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Carregado porAdir Kuhn
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Sistemas Operacionais

O documento fornece um resumo sobre sistemas operacionais. Explica que um sistema operacional é um software que gerencia os recursos de hardware e fornece uma interface de alto nível para programas acessarem dispositivos. Também discute conceitos como processos, memória, escalonamento e exclusão mútua, que são fundamentais para a operação de sistemas operacionais modernos.

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Sistemas Operacionais ADIR KUHN BACHAREL EM COMPUTAÇÃO PÓS GRADUADO EM BANCO DE DADOS PHP ENGINNER E SCRUM MASTER
Conteúdo  Introdução ao S.O  Gerenciamento de processos.  Gerenciamento de memória.  Dispositivos de Entrada/Saída.  Sistemas de arquivos.
Definição do problema  Um sistema de computação consiste de diversos dispositivos.  Todos os dispositivos são complexos de manipular.  Escrever programas que fazem usos desses dispositivos é uma tarefa difícil.
Como solucionar o problema?  Utilizar uma camada de software chamada sistema operacional.  Ele gerencia todos esses dispositivos e fornece uma interface de mais alto nível para acesso ao hardware.
O que é um Sistema Operacional?  É um software que realiza duas funções:  Estende a máquina, isto é, esconde do programador a “verdade” sobre a programação do hardware e apresenta uma forma mais simples de acessar o hardware.  Gerencia recursos, isto é, controla todo o hardware e controla a concorrência entre os diversos processos que tentam usar esse hardware.
Exemplo de acesso ao hardware  Queremos gravar dados em um disquete sem um S.O:  O controlador do disquete tem 16 funções de baixo nível;  Funções de leitura/escrita têm 13 parâmetros;  Retornam 23 informações de status.  É preciso verificar o status do motor.
Resumindo...  Sistema operacional é um software utilizado para facilitar a utilização do hardware, fornecendo ao usuário uma abstração maior, evitando que o programador acesse as instruções de hardware.  O SO gerencia os recursos de hardware, como por exemplo: endereçamento de memória, fila de processos para execução, concorrência entre processos.
Estrutura de um computador moderno
Estrutura de um computador moderno  Dispositivos físicos: circuitos, unidades de disco etc.  Microprogramação: constituída por softwares capaz de interpretar e executar as instruções de máquina recebidas da camada superior.
Estrutura de um computador moderno  Linguagem de máquina: instruções que movem os dados pela maquina efetuando operações lógicas e aritméticas.  Sistema operacional: esconde a complexidade do hardware e gerencia os recursos compartilhados.
Estrutura de um computador moderno  Utilitários: compiladores, editores texto, interpretador de comando.  Aplicativos: navegador web, bate-papo etc.
Evolução dos S.O (MINIX) WINDOWS, MAC, LINUX
 Os sistemas operacionais evoluíram com o passar dos anos, acompanhando a arquitetura dos computadores que executavam.
1ª geração (1940 – 1955)  Foi marcada pelo invento das válvulas.  Computadores eram formados por milhares de válvulas ocupando salas imensas.  Não havia conceito de sistema operacional.  O acesso era feito diretamente nos painéis do equipamento, onde o usuário programa seus cálculos.  Surge o ENIAC, onde a programação era por fios e pinos.
1ª geração (1940 – 1955) (cont.) Computador baseado em válvulas Computador ENIAC
2ª geração (1955 – 1965)  Marcada por três avanços:  Utilização dos transistores em grande quantidade.  Sistema de processamento em batch.  Surgimento de linguagens de programação de alto nível (Fortran, Algol e Cobol).  Criação de mainframes.  Programas deixam de ter relação direta com o hardware.
2ª geração (1955 – 1965)  Processamento em batch:  Programas eram gravados em cartões perfurados. Após a leitura, eles eram salvos em uma fita magnética de entrada.  A fita de entrada era colocada no computador de grande porte (IBM 7094). Ao final do processamento, gravava o resultado em uma segunda fita (de saída).  A segunda fita (de saída) era colocada em um computador (IBM 1401) que lia a fita de saída e imprimia seu conteúdo.
2ª geração (1955 – 1965) (cont.) Sistema de processamento batch
3ª geração (1965 – 1980)  Surgimento dos circuitos integrados.  Surgimento das técnicas de:  Multiprogramação: execução de vários programas por meio da divisão de memória em partes.  Timesharing: divide o tempo de uso do processador entre todos os programas.
4ª geração (1980 – 1990)  Surgimentos dos PCs (personal computers).  Surgimento dos sistemas operacionais mais modernos:  MS-DOS: linha de comando.  Novel network : sistemas operacional de rede.  Macintosh: baseado em janelas.
5ª geração (1990 – ...)  Surgimento da computação distribuída  Um programa em execução que pode ser dividido em subprocessos para serem executados em outros computadores na rede.  Surgimento do protocolo TCP/IP, padrão Ethernet e o modelo cliente/servidor.  Surgimento da computação ubíqua.
Conceitos básicos de S.O
Monotarefa  Os primeiros S.O executavam um programa de cada vez.  Os outros programas deveriam esperar o termino para poder executar.  Todos os recursos ficavam dedicados a uma única tarefa.
Multitarefa  Suporta a execução concorrente de vários programas, dividindo os recursos.  Classificado como:   Monousuário e Multiusuário. Pode ser:  Cooperativo: o processo libera a CPU voluntariamente (i.e não há interrupções)  Preemptivo: quando o sistema gera uma interrupção e dá lugar a outro processo na CPU.
