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Visão Geral: Introdução
Sistemas Operacionais I
Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com
Centro de Informática / Universidade Federal da Paraíba
Objetivos
 Fazer um tour pelos principais conceitos
relacionados ao sistemas operacionais
 Fazer uma revisão rápida sobre conceitos de
organizaç ão de computadores
O que é um sistema operacional?
 Um programa que atua como intermediário entre
o usuário de um computador e o hardware
 Objetivos de um sistema operacional:
 Executar programas do usuário de forma a ajudá-lo
a resolver seus problemas de forma mais simples
 Facilitar o uso de um sistema computacional
 Utilizar o hardware disponível de forma eficiente
Estrutura de um sistema computacional
 Os sistemas computacionais podem ser
divididos em quatro componentes
 Usuários
 Aplicativos
 Sistema Operacional
 Hardware
Definição de sistema operacional
 Não háuma definiç ão universalmente aceita
 “Tudo que o vendedor entrega quanto você
compra um sistema operacional” é uma boa
aproximaç ão
 Varia amplamente
 “O programa que estáem execuç ão o tempo todo
no computador” é o núcleo
 Todo o resto são programas de sistema (vêm junto
com o SO) ou aplicativos.
Definição de sistema operacional
 SO é um a alocador de recursos
 Gerencia todos os recursos da máquina
 Decide entre requisiç ões conflitantes de forma a
fazer uso eficiente e justo dos recursos
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 Controla a execuç ão dos programas para
prevenir erros e uso indevido do computador
Organização de um sistema computacional
 Um ou mais CPUs e controladores de dispositivos
conectados através de um barramento único que provê
acesso a uma memó ria compartilhada
 Execuç ão concorrente das CPUs e dispositivos competindo por
ciclos de acesso à memó ria
Operação de um sistema computacional
 Dispositivos de E/S e CPU podem executar
concorrentemente
 Cada controlador de dispositivo possui um buffer local
 Operaç ões de E/S são realizadas do dispositivo para o
buffer local do seu controlador
 O controlador de dispositivo informa à CPU quando
termina de realizar uma operaç ão de E/S através de
uma interrupç ão
 O CPU move dados entre a memó ria principal e
os buffers locais dos controladores (nem
sempre!)
Funcionamento das interrupções
 A ocorrência de uma interrupç ão transfere o
controle para uma rotina de tratamento de
interrupç ão,
 É preciso salvar o endereç o da instruç ão
interrompida
 A ocorrência de novas interrupç ões fica desabilitada
enquanto uma interrupç ão estásendo processada
 Um trap é uma interrupç ão gerada por software
 Um sistema operacional é baseado em
interrupç ões !
Tratamento de interrupções
 O sistema operacional preserva o estado da CPU
armazenando seus registradores e o contador de
programa
 Determina que tipo de interrupç ão ocorreu:
 Polling
 Sistema vetorial
 Segmentos separados de có digo determinam que
aç ões devem ser tomadas para cada tipo de
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Timeline de uma interrupção
Estrutura de E/S
 E/S síncrona: o controle retorna para o programa do
usuário somente apó s a conclusão da operaç ão
 No máximo uma operaç ão de E/S em execuç ão por vez
 Não háparalelismo de E/S
 E/S assíncrona: o controle retorna para o programa do
usuário antes da conclusão da operaç ão
 Interrupç ões são utilizadas para informar o programa do
usuário sobre conclusão das operaç ões de E/S
 O programa do usuário pode utilizar uma chamada de sistema
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Estrutura para acesso direto à
memória
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capazes de transmitir dados a velocidades
pró ximas a da memó ria principal
 O controlador de dispositivo transfere blocos
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Estrutura da armazenamento
 Memó ria principal: única unidade de memó ria de
alta capacidade acessada diretamente pela CPU
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associado
 Gerenciamento de cache é um importante problema de projeto
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 A maioria dos sistemas utiliza um único processador de
propó sito geral (de PDAs a mainframes)
 A maioria dos sistemas possuem também processadores de
propó sito específico
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acoplamento
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 Dois tipos
1. Multi-processamento Assimétrico
2. Multi-processamento Simétrico
Arquitetura de multi-processamento simétrico
Dual-Core
Clusters
 Como multiprocessadores, porém formado por
múltiplos sistemas trabalhando juntos
 Geralmente compartilham armazenamento através
de uma rede
 Fornece um serviç o com alta disponibilidade, que
sobrevive a falhas
 Clusters são comumente utilizados para computaç ão
de alto desempenho (HPC)
 As aplicações precisam ser projetadas para explorar o
paralelismo!
