O documento discute as estruturas e componentes de sistemas operacionais. Ele descreve os principais componentes como gerenciamento de processos, memória, arquivos e E/S. Também discute estruturas como camadas, microkernels e máquinas virtuais. Finalmente, explica serviços como execução de programas e comunicação entre processos.

1. Sistemas Operacionais Estruturas de Sistemas Operacionais Prof. Cid R Andrade [email_address] http://blog.cidandrade.pro.br

2. Agenda Introdução Componentes de Sistemas Operacionais Serviços de Sistemas Operacionais Chamadas ao Sistema Programas de Sistema

3. Agenda Estrutura do Sistema Máquinas Virtuais Java Projeto e Implementação

4. Introdução Um sistema operacional fornece o ambiente no qual os programas são executados A organização interna dos sistemas operacionais pode variar muito Esta organização é definida no projeto do sistema operacional e é determinada pelo objetivo do desenvolvedor

5. Pontos de vista para análise Examinar serviços oferecidos Analisar a interface para usuários e desenvolvedores Analisar componentes internos e interconexões

6. Componentes do Sistema Gerência de Processos Gerência da Memória Principal Gerência de Arquivos Gerência do Sistema de E/S Gerência de Armazenamento Secundário Redes Sistema de Proteção Sistema Interpretador de Comandos

7. Gerência de Processos A grosso modo, um processo seria um programa em execução Um processo pode precisar de recursos que são alocados durante sua execução Recursos reutilizáveis são solicitados de volta ao término do processo Um programa pode utilizar mais de um processo para sua execução

8. Gerência de Processos Um sistema operacional, ao executar, contém uma coleção de processos Alguns são processos de sistema Outros são processos de usuário A Gerência de Processos é responsável por Criar e excluir processos de usuário e de sistema Suspender e retomar processos Fornecer mecanismos para sincronização e comunicação entre processos e tratamento de deadlocks

9. Gerência da Memória Principal A memória principal é um grande vetor de palavras ou bytes Cada palavra ou byte tem seu próprio endereço A memória principal costuma ser o único dispositivo de grandes proporções que a UCP pode endereçar e acessar diretamente Para melhorar utilização da UCP e velocidade de resposta mantém-se vários programas ao mesmo tempo na memória

10. Gerência da Memória Principal Existem muitos algoritmos diferentes para gerência da memória principal A gerência de memória principal é responsável por Manter registro de quais partes da memória estão em uso e por quem Decidir quais processos devem ser carregados no espaço disponível Alocar e desalocar espaço

11. Gerência de Arquivos Um dos componentes mais visíveis do sistema operacional Arquivos são armazenados em diferentes meios físicos Cada meio e controlado por um dispositivo O sistema operacional abstrai as propriedades físicas de cada dispositivo para fornecer acesso aos arquivos

12. Gerência de Arquivos Arquivo é uma coleção de dados relacionados definidos por seu criador Geralmente o arquivo representa programas ou dados (numéricos, alfabéticos ou alfanuméricos)‏ Arquivos podem ter forma livre ou rígida Arquivos são geralmente organizados em diretórios Acesso deve ser controlado por usuário

13. Gerência de Arquivos Gerência de Arquivos é responsável por Criação e exclusão de arquivos Criação e exclusão de diretórios Fornecer suporte para manipulação de arquivos e diretórios Mapear arquivos no armazenamento secundário

14. Gerência do Sistema de E/S Subsistema de E/S consistem em Comunicar-se com as Gerências de Memória Principal, Arquivos e Armazenamento Secundário para implementar buffering , cache e spooling Interface geral de driver de dispositivo Drivers para dispositivos de hardware específicos Apenas os drivers de dispositivo conhecem as peculiaridades do dispositivo específico

15. Gerência de Armazenamento Secundário A memória principal é pequena para acomodação de todos dados e programas e é volátil O sistema de computação fornece armazenamento secundário para dar suporte à memória principal

16. Gerência de Armazenamento Secundário A Gerência de Armazenamento Secundário é responsável por Gerência de espaço livre Alocação de espaço O desempenho de um sistema de computação pode depender muito da velocidade do subsistema de disco e dos algoritmos que manipulam este subsistema

17. Redes Processadores de sistemas distribuídos são conectados por redes de comunicação O projeto da rede de comunicação deve considerar Estratégias de conexão Roteamento de mensagens Problemas de disputa Segurança

