1 introdução - sistemas operativos

1 - Introdução
Prof. Ricardo Silva

S. Operativos e S. Distribuídos Prof. Ricardo Silva 2
Sumário
● Função dos Sistemas Operativos
● Critérios de Qualidade
● Evolução Histórica
● Classificação de Sistemas Operativos

1.1 – Função dos Sistemas Operativos

Função dos Sistemas Operativos
● A principal função de um sistema informático
consiste na execução de aplicações e tratamento de
dados.
● Uma aplicação é um conjunto de programas e de
dados (informação).
● Para que os programas executem são necessários
recursos de nível físico e lógico.
● Recursos físicos – processador, memória, discos,
periféricos (Hardware)
● Recursos lógicos – programas, ficheiros, bases de dados
(Software)

Função dos Sistemas Operativos
● O Sistema Operativo (SO) é um programa, ou
programas, responsável pela gestão de
recursos lógicos e físicos.
● É igualmente o responsável por criar uma
interface entre os recursos físicos (Hardware) e
as aplicações (Software).

1.1 – Função dos Sistemas Operativos
● Gestor de recursos
● processos
● memória virtual
● sistema de ficheiros
● periféricos
● utilizadores
● Interface
● Máquina virtual

1.1.1 – Gestão de Recursos
● 1.1.1.1 – Processos
● A principal função de um sistema informático
consiste em executar programas
● Um processo é um programa em execução

● 1.1.1.2 – Memória Virtual
● Um processo necessita do seu espaço de
memória
● A memória principal (RAM) é escassa
● A memória secundária (discos rígidos) é mais
abundante
● O SO permite criar uma memória virtual que usa
a memória secundária como extensão do
espaço de endereçamento da memória principal

● 1.1.1.3 – Sistema de ficheiros
● A memória secundária tem como função guardar
um conjunto de informação persistente
● A informação encontra-se organizada
hierarquicamente em ficheiros e pastas
● Um sistema de ficheiros, é uma forma de
guardar e organizar os ficheiros e pastas,
permitindo a sua pesquisa, leitura e gestão

● Periféricos
● O computador interage com diversos periféricos
● O SO funciona como interface entre as aplicações
e os periféricos
● A comunicação entre os periféricos e o SO
depende dos device drivers

● Utilizadores
● O SO mantém informação sobre os seus
utilizadores
– Controla acesso a recursos
– Controla acções
– Efectua contabilidade

Objectos do Sistema Operativo
Processos
Espaços de Endereçamento Virtuais
Ficheiros
Periféricos Virtuais
Utilizadores

1.1.2 - Interface
● O SO é uma interface que virtualiza o
computador
● A interface é intuitiva para o utilizador e
permite-lhe efectuar diversas operações
● Existem 2 tipos de interfaces
● Interface operacional
● Interface de chamada do sistema

1.1.2 - Interface
● Interface operacional
● Permite realizar operações de controle sobre o
computador, SO e aplicações
● Pode ser de 2 tipos:
– CLI – Command line interface
● O utilizador digita comandos numa shell
– GUI – Graphical user interface
● O utilizador usa uma interface gráfica para executar as
operações de gestão

1.1.2 - Interface
● Interface de chamada do sistema ou system
calls
● É uma interface de programação, vulgarmente
chamada de API (Application programming interface)
● Usada pelas aplicações para interagir com os
objectos geridos pelo SO
● Cada SO tem a sua API própria

1.1.3 – Máquina Virtual
● O SO tem como função virtualizar o nível de
Hardware, homogeneizando o sistema
computacional para as aplicações
● O SO implementa então uma máquina
independente do Hardware
● Para a maioria das aplicações é irrelevante o
tipo de Hardware
● P ex: é indiferente usar um processador Intel ou
AMD

1.1.3 – Máquina Virtual
Hardware
Sistema Operativo
Aplicações Aplicações
Máquina Virtual
Máquina Física

1.2 – Critérios de Qualidade

1.2 - Critérios de Qualidade
● É natural que exista um conjunto de critérios
que possam avaliar o desempenho geral de um
SO
● São critérios que podem ajudar a escolher qual
o melhor SO para determinadas tarefas

● Desempenho
● O SO tem um impacto enorme no desempenho
das aplicações
● Deve explorar ao máximo os recursos
disponíveis
● Deve ocupar ao mínimo os recursos disponíveis
● Devem estabelecer bons compromissos entre
desempenho, modularidade, fiabilidade e
escalabilidade

● Segurança
● O SO deve garantir a segurança na utilização
dos recursos disponíveis
– Protecção de memória
– Protecção de acesso a ficheiros
– Definição de políticas de acesso
● O SO deve ter código robusto
– Menos código = menos erros
● Modularidade
– A ocorrência de um erro não deve afectar o
desempenho de outras aplicações ou do SO

● Fiabilidade
● Mede a probabilidade de, num dado espaço de
tempo, não existir nenhuma paragem do sistema
● Exemplo:
robôs em Marte. O que aconteceria se o SO destes
robôs falhasse 1 vez por mês?

