Este documento fornece uma visão geral das estruturas dos sistemas operacionais e descreve os principais serviços e componentes de um sistema operacional, incluindo: 1) Os serviços que um sistema operacional oferece aos usuários, processos e outros sistemas. 2) As diferentes maneiras de estruturar um sistema operacional, como camadas e módulos. 3) Como um sistema operacional é instalado, customizado e inicializado.

1. Visão Geral: Estruturas do Sistema
Operacional
Sistemas Operacionais I
Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com
Centro de Informática | Universidade Federal da Paraíba
Estes slides são baseados no material que acompanha o livro Operating
Systems Concepts de Silberschatz, Galvin and Gagne

2. Objetivos
 Descrever os serviç os que o sistema
operacional oferece para usuários, processos e
outros sistemas
 Discutir as várias maneiras de estruturar um
sistema operacional
 Explicar como um sistema operacional é
instalado, customizado e inicializado

3. Serviços do sistema operacional

4. Serviços do sistema operacional:
comodidade do usuário
 Interface do usuário
 Quase todo sistema operacional oferece uma
 Varia entre interface de linha de comando (CLI), interface gráfica (GUI) e Batch
 Execuç ão de programas
 O sistema deve ser capaz de carregar um programa na memó ria e iniciar e
finalizar sua execuç ão com ou sem sucesso (indicando caso ocorra um erro)
 Operaç ões de E/S
 Um programa em execuç ão pode precisar realizar E/S, o que pode envolver um
arquivo ou algum dispositivo de E/S
 Manipulaç ão do Sistema de Arquivos
 O sistema de arquivos é de particular interesse. Obviamente, programas
precisam realizar uma série de operaç ões envolvendo arquivos e diretó rios,
incluindo: ler, gravar, criar, apagar, localizar, listar informaç ões e gerenciar
permissões

5. Serviços do sistema operacional:
comodidade do usuário
 Comunicaç ão
 Processos podem trocar informaç ão em um mesmo computador
ou através de uma rede
 A comunicaç ão pode ser realizada através de uma memó ria
compartilhada ou por troca de mensagens
 Detecç ão de erros
 O SO precisa estar constantemente ciente sobre possíveis erros
 Podem ocorrer na CPU, no hardware de memó ria, nos
dispositivos de E/S ou em um programa do usuário
 Para cada tipo de erro o SO deve tomar a medida apropriada
para garantir uma computaç ão correta e consistente
 Mecanismos de depuraç ão podem melhorar significativamente a
habilidade do usuário de fazer uso eficiente do sistema

6. Serviços do sistema operacional: operação
eficiente do sistema
 Alocaç ão de recursos
 Quando múltiplos usuários ou múltiplos jobs utilizam o sistema de forma
concorrente os recursos precisam ser alocados para cada um deles
 Contabilidade
 Controlar quanto de cada tipo de recurso os usuários utilizam
 Proteç ão e Seguranç a
 Os donos da informaç ão armazenada em um sistema com múltiplos usuários ou
em um computador conectado a rede podem desejar controlar o uso da
informaç ão
 Proteç ão envolve garantir que todo acesso a qualquer recurso do sistema é
controle
 Seguranç a do sistema contra intrusos requer autenticaç ão e se estende para
proteger dispositivos de E/S externos contra acessos inválidos

7. Interface do usuário: CLI
 Uma interface de linha de comando (CLI) ou
interpretador de comandos permite o
fornecimento direto de comandos ao sistema
 Algumas vezes são implementados no núcleo, algumas
vezes são implementados como programas do usuário
 Algumas vezes têm-se muitas variaç ões: shells
 Inicialmente recebe um comando do usuário e o executa
 Os comandos podem ser comandos internos do SO ou
apenas nomes de programas
 No segundo caso, adicionar novas funcionalidades ao
sistemas não requer alteraç ões no shell

8. Interface do usuário: GUI
 Uma metáfora mais amigável para a interface com o usuário
(desktop)
 Geralmente inclui mouse, teclado e monitor
 Icones representam arquivos, programas, aç ões ,etc
 Diferentes botões do mouse causam aç ões diferentes no objetos
da interface
 Conceito criado no Xerox PARC
 Muitos sistemas incluem tanto CLIs quanto GUIs
 Microsoft Windows tem uma GUI com um shell de comando
 Mac OS X da Apple usa a GUI “Aqua” com um kernel UNIX por
baixo e vários shells disponíveis
 Solaris tem uma CLI como GUIs opcionais (Java Desktop, KDE)

9. Interpretador de comando bash

10. GUI do Mac OS X

11. Chamadas de sistema
 Interface de programaç ão para os serviç os oferecidos pelo SO
 Geralmente escrita em uma linguagem de alto nível (C, C++)
 Na maioria das vezes são utilizadas pelos programas através de
uma Application Program Interface (API) de mais alto nível ao invés
de serem chamadas diretamente
 As três APIs mais comuns são Win32 API do Windows, POSIX API
para sistemas POSIX-based (incluindo praticamente todas as
versões do UNIX, Linux, e Mac OS X), e a API Java para a Java
Virtual Machine (JVM)
 Por que usar APIs ao invés de chamadas de sistema?