18. Sistema de Proteção Um sistema de computação pode ter vários usuários e permitir execução concorrente de múltiplos processos Neste caso os processo precisam ser protegidos das atividades uns dos outros Arquivos, segmentos de memória, UCP e outros recursos devem ser operados apenas pelos processos que tenham autorização adequada do sistema operacional

19. Sistema de Proteção Proteção é qualquer mecanismo para controle de acesso de programas, processos ou usuários ao recursos de um sistema de computação

20. Sistema Interpretador de Comandos Interface entre usuário e sistema operacional Alguns sistemas operacionais incluem o interpretador de comandos no kernel Outros, como DOS e UNIX, tratam o interpretador de comandos como um programa especial Pode ser chamado de Interpretador de Linha de Comandos ou de shell

21. Sistema de Interpretador de Comandos A função do Interpretador de Comandos é obter comandos e executá-los Um interpretador de comandos amigável torna o uso do sistema mais agradável. São exemplos as interfaces do Macintosh ou do Windows Há usuários que apreciam shells mais poderosos e complexos, como os do DOS ou UNIX

22. Serviços de Sistemas Operacionais Para conveniência do programador e usuário Execução de programas Operações de E/S Manipulação do Sistema de Arquivos Comunicação entre Processos Detecção de Erros

23. Serviços para Sistemas Operacionais Para operação eficiente do sistema Alocação de recursos Contabilização Proteção

24. Chamadas ao Sistema Também chamadas System Calls Fornecem interface entre processos e o sistema operacional Geralmente disponíveis como instruções em Assembly e listadas nos manuais para programadores Assembly

25. Chamadas ao Sistema Chamadas UNIX podem ser feitas diretamente a partir de um programa em C ou em outras linguagens Chamadas Windows NT são feitas por intermédio da API Win32, disponível para os compiladores Java não permite que as chamadas ao sistema sejam feitas diretamente

26. Chamadas ao Sistema Métodos para passar parâmetros para o sistema operacional Passar parâmetros para registrador Armazenar parâmetros em tabelas na memória e passar endereço da tabela para registrador Armazenar parâmetros na pilha, que será lida pelo sistema operacional

27. Chamadas ao Sistema Categorias Principais Controle de Processos Manipulação de Arquivos Manipulação de Dispositivos Manutenção de Informações Comunicações

28. Controle de Processos Chamadas comuns end, abort load, execute create, terminate get attributes, set attributes wait for time wait event, signal event alocate e free memory

29. Manipulação de Arquivos Chamadas comuns create, delete open, close read, write, reposition get attributes, set attributes

30. Manipulação de Dispositivos Chamadas comuns request, release read, write, reposition get attributes, set attributes logically attach, logically detach

31. Manutenção de Informações Chamadas comuns get time, get date, set time, set date get system data, set system data get process attributes, get file attributes, get device attributes set process attributes, set file attributes, set device attributes

32. Comunicações Chamadas comuns create, delete communication connection send, receive messages transfer status information attach, detach remote devices

33. Programas de Sistema Os programas de sistema fornecem um ambiente conveniente para o desenvolvimento e execução de programas. Gerência de arquivos: criam, excluem, copiam, renomeiam, imprimem, fazem dump , listam e manipulam arquivos e diretórios Informações de status: informam sobre data, hora, quantidade de memória, espaço em disco disponível e outros.

34. Programas de Sistema Modificação de Arquivo: criação e modificação do conteúdo de arquivos Suporte à linguagem de programação: compiladores, montadores e interpretadores Carregamento e execução de programas: utilitários de carga absolutos e relocáveis, linkeditores e utilitários de carga em overlay Comunicações: mecanismos para conexões virtuais entre processos, usuários e sistemas de computação

35. Estrutura do Sistema Tipos de Estruturas Estrutura Simples Abordagem em Camadas Microkernels

36. Estrutura Simples Comum em sistemas que começaram como sistemas pequenos que cresceram além do escopo original, como o DOS.