Estrutura do sistema operacional
 Multiprogramaç ão é necessária para garantir uso
eficiente dos recursos
 Um único usuário não consegue manter a CPU e os
dispositivos de E/S ocupados o tempo todo
 Multiprogramaç ão organiza jobs (có digo e dados) de
forma a permitir que a CPU sempre tenha algo para
executar
 Um subconjunto de todos os jobs do sistema é mantido em
memó ria
 Um dos jobs é selecionado para executar por um
escalonador de jobs
 Quando o job precisar esperar por algo (E/S, por exemplo), o
SO passa a executar outro job
Estrutura do sistema operacional
 Compartilhamento de tempo (multi-tarefas)
 Rápida alternância da CPU entre vários jobs
 Fundamental para a computaç ão interativa
 Tempo de resposta deve ser << 1 segundo
 Cada usuário tem pelo menos um programa executando na
memó ria: processo
 Se vários jobs estão prontos para serem executados ao
mesmo tempo: escalonamento de CPU
 Se os processos não cabem na memó ria, swap os move
(parcialmente) para fora e para dentro da memó ria quando
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 Memó ria Virtual permite que um processo possa ser
executado sem estar totalmente carregado na memó ria
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usuário ou có digo do núcleo
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 Criaç ão e remoç ão de processos do usuário e do
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 Suspender e reiniciar a execuç ão de processos
 Prover mecanismos para permitir a sincronizaç ão entre
processos
 Prover mecanismos para permitir a comunicaç ão entre
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 Prover mecanismos para lidar com deadlocks
Gerenciamento de memória
 Todos os dados na memó ria antes e depois de sua utilização
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memó ria
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 Decidir que processo (ou partes de processos) e dados mover para
dentro e para fora da memó ria
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Gerenciamento de armazenamento
 SO provêuma visão ló gica uniforme para o armazenamento de
informaç ões
 Abstrai propriedades físicas em unidades ló gicas de armazenamento:
arquivo
 Cada mídia é controlada por um dispositivo (ex., drive de disco, drive de
fita)
 As propriedades variáveis incluem velocidade de acesso, capacidade, taxa de
transferência, método de acesso (sequencial ou aleató rio)
 Gerenciamento do sistema de arquivos
 Arquivos geralmente organizados em diretó rios
 Controle de acesso na maioria dos sistemas determina quem pode
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 Atividades do SO incluem
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 Mapear arquivos no armazenamento secundário
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Gerenciamento de armazenamento de
massa
 Discos são geralmente utilizados para armazenar dados que não cabem na
memó ria principal ou que devem ser mantidos por um “longo” período de
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 A velocidade de todo o sistema computacional depende das engrenagens envolvidas
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buffers, cache e spooling (a sobreposiç ão da
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 Proteç ão: qualquer mecanismo para controlar o acesso de
processos ou usuários aos recursos definidos pelo SO
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 Os sistemas geralmente distinguem os usuários para
determinar quem pode fazer o que
 A identificaç ão dos usuários inclui nome e um número associado
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processos desse usuário para determinar o controle de acesso
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Visão Geral: Introdução

  • 1. Visão Geral: Introdução Sistemas Operacionais I Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com Centro de Informática / Universidade Federal da Paraíba
  • 2. Objetivos  Fazer um tour pelos principais conceitos relacionados ao sistemas operacionais  Fazer uma revisão rápida sobre conceitos de organizaç ão de computadores
  • 3. O que é um sistema operacional?  Um programa que atua como intermediário entre o usuário de um computador e o hardware  Objetivos de um sistema operacional:  Executar programas do usuário de forma a ajudá-lo a resolver seus problemas de forma mais simples  Facilitar o uso de um sistema computacional  Utilizar o hardware disponível de forma eficiente
  • 4. Estrutura de um sistema computacional  Os sistemas computacionais podem ser divididos em quatro componentes  Usuários  Aplicativos  Sistema Operacional  Hardware
  • 5. Definição de sistema operacional  Não háuma definiç ão universalmente aceita  “Tudo que o vendedor entrega quanto você compra um sistema operacional” é uma boa aproximaç ão  Varia amplamente  “O programa que estáem execuç ão o tempo todo no computador” é o núcleo  Todo o resto são programas de sistema (vêm junto com o SO) ou aplicativos.