12. Implementação de chamadas de
sistema
 Tipicamente, cada chamada de sistema possui um número
associado
 A interface de chamada de sistemas mantém uma tabela
indexada com esses números
 A interface de chamada de sistema invoca a chamada
desejada no kernel do SO e retorna o estado e valores de
retorno para o usuário
 Quem faz a chamada não precisa ter qualquer informação
sobre como a chamada de sistema foi implementada
 Precisa apenas conhecer a interface e saber o que o SO fará
como resultado da chamada
 A maioria dos detalhes do SO ficam escondidos dos usuários
atrás de APIs

13. Relação entre API e chamada de
sistema

14. Exemplo: biblioteca padrão de C
 Programa em C invocando a funç ão printf(), que utiliza a
chamada de sistema write()

15. Passagem de parâmetros em chamadas de
sistema
 Frequentemente a execuç ão de uma chamada de
sistema requer mais do que a identificaç ão da chamada
desejada
 Existem três métodos comuns para passagem de
parâmetros para o SO
 Mais simples: passar os parâmetros em registradores
 Parâmetros armazenados em um bloco ou tabela na memó ria e
o endereç o do bloco passado através de um registrador
 Parâmetros inseridos em uma pilha pelo programa e
desempilhados pelo sistema operacional
 O método do bloco e da pilha não limitam o número ou
tamanho dos parâmetros

16. Passagem de parâmetros via tabela

17. Tipos de chamadas de sistema
 Controle de processos
 Gerencia de arquivos
 Gerencia de dispositivos
 Manutenç ão da informaç ão
 Comunicaç ão
 Proteç ão

18. Exemplos de chamadas de sistema do
Windows e Linux

19. Execução do MS-DOS
Apó s o boot Rodando um processo

20. FreeBSD rodando múltiplos
processos

21. Programas de sistema
 Programas de Sistema fornecem um ambiente conveniente para o
desenvolvimento e execuç ão de programas.
 Podem ser divididos em 7 categorias:
 Manipulaç ão de arquivos
 Informaç ões de estado
 Modificaç ão de arquivos
 Suporte a linguagens de programaç ão
 Carga e execuç ão de programas
 Comunicaç ão
 Aplicativos
 A visão que a maioria dos usuários tem do SO é definido pelos programas
de sistema e não pelas chamadas de sistema

22. Programas de sistema
 Fornecem um ambiente conveniente para desenvolvimento e execuç ão
de programas
 Alguns são apenas interfaces para chamadas de sistema; outros são
consideravelmente mais complexos
 Gerencia de arquivos: criar, remover, copiar, renomear, imprimir, listar,
e manipular arquivos e diretó rios
 Informaç ões de estado
 Consulta de informaç ões do sistema: data, hora, quantidade de memó ria
disponível, espaç o em disco, número de usuários
 Informaç ões detalhadas de desempenho, registro de execuç ão e depuraç ão
 Tipicamente estes programas formatam e imprimem informaç ões na saída
padrão
 Alguns sistemas podem implementar um registro, utilizado para armazenar
informaç ões de configuraç ão

23. Programas de sistema
 Modificaç ão de arquivos
 Editores de texto para criar e modificar arquivos
 Comandos especiais para localizar conteúdo em arquivos e realizar
transformaç ões no texto
 Suporte a linguagens de programaç ão
 Compiladores, montadores, depuradores, interpretadores
 Carga e execuç ão de programas
 Carregadores absolutos, carregadores com relocaç ão, editores de ligaç ão
 Comunicaç ão
 Prover mecanismos para criar conexões virtuais entre processos, usuários e
sistemas computacionais
 Permitir que usuários enviem mensagens para outros usuários, naveguem
em páginas na web, se conectem remotamente, transfiram arquivos de um
máquina para outra, etc