● Disponibilidade
● É a probabilidade de o sistema estar operacional
num dado instante
● Especialmente crítico em servidores

1.3 – Evolução Histórica
● Dois motivos estiveram na origem dos SO's.
São cruciais para compreender as suas
funções:
● Transformar o Hardware numa máquina simples de
usar
● Obter o máximo rendimento do Hardware

I – Open Shop
 I - Open Shop
 Primeiro computador da IBM (IBM 701)
 O programador reservava tempo de computador
 O programador configurava o computador consoante
as necessidades do seu programa
 O programador inseria o input e iniciava a execução do
seu programa; esperava pelos resultados
 Muito tempo desperdiçado na preparação do sistema
 Tempo de processamento desperdiçado
 Foram fabricados 15 computadores

II - Batch processing
 Menor desperdício de tempo
 Operadores recebiam os programas (cartões perfurados) e, utilizavam
um computador satélite para inserir os programas numa fita magnética.
 Os trabalhos eram executados pela ordem de escrita na fita magnética.
 O output era escrito noutra fita magnética.
 Um computador satélite imprimia os resultados.
 Sistema first-come, first-served
 Demorava horas ou dias para receber resultados
 Por vezes o programador estava dois dias à espera para ver que se tinha
esquecido de um ;

IBM 709 (consola de operação)

III - Multiprogramação
 Criava a ilusão que vários programas
executavam em simultâneo.
 Os interrupts permitiram ao computador simular
a execução concorrente de programas.
 As chamadas de I/O de um processo eram
aproveitadas para executar outros processos.
 Esta nova fase só foi possível devido ao
aparecimento de memórias core e memórias
drum (armazenamento secundário).

Memória core de 2KB
Memória drum

Multiprogramação
 Quando um processo espera por uma
operação de I/O, o processador pode executar
outro programa

Multiprogramação

Efeitos da Multiprogramação
Uniprogramação Multiprogramação
Processador 22% 43%
Memória 30% 67%
Disco 33% 67%
Impressora 33% 67%
Tempo decorrido 30 min. 15 min.
Trabalho 6 jobs/hr 12 jobs/hr
Tempo resposta 18 min. 10 min.

IV - Time sharing
 O computador interage com vários utilizadores
simultâneamente.
 Cada utilizador opera um terminal, tem a ilusão que o
computador é só seu.
 O tempo de processador é partilhado entre vários
utilizadores
 A memória primária tinha de ser grande pois havia uma
contínua troca de processos em execução.
 Uma memória secundária mantinha os ficheiros dos
utilizadores (evitava o uso de fitas magnéticas ou cartões
perfurados)

Multiprogramação vs Time Sharing
Comandos inseridos num
terminal
Comandos de uma linguagem de
controlo fornecida com o
processo
Origem das directivas
para o SO
Minimizar tempo resposta
Maximizar uso processador
Principal objectivo
Time Sharing
Multiprogramação

PDP 11 a correr SO UNIX com time sharing
PDP 11 a correr SO UNIX com time sharing

V - Programação Concorrente
 O SO foi dividido em vários níveis de abstracção.
 Existiam vários processos em execução, cada qual
com a sua tarefa.
 Processos de utilizador
 Processos de I/O
 Processos de controlo
 Existência de mecanismos de sincronização e
comunicação entre processos.
 Primeira noção de Kernel

VI - Computação pessoal
 "There is no reason anyone would want a computer in their home."
 --Ken Olson, President, Chairman and founder of Digital Equipment
Corp., 1977
Alto Xerox Parc
Alto Xerox Parc

VII - Sistemas Distribuídos
 Generalizam-se as redes de computadores
 Primeiros servidores de ficheiros
 Sem segurança
 Sem estruturas de pastas
 UNIX RPC (Remote procedure calls)
 Modelo cliente-servidor

Evolução Histórica
● Os motivos históricos que estiveram na origem
do desenvolvimento dos sistemas operativos
foram:
● Transformar o Hardware num sistema simples de
utilizar
● Obter o máximo rendimento do Hardware,
utilizando o mais eficazmente possível a
capacidade de processamento de um computador.

Maiores realizações:
 Monitor de controlo
 Tratamento em lotes (batch)
 Multiprogramação
 Sistemas interactivos
 Memória virtual
 Sistemas distribuídos

Monitor de controlo
● Os primeiros computadores não possuíam SO
● A prioridade estava centrada no desenvolvimento do
Hardware
● Quando o Hardware se tornou suficientemente fiável,
começaram a analisar a forma de rentabilizar o
dispendioso Hardware
● A prioridade agora era desenvolver um programa que
facilitasse a realização de algumas tarefas, tais como:
carregar programas na memória; editar programas;
verificar a execução de programas. Estes programas
eram chamados de monitores de controlo