  • 6. Definição de sistema operacional  SO é um a alocador de recursos  Gerencia todos os recursos da máquina  Decide entre requisiç ões conflitantes de forma a fazer uso eficiente e justo dos recursos  SO é um programa de controle  Controla a execuç ão dos programas para prevenir erros e uso indevido do computador
  • 7. Organização de um sistema computacional  Um ou mais CPUs e controladores de dispositivos conectados através de um barramento único que provê acesso a uma memó ria compartilhada  Execuç ão concorrente das CPUs e dispositivos competindo por ciclos de acesso à memó ria
  • 8. Operação de um sistema computacional  Dispositivos de E/S e CPU podem executar concorrentemente  Cada controlador de dispositivo possui um buffer local  Operaç ões de E/S são realizadas do dispositivo para o buffer local do seu controlador  O controlador de dispositivo informa à CPU quando termina de realizar uma operaç ão de E/S através de uma interrupç ão  O CPU move dados entre a memó ria principal e os buffers locais dos controladores (nem sempre!)
  • 9. Funcionamento das interrupções  A ocorrência de uma interrupç ão transfere o controle para uma rotina de tratamento de interrupç ão,  É preciso salvar o endereç o da instruç ão interrompida  A ocorrência de novas interrupç ões fica desabilitada enquanto uma interrupç ão estásendo processada  Um trap é uma interrupç ão gerada por software  Um sistema operacional é baseado em interrupç ões !
  • 10. Tratamento de interrupções  O sistema operacional preserva o estado da CPU armazenando seus registradores e o contador de programa  Determina que tipo de interrupç ão ocorreu:  Polling  Sistema vetorial  Segmentos separados de có digo determinam que aç ões devem ser tomadas para cada tipo de interrupç ão
  • 11. Timeline de uma interrupção
  • 12. Estrutura de E/S  E/S síncrona: o controle retorna para o programa do usuário somente apó s a conclusão da operaç ão  No máximo uma operaç ão de E/S em execuç ão por vez  Não háparalelismo de E/S  E/S assíncrona: o controle retorna para o programa do usuário antes da conclusão da operaç ão  Interrupç ões são utilizadas para informar o programa do usuário sobre conclusão das operaç ões de E/S  O programa do usuário pode utilizar uma chamada de sistema para esperar explicitamente pela conclusão de uma operaç ão de E/S
  • 13. Estrutura para acesso direto à memória  Utilizado por dispositivos de E/S rápidos, capazes de transmitir dados a velocidades pró ximas a da memó ria principal  O controlador de dispositivo transfere blocos de dados diretamente do buffer local para a memó ria principal sem intervenç ão da CPU
  • 14. Estrutura da armazenamento  Memó ria principal: única unidade de memó ria de alta capacidade acessada diretamente pela CPU  Armazenamento secundário: extensão não volátil e de alta capacidade da memó ria principal  Discos magnéticos: pratos rígidos de metal ou vidro cobertos por um material magnético gravável  A superfície do disco é dividida logicamente em trilhas, que são subdivididas em setores  O controlador de disco determine a interaç ão ló gica entre o dispositivo e o computador
  • 15. Hierarquia de armazenamento  Sistemas de armazenamento são organizados de forma hierárquica  Velocidade  Custo  Volatilidade  Cache: có pia armazenada em uma memó ria mais rápida; a memó ria principal pode ser vista com um cache para dispositivos de armazenamento secundário
  • 16. Hierarquia de dispositivos de armazenamento
  • 17. Cache  Princípio muito importante, realizado em vários níveis diferentes em um computador (hardware, sistemas operacional, software)  Os dados em uso são copiados de um armazenamento mais lento para um mais rápido  O dispositivo mais rápido (cache) é consultado primeiro para determinar se os dados estão disponíveis  Se estão, os dados são utilizados diretamente do cache (rápido)  Se não, os dados são copiados para o cache e utilizados a partir dele  O cache tem menor capacidade do que o dispositivo mais lento associado  Gerenciamento de cache é um importante problema de projeto  Políticas para tamanho do cache e substituiç ão de dados