37. Abordagem em camadas Método de modularização O sistema operacional é dividido em camadas, cada qual construída sobre as anteriores Cada camada consiste de uma estrutura de dados e um conjunto de rotinas que podem ser chamadas por camadas de nível mais alto A principal dificuldade está na definição adequada das camadas. Este modelo costuma ser menos eficiente

38. Microkernels Em meados da década de 1980, pesquisadores da Carnegie Mellon University desenvolveram o Mach, baseado no Unix e com arquitetura microkernel. São removidos os componentes não-essenciais do kernel e implementados como programas de sistema e de nível de usuário

39. Microkernels A principal função do microkernel é fornecer comunicação entre programa cliente e serviços em execução no espaço do usuário O programa cliente e o serviço nunca interagem diretamente, mas por meio de troca de mensagens pelo microkernel

40. Microkernels Novos serviços podem ser adicionados ao espaço do usuário Modificações do kernel tendem a ser menores Projetos são mais facilmente portáveis Abordagem é utilizada pelo Unix Digital, MacOs X Server e Minix

41. Estrutura de Sistemas Windows NT utiliza uma estrutura híbrida. Parte da estrutura utiliza camadas, mas os subsistemas Win32, OS/2 e Posix executam no espaço do usuário e trocam mensagens pelo kernel

42. Máquinas Virtuais Com as técnicas de escalonamento de UCP e de memória virtual, o sistema operacional pode criar ilusão de que um processo tem seu próprio processador com sua memória. Neste caso ele fornece aos processos uma interface idêntica ao hardware. Desta forma, cada processo recebe uma cópia virtual do computador

43. Máquinas Virtuais

44. Implementação Muito trabalho é necessário para implementar o conceito de Máquinas Virtuais A máquina virtual precisa implementar os modos usuário e monitor Os modos usuário virtual e monitor virtual executam em modo usuário físico

45. Benefícios Este conceito oferece proteção total dos recursos do sistema Não há problemas de segurança pois cada máquina virtual é completamente isolada das outras Este é um excelente veículo para pesquisa e desenvolvimento de sistemas operacionais

46. Java Java é uma tecnologia introduzida pela Sun Microsystems em 1995 Componentes essenciais Especificação da linguagem de programação Interface de programação de aplicações (API)‏ Especificação da máquina virtual

47. Linguagem de Programação Orientada a objetos Independente de arquitetura Suporta threads Segurança Robustez

48. API API base Linguagem (lang)‏ Gráficos (awt)‏ E/S (io)‏ Redes (net)‏ Extensão Comércio, segurança, mídia e outros

49. Máquina Virtual Java Consiste de carregador de classes e interpretador Java Interpretador pode Interpretar um bytecode por vez Compilar just-in-time Ser implementado em hardware

50. Ambiente de desenvolvimento Consiste de Ambiente de compilação Ambiente de execução O ambiente de compilação transforme um arquivo-fonte em um bytecode O ambiente de execução carrega e interpreta os bytecodes

51. Projeto e Implementação O primeiro objetivo do projeto é definir objetivos e especificações Objetivos de usuário: conveniência, usabilidade, facilidade de aprender, confiabilidade, segurança e eficiência Objetivos do sistema: facilidade de projeto, flexibilidade, confiabilidade

52. Mecanismos e Políticas Mecanismos determinam como fazer alguma coisa Políticas determinam o que será feito

53. Implementação Originalmente os sistemas operacionais eram escritos em Assembly O primeiro sistema operacional não escrito em Assembly foi o MCP, escrito em uma variante de ALGOL Hoje os sistemas operacionais são escritos em C, C++ e Assembly apenas nos escalonadores e drivers de dispositivo

54. Implementação Linguagens de alto nível são escritos de forma mais rápida, mais compacta, mais fácil de entender e de depurar Os inconvenientes são desempenho reduzido e maiores requisitos de armazenamento

55. Geração do sistema Em geral os sistemas operacionais são projetados para executar em qualquer máquina de determinada classe, com distintas configurações Em cada local de instalação o sistema deve ser gerado e configurado. Este processo é denominado Geração de Sistema (Sysgen)‏

56. Geração de Sistema Dados a serem determinados Tipo, opções e quantidade de UCP Quantidade de memória disponível Periféricos disponíveis, seus endereços, interrupções e características Opções de sistema operacional desejadas Criação do Gerenciador de Inicialização ou Gerenciador de Boot

57. Bibliografia SILBERSCHATZ, A.; GALVIN, P.; GAGNE, G. Sistemas Operacionais : Conceitos e Aplicações. Tradução de Applied operating system concepts por Adriana Rieche. Rio de Janeiro: Campus, 2000. 585 p. Observação: As imagens utilizadas nesta apresentação foram obtidas da fonte aqui citada

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59. Sistemas Operacionais Estruturas de Sistemas Operacionais Prof. Cid R Andrade [email_address] http://blog.cidandrade.pro.br