Processos  É uma abstração de um programa em execução.  Cada programa tem ao menos um processo concorrendo os recursos de sistema.  Possui um espaço de endereçamento na memória.  Pode assumir três estados:  Execução  Bloqueado  Pronto
Multiprocessamento  Sistemas com múltiplos processadores.  Compartilham a mesma memória e dispositivos de entrada.  Aumentam a capacidade computacional.
Interpretador de comandos (Shell)  Interface entre o usuário e o sistema operacional.  É onde o usuário solicita a execução de programas.
Chamadas do sistema (System Calls)  Interface entre softwares aplicativos e o sistema operacional.  Exemplo:  Criar arquivos.  Acessar drive de disquete, CD-Rom etc.
Sistemas Operacionais e suas Características
Gerenciamento de processos
Processos  Um processo é tudo aquilo que o processador executa.  E a entidade pela qual a utilização da memória de um programa, tempo de processador e recursos de E/S podem ser gerenciados e monitorados pelo sistema operacional.  O processo pode ser visto como a abstração de um programa em execução.
Processos  Exemplo João vai fazer um bolo. Ele vai utilizar uma receita para saber quais ingredientes e saber como preparar tudo.  Quem é o processador?  Quem é o programa?  Quem é o processo?
Processos  Todo software executável em um computador moderno, até mesmo o sistema operacional, é organizado em processos.  Os sistemas atuais permitem ao usuário a chaveamento de vários processos.  Esse chaveamento nos dá a sensação de que os programas são executados paralelamente.
Troca de processos  Como funciona a troca de processos?  Salvar o conteúdo atual dos registradores da CPU referentes a um processo que esta deixando o processador.  Carregar os registradores com o conteúdo do processo que esta ganhando a CPU.
Troca de processos
Processos  Principais eventos que levam à criação de processos  inicialização do sistema  execução de chamada ao sistema de criação de processos  solicitação do usuário para criar um novo processo
Processos  Condições que levam ao término de processos  saída normal (voluntária)  saída por erro (voluntária)  erro fatal (involuntário)  cancelamento por um outro processo (involuntário)
Estados do processo  O processador não pode ser ocupado por todos os processos ao mesmo tempo.  Existe uma competição entre os processos para entrar em execução.  O sistema operacional deve controlar essa competição.
Estados do processo  Pronto (aguardando na fila de processos)  Execução (esta no processador)  Bloqueado (aguardando E/S)
Subprocessos  Uma aplicação pode ser dividida em partes que trabalham concorrentemente.  Consiste em particionar o processo gerado para controlar a aplicação (processo pai) em outros subprocessos subordinados a este que são chamados de processos filhos, ou apenas subprocessos
Subprocessos
Subprocessos  Conforme aumenta-se a utilização de subprocessos, há um desperdício de tempo para criar e destruir estes.  Para resolver este problema, criou-se o conceito de threads.
Threads  São consideradas processos mais leves.  Enquanto os processos são usados para agrupar recursos, as threads são as entidades escalonadas para a execução na CPU.  Um processo possui pelo menos uma thread (linha de controle).
Threads
Exemplo Threads  Aplicação: Processador de textos  Uso: 3 threads  Interação com o usuário (teclado)  Formatação de texto  Gravando o documento
Exemplo Threads
Escalonamento  Vimos que o estado de pronto possui uma fila de processos aguardando a liberação da CPU.  O componente que tenta manter o processador ocupado o tempo todo, escolhendo que será o próximo processo a ser executado é o escalonador.
Escalonamento  Categorias de algoritmos  Não-preemptivos  Preemptivos
Algoritmos de escalonamento  First In First Out (FIFO)  Constitui-se no esquema mais simples de escalonamento em que os processos são executados do início até o fim, na ordem de chegada.
Algoritmos de escalonamento  Round Robin – Alternância Circular  Processos são executados na ordem FIFO, mas com um intervalo chamado quantum.  Ao final de seu quantum, se o processo ainda estiver em execução, é interrompido (preempção) e voltará para o estado de pronto (final da fila) e o próximo processo da fila será alocado para ocupar a CPU.  Se o processo terminar antes de finalizar o seu quantum, a CPU será liberada.
Algoritmos de escalonamento  Round Robin – Alternância Circular  Exemplo: quantum de 20 ms Processo Tempo de Uso da CPU em ms (milissegundos) P1 P2 P3 P4 50 14 65 21
Algoritmos de escalonamento  Shortest Job First – Processo mais curto primeiro  Processos menores são executados primeiro.  Processos curtos são favorecidos.  Processo maiores são prejudicados.  Pouco utilizado na prática.
Algoritmos de escalonamento  Shortest Job First – Processo mais curto primeiro  Exemplo: Processo Tempo de Uso da CPU em ms (milissegundos) Chegad a P1 7 0 P2 4 2 P3 1 4 P4 4 5
Concorrência  Os processo concorrem pelos recursos do sistema.  Exemplo: fila de impressão
Deadlock  Acontece quando dois ou mais processos estão disputando recursos e nenhum deles consegue seguir a execução porque ambos estão bloqueando uns aos outros.  Exemplo:  Dois processos querem gravar um CD.  Processo P1 aloca o Gravador.  Processo P2 aloca o HD.  P1 espera P2 terminar de usar o HD.  P2 espera P1 terminar de usar o gravador.
Exclusão Mútua Evitar que mais de um processo utilize um recurso compartilhado.  Condições para exclusão mútua:  1. 2. 3. 4. Dois processos não podem estar dentro de suas regiões críticas ao mesmo tempo, compartilhando o mesmo recurso