  • 18. Arquitetura de um sistema computacional  A maioria dos sistemas utiliza um único processador de propó sito geral (de PDAs a mainframes)  A maioria dos sistemas possuem também processadores de propó sito específico  Multiprocessadores têm aumentando em uso e em importância  Também conhecidos como sistemas paralelos, sistemas de alto acoplamento  Vantagens incluem 1. Maior vazão (throughput) 2. Economia de escala 3. Maior confiabilidade: degradaç ão suave ou tolerância a falhas  Dois tipos 1. Multi-processamento Assimétrico 2. Multi-processamento Simétrico
  • 21. Clusters  Como multiprocessadores, porém formado por múltiplos sistemas trabalhando juntos  Geralmente compartilham armazenamento através de uma rede  Fornece um serviç o com alta disponibilidade, que sobrevive a falhas  Clusters são comumente utilizados para computaç ão de alto desempenho (HPC)  As aplicações precisam ser projetadas para explorar o paralelismo!
  • 22. Estrutura do sistema operacional  Multiprogramaç ão é necessária para garantir uso eficiente dos recursos  Um único usuário não consegue manter a CPU e os dispositivos de E/S ocupados o tempo todo  Multiprogramaç ão organiza jobs (có digo e dados) de forma a permitir que a CPU sempre tenha algo para executar  Um subconjunto de todos os jobs do sistema é mantido em memó ria  Um dos jobs é selecionado para executar por um escalonador de jobs  Quando o job precisar esperar por algo (E/S, por exemplo), o SO passa a executar outro job
  • 23. Estrutura do sistema operacional  Compartilhamento de tempo (multi-tarefas)  Rápida alternância da CPU entre vários jobs  Fundamental para a computaç ão interativa  Tempo de resposta deve ser << 1 segundo  Cada usuário tem pelo menos um programa executando na memó ria: processo  Se vários jobs estão prontos para serem executados ao mesmo tempo: escalonamento de CPU  Se os processos não cabem na memó ria, swap os move (parcialmente) para fora e para dentro da memó ria quando necessário  Memó ria Virtual permite que um processo possa ser executado sem estar totalmente carregado na memó ria principal
  • 24. Layout de memória para sistemas multiprogramados
  • 25. Operação do sistema operacional  Comunicaç ão baseada em eventos  Interrupç ões geradas pelo hardware  Traps gerados por software  Requisiç ão de um serviç o do sistema operacional  Divisão por zero, loops infinitos, processos modificando/acessando memó ria de outros processos ou do sistema operacional, etc  Operaç ão em dual-mode permite que o SO se proteja e proteja outros componentes do sistema  Modo usuário e modo kernel  Bit de modo fornecido pelo hardware  Permite distinguir quando o sistema estáexecutando có digo do usuário ou có digo do núcleo  Algumas instruç ões são designadas como privilegiadas, executadas apenas em modo kernel  Uma chamada de sistema altera para modo kernel, retorno da chamada altera de volta para modo usuário
  • 26. Transição do modo usuário para o modo kernel  Timer para prevenir loops infinitos / processos sobrecarregando os recursos  Agenda a ocorrência de uma interrupç ão  Sistema Operacional decrementa um contador  Quando chega a zero, ocorre uma interrupç ão  Configurado antes de ativar o processo para reobter o controle ou encerrar um processo que exceda o tempo permitido
  • 27. Gerenciamento de processos  Um processo é um programa em execução  É uma unidade de trabalho no sistema  Um programa é uma entidade passiva e um processo é uma entidade ativa  Precisam de recursos para desempenhar sua tarefa  CPU, memó ria, E/S, arquivos, dados de inicializaç ão  Finalizaç ão de um processo requer liberaç ão de recursos reutilizáveis  Mono-threaded versus multi-threaded  Único thread = um único contador de programa  Múltiplos threads = um contador de programa por thread  Tipicamente um sistema possue vários processos, algum usuário e algum sistema operacional executando concorrentemente em uma ou mais CPUs