Monitor de controlo
● Um monitor de controlo era composto por um
interpretador de comandos e um conjunto de
outros programas que facilitavam a interação
com o Hardware:
● Interpretador de comandos
● Assembler (traduz linguagem assembly para
linguagem máquina)
● Linker (editor de ligações)
● Loader (carregador de programas em memória)
● Biblioteca de rotinas (para controlo de periféricos)

Tratamento em lotes (Batch)
● Atribuir um computador para apenas um utilizador durante um período de
tempo era muito pouco rentável.
● Uma solução consistia na gravação de uma tape com muitos programas
que seriam executados em modo sequencial.
● Esta solução levou ao surgir de muitos melhoramentos nos periféricos de
I/O, bem como, no desenvolvimento de uma linguagem de controlo que
preparasse o computador para o próximo programa na fila de execução.
● Existia igualmente o problema de decidir quais os programas que seriam
executados em primeiro lugar e quais os que ficariam para último,
definindo-se políticas de gestão de processos, designado por
escalonamento.

Multiprogramação
● A utilização de mecanismos de interrupções, permitem
multiplexar o processador por diversos programas que
executam de uma forma concorrente.
● A execução concorrente maximiza a execução do
processador, pois, enquanto existirem programas à espera de
serem executados, o processador está sempre ocupado.
● A multiprogramação só é eficaz se os programas concorrentes
residirem na memória, contudo, esta é limitada.
● Este problema levou ao surgir de um sistema de hierarquia de
memória.

Sistemas interactivos
● Os sistemas interactivos permitiram ao utilizador do computador ter
a percepção que o computador estava a trabalhar só para ele.
● A partilha do tempo de processador por diversos utilizadores obriga
que cada programa execute durante um pequeno período de
tempo, findo o qual, terá de dar a vez a outro programa.
● A utilização simultânea de um computador por vários utilizadores
só foi possível graças à utilização dos CRT's.
● Este tipo de conceito levantou muitos problemas, tais como:
interface com o sistema de ficheiros, protecção contra acessos
indevidos; quotas de utilização de disco, etc.

Memória virtual
● A execução de vários programas concorrentes é um sério problema quando a
memória primária de um computador é limitada. No limite, a sua capacidade pode
esgotar-se e inviabilizar a execução dos programas.
● A solução consistiu em criar um sistema hierárquico de memórias, em que, só
estariam presentes na memória primária o programa em execução e os programas
que estariam prestes a executar. Os restantes seriam transferidos para memórias
secundárias onde esperariam que chegasse a sua vez de executar. Quando esse
momento estivesse prestes a acontecer, seriam novamente transferidos para a
memória primária.
● Este tipo de solução permite que, num dado momento, estejam mais programas em
execução do que a capacidade da memória principal, ou seja, o tamanho total dos
programas em execução, é maior que a capacidade da memória primária. Criamos
assim um sistema de memória virtual.

Computadores pessoais
● O desenvolvimento das técnicas de produção em
série e redução constante do tamanho dos
componentes diminuiu os custos de produção e o
tamanho dos computadores.
● A utilização do computador pessoal por indivíduos
sem experiência, originou ao desenvolvimento de
interfaces que tentavam simplificar a utilização do
computador.
● As interfaces gráficas actuais são o resultado da
maximização da simplificação da interacção do
utilizador com o computador.

Sistemas distribuídos
● O aparecimento das redes informáticas originou
ao desenvolvimento de novas aplicações que
tirassem partido desta nova forma de meio de
comunicação.
● Serviços considerados hoje como
imprescindíveis, eram à pouco menos de 20
anos completamente impensáveis: email, www,
chat, voip, iptv, homebanking, compras online,
etc.

1.4 – Classificação de Sistemas Operativos

1.4 – Classificações de Sistemas Operativos
● 1.4.1 – Sistemas de tempo virtual e tempo real
● Tempo virtual
– O tempo de execução dos programas não tem
relação com o tempo exterior à máquina
– Windows, Unix, Linux, Mac OS, etc
● Tempo real
– O SO tem de garantir uma resposta a um
acontecimento externo num período de tempo pré-
estabelecido
– Consolas de jogos, centralinas automóveis, etc

Quota mercado SO's
(dados relativos a acessos web)

1.4.2 – Sistemas Embebidos
● Os SO's são programas de dimensão muito grande, que
consomem muitos recursos
● Existem dispositivos que requerem SO's minimalistas pois
a capacidade de processamento e a memória disponível é
diminuta
● Estes SO's minimalistas chamam-se sistemas embebidos
● Presentes em Telemóveis, activos de rede, equipamentos de
som, fotografia, automóveis, máquinas de lavar e muitos
outros dispositivos que incorporam microprocessadores

1.4.3 – Sistemas Proprietários e Sistemas Abertos
● Sistemas proprietários (década 70)
● O fabricante de hardware fornecia igualmente o
software para o seu produto; o software dependia
do hardware
– IBM, DEC, Bull, Unisys, ControlData
● Sistemas abertos (década 80)
● O software é independente do hardware, logo, é
portável (Unix foi o primeiro)
● Começaram a aparecer empresas de
desenvolvimento exclusivo de software: Microsoft

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