24. Projeto e implementação de sistemas
operacionais
 Não háuma soluç ão única universalmente aceita para o projeto e
desenvolvimento de sistemas operacionais mas algumas
abordagens têm sido utilizadas com sucesso
 A estrutura interna dos sistemas operacionais pode variar
amplamente
 Inicia-se pela definiç ão de objetivos e especificaç ões
 Afetada pela escolha do hardware e pelo tipo do sistema
 Requisitos do usuário e Requisitos do Sistema
 Requisitos do usuário: o SO deve ser conveniente, fácil de
aprender, confiável, seguro e rápido
 Requisitos do sistema: o SO deve ser fácil de projetar,
implementar e manter e também flexível, confiável, sem erros e
eficiente

25. Projeto e implementação de sistemas
operacionais
 Um princípio importante é separar política de
mecanismo
Política: O que seráfeito?
Mecanismo: Como fazer ?
 Mecanismos determinam como fazer algo,
políticas decidem o que deve ser feito
 A separaç ão de política de mecanismo é importante
pois permite uma maior flexibilidade caso decisões
políticas precisem ser alteradas mais tarde

26. Estrutura simples
 MS-DOS – escrito para prover o máximo de
funcionalidade utilizando o mínimo possível de
memó ria
 Não foi dividido em mó dulos
 Apesar de o MS-DOS ter alguma estrutura, suas
interfaces e funcionalidades não são bem
separadas

27. Estrutura em camadas do MS-DOS

28. Abordagem de camadas
 O sistema operacional é dividido em um número
de camadas (níveis), cada uma construída sobre
camadas inferiores.
 A camada mais baixa (camada 0) é o hardware
 A camada mais alta (camada N) é a interface do
usuário
 Como modularidade, camadas são selecionadas
de forma que uma cada só utilize serviç os e
funç ões de camadas de nível inferior

29. Camadas de um sistema operacional

30. UNIX
 Por conta de limitaç ões na funcionalidade do
hardware, o UNIX original tinha estruturaç ão
limitada.
 O UNIX é composto por duas partes distintas
 Programas de sistema
 Núcleo (kernel)
 Formado por tudo localizado abaixo da interface de
chamada de sistemas e acima do hardware
 Fornece o sistema de arquivos, escalonamento de CPU,
gerenciamento de memó ria, e outras funç ões do SO
 Um número muito grande de funç ões para um único nível

31. Estrutura de um sistema UNIX
tradicional

32. Estrutura de microkernel
 Move o máximo possível de funcionalidades do kernel para o
espaço do usuário
 Utiliza mecanismos de comunicação por troca de mensagens
para permitir a interoperação dos mó dulos
 Benefícios:
 Mais fácil estender um microkernel
 Mais fácil portar o sistema operacional para novas arquiteturas
 Mais confiável (menos có digo rodando em modo kernel)
 Mais seguro
 Desvantagens:
 Perda de desempenho por conta da comunicaç ão entre os
mó dulos em modo kernel e modo usuário

36. Módulos
 A maioria dos sistemas operacionais
modernos implementam mó dulos de kernel
 Abordagem orientada a objetos
 Cada componente chave é separado dos demais
 Conversam entre si através de interfaces bem
definidas
 Cada um pode ser carregado no kernel apenas
quando necessário
 De forma geral é similar ao uso de camadas
mas mais flexível

37. Abordagem em módulos do Solaris

38. Máquinas virtuais
 Uma máquina virtual leva a abordagem de camadas ao seu
limite. Ele trata o hardware e o kernel do sistema operacional
como se fossem ambos hardware
 A interface de uma máquina virtual fornece uma interface
idêntica ao hardware
 O sistema operacional hospedeiro (host) cria a ilusão de que
um processo tem seu pró prio processador e memó ria
 Cada convidado (guest) recebe sua pró pria có pia (virtual)
do computador

39. Histórico e benefícios das máquinas virtuais
 Apareceram inicialmente em 1972 em mainframes da IBM
 Consiste, fundamentalmente, em múltiplos ambientes de
execuç ão (sistemas operacionais diferentes) compartilhando o
mesmo hardware
 Protege um ambiente do outro
 Permite compartilhamento de arquivos
 Se comunicam entre si e com outros sistemas através da rede
 Consolidaç ão de muitos sistemas com pouca demanda de
recursos em poucos computadores com muitos recursos
 Muito útil para desenvolvimento e testes
 O padrão “Open Virtual Machine Format”, permite que uma
máquina virtual possa ser executada por diferentes
plataformas de virtualização

40. Máquinas virtuais

41. Para-virtualização
 Apresenta aos guests uma visão similar mas
não idêntica do hardware
 Os guests precisam ser modificados para
rodar em hardware para-virtualizado

42. Arquitetura do VMWare

43. A máquina virtual Java