  • 28. Funções do gerenciamento de processos  Criaç ão e remoç ão de processos do usuário e do sistema  Suspender e reiniciar a execuç ão de processos  Prover mecanismos para permitir a sincronizaç ão entre processos  Prover mecanismos para permitir a comunicaç ão entre processos  Prover mecanismos para lidar com deadlocks
  • 29. Gerenciamento de memória  Todos os dados na memó ria antes e depois de sua utilização  Todas as instruções na memó ria para serem executadas  O gerenciamento de memó ria determina o que estána memó ria  Tarefas  Manter um registro sobre que partes da memó ria estão sendo atualmente utilizados e por quem estão sendo utilizadas  Decidir que processo (ou partes de processos) e dados mover para dentro e para fora da memó ria  Alocar e liberar espaç o de memó ria de acordo com a necessidade
  • 30. Gerenciamento de armazenamento  SO provêuma visão ló gica uniforme para o armazenamento de informaç ões  Abstrai propriedades físicas em unidades ló gicas de armazenamento: arquivo  Cada mídia é controlada por um dispositivo (ex., drive de disco, drive de fita)  As propriedades variáveis incluem velocidade de acesso, capacidade, taxa de transferência, método de acesso (sequencial ou aleató rio)  Gerenciamento do sistema de arquivos  Arquivos geralmente organizados em diretó rios  Controle de acesso na maioria dos sistemas determina quem pode acessar o que  Atividades do SO incluem  Criar e remover arquivos e diretó rios  Primitivas para manipular arquivos e diretó rios  Mapear arquivos no armazenamento secundário  Fazer backup de arquivos em mídias de armazenamento não volátil
  • 31. Gerenciamento de armazenamento de massa  Discos são geralmente utilizados para armazenar dados que não cabem na memó ria principal ou que devem ser mantidos por um “longo” período de tempo  Um gerenciamento correto é de fundamental importância neste cenário  A velocidade de todo o sistema computacional depende das engrenagens envolvidas na operaç ão do sub-sistema de disco e de seus algoritmos  Atividades do SO  Gerenciamento do espaç o livre  Alocaç ão de armazenamento  Escalonamento de disco  Algumas mídias de armazenamento não precisam ser rápidas  Armazenamento terciário inclui armazenamento ó tico, fitas magnéticas  Mas ainda assim precisa ser gerenciado  Variam entre WORM (write-once, read-many-times) e RW (read-write)
  • 32. Migração de um inteiro do disco para um registrador  Ambientes multi-tarefa precisam ter o cuidado de utilizar os valores mais recentes, não importando onde eles se encontram na hierarquia de armazenamento  Um ambiente com múltiplos processadores precisa prover coerência de cache em hardware para garantir que todos as CPUs tenham o valor mais recente em seus caches  Em ambientes distribuídos a situação é ainda mais complexas  Podem existir várias có pias completas dos dados
  • 33. Subsistema de E/S  Uma das funç ões do SO é esconder peculiaridades do hardware de seus usuários  O subsistema de E/S é responsável por  Gerenciamento da memó ria de E/S, incluindo buffers, cache e spooling (a sobreposiç ão da saída de uma job com a entrada de outros)  Interface comum para drivers de dispositivo  Drivers para dispositivos específicos de hardware
  • 34. Proteção e segurança  Proteç ão: qualquer mecanismo para controlar o acesso de processos ou usuários aos recursos definidos pelo SO  Seguranç a: defesa do sistema contra ataques internos ou externos  Incluindo negaç ão de serviç o, vermes, vírus, roubo de identidade  Os sistemas geralmente distinguem os usuários para determinar quem pode fazer o que  A identificaç ão dos usuários inclui nome e um número associado  Essa identificaç ão é então associada com todos os arquivos e processos desse usuário para determinar o controle de acesso  Identificaç ão de grupos permite a definiç ão de conjuntos de usuários e sua associaç ão com processos e arquivos  Mecanismos para mudanç a de privilé gio permitem que usuários possam ganhar mais privilégios de acesso