais lenta) deixando espaço para

correr outros possíveis processos activos.

O endereçamento virtual permite repartir a memória em duas partes

distintas, uma direccionada para o núcleo e outra direccionada para o utilizador. A

parte reservada ao núcleo está calculada para que este possa manobrar todos os

recursos da máquina sem que haja interrupções ou esperas. A parte reservada ao

utilizador é direccionada para as aplicações e para as ordens do factor humano.

5 Processar várias aplicações ao mesmo tempo 6 Duas unidades de processamento dentro do mesmo componente de hardware 7 Permite abstrair o endereçamento físico 8 Também conhecido por Swap

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o módulo passa a formar um todo com o núcleo, usando a mesma API12. Este

esquema é usado, entre outros, pelo GNU/Linux, FreeBSD e diversos derivados de

UNIX.

Um sistema operativo com núcleo monolítico concentra todas as

funcionalidades possíveis (planeamento, sistema de arquivos, rede, drivers de

dispositivos, gestão de memoria, etc.) dentro de uma grande plataforma de

software. Ele pode ter um tamanho considerável e deve ser recompilado por

completo para adicionar uma nova funcionalidade. Todos os componentes

funcionais no núcleo têm acesso a todas as estruturas de dados internos e suas

rotinas. Um erro numa rotina pode‐se espalhar por todo o núcleo causando

problemas de desempenho. Todos os componentes encontram‐se integrados no

mesmo programa e são executados num único espaço de endereço. Assim todos os

serviços cedidos por este tipo de sistema são executados em modo elevado de

Supervisor13.

Os S.O’s integrantes deste tipo de núcleo, normalmente, começam por ser

pequenos programas. A0 longo dos tempos e devido á sua grande popularidade, é

lhes atribuído mais funções que os faz evoluir e transformar‐se em programas

grandes e complexos formados por muitas funções. Exemplos deste tipo de

sistemas são o MS‐DOS e UNIX. Ambos começaram pequenos sistemas operativos e

ao longo dos tempos foram tornando‐se duas referencias mundiais.

O problema deste tipo de sistemas operativos é que é complicado de os

modificar para adicionar novas funcionalidades e serviços. De facto, adicionar uma

nova funcionalidade implica modificar um grande programa, composto por milhares

de linhas de código e funções que por sua vez invocam outras linhas de código

situadas também no mesmo programa. A alternativa é ter uma estrutura

micronúcleo, onde as partes funcionais estão divididas em unidades separadas com

mecanismos de comunicação rigorosos entre eles.

12 Rotinas ou padrões de software desenvolvidos para que softwares externos possam usar os seus serviços 13 Modo capaz de gerir o sistema e seus recursos

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funções.

Segundo Tanenbaum (1995), The future of supercomputing lies in massively

parallel computers. The nodes of these machines will need a different kind of

operating system than current computers have. Many researchers in the field believe

that microkernels provide the kind of functionality and performance required.

Tanenbaum diz que de acordo com pesquisadores da área, o micronúcleo é o

núcleo com as competências e funcionalidades exigidas para uma boa operação de

sistemas informáticos de alto desempenho.

..Nanonúcleo

O nanonúcleo ou piconúcleo é um tipo de núcleo extremamente simples.

Este núcleo foi desenvolvido para suportar vários sistemas operativos virtualizados

em cima dele e assim conseguir repartir eficientemente os recursos da máquina. Ele

delega virtualmente todos os serviços, incluindo dos mais básicos aos drivers,

fazendo com que a memória utilizada por ele seja menor do que a memória utilizada

por qualquer outro núcleo.

..Núcleo Híbrido

Os núcleos híbridos são essencialmente micronúcleos, que tem algum código

denominado de “não essencial” no espaço de memória do núcleo para que este

execute os processos mais rápido do que executaria no espaço de memória do

utilizador.

Este foi o compromisso que muitos dos primeiros desenvolvedores de

sistemas operativos, com a arquitectura baseada em micronúcleos, adoptou antes

de se demonstrar que os micronúcleos podem ter muito bom desempenho. A

maioria dos modernos sistemas operativos enquadram‐se nesta categoria de

núcleo, sendo o mais popular o Microsoft® Windows™. XNU14, o núcleo do Mac15 OS

X16, também é um micronúcleo modificado, devido à inclusão de código do núcleo

14 Núcleo do sistema operativo da Apple aplicado nos computadores MAC 15 Computador desenvolvido pela Apple 16 Sistema operativo integrado nos computadores MAC

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20


No ano de 1985 a Microsoft® lança o seu primeiro sistema operativo com

interface gráfica denominado Windows™ 1.0. Este sistema operativo tinha como

unidade central um núcleo monolítico. Ao longo dos anos o núcleo monolítico do

Windows™ foi sendo modificado e melhorando o desempenho de cada sistema

operativo produzido pela Microsoft®. Contudo, como era de prever, a evolução de

hardware continuou e foi necessário tomar medidas para acompanhar esta

evolução. Com o lançamento do Windows™ 2000, a Microsoft não só iniciou a era

NT18 para utilizadores comuns como passou a implementar o núcleo híbrido nos

seus sistemas operativos até aos dias de hoje com excepção do Windows™ ME.

Como o núcleo monolítico obrigava a uma recompilação e a um reinício do

sistema sempre que uma funcionalidade era adicionada, o sistema tornava‐se

bastante desconfortável, nomeadamente em sistemas que requeriam actividade

continua. Com isto o núcleo híbrido passou a ser uma parte fundamental do

Windows™. Assim foi possível dar continuidade aos desenvolvimentos informáticos.

18 Nova Tecnologia


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.Considerações Finais

Dentro do tema proposto a informação valida era reduzida. Existem várias

opiniões de qual é o melhor núcleo mas resumindo todos eles têm o seu

fundamento. De acordo com as situações em que são precisos, os tipos de núcleo

variam e assim se consegue ter uma razoável lista de escolhas. A implementação do

núcleo é muito importante uma vez que é ele que tem a função mais importante

dentro do sistema operativo.

Este trabalho foi muito útil para uma aprendizagem básica dos núcleos. Foi

conseguido também o objectivo o trabalho. A evolução dos sistemas operativos é

baseada no tipo de núcleo que lhe é implementado.

Em suma o factor núcleo é importantíssimo na evolução dos sistemas

operativos.


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.Metodologia de estudo

Para a elaboração deste trabalho foram seguidas regras de estudo

previamente definidas.

Foram elas:

1. Escolha do tipo de pesquisa

2. Recolha dos dados

3. Agrupamento de dados

4. Tratamento dos dados

5. Elaboração do trabalho

..Tipo de pesquisa

Decidiu‐se usar uma pesquisa exploratória, ou seja, estudar a matéria dos

núcleos usando um processo lento de pesquisa. A pesquisa não só ficou limitada aos

diversos núcleos como também foram explorados outros temas como a integração

destes em sistemas reais.

..Recolha de dados

Os dados foram recolhidos na internet, livros e revistas, sendo sempre

sujeitos a validação de informação. Nada do que se encontra no trabalho é relativa a

fontes duvidosas ou inexistentes.

..Agrupamento de dados

Depois de a recolha estar concluída, os dados foram agrupados por temas

para ser mais fácil e intuitiva a sua compreensão e o seu tratamento.

..Tratamento de dados

Uma vez agrupados, os dados foram estudados e compreendidos para uma

posterior elaboração detalhada e estruturada.


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..Elaboração do trabalho

Por fim depois de ter‐mos os dados prontos foi desenvolvido o trabalho com

o máximo de cuidado e atenção.


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.Referencias Bibliográficas

Silberschatz, Avi (2005); Galvin, Peter B. Operating system concepts.

Tanenbaum, Andrew S. (1999). Sistemas Operativos Modernos.

http://www.owoelwo.info/pt/tipi‐di‐kernel/

http://pt.wikipedia.org/wiki/API

http://www.guiadohardware.net/termos/kernel‐monolitico‐kernel‐modular

Tanenbaum, Andrew S. (1996). The Amoeba Distributed Operating System

Tanenbaum, Andrew S. (1995). A Comparison of Three Microkernels

http://pt.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Windows#Windows_1.0x


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Documents

O Papel dos diferentes tipos de núcleo na evolução dos Sistemas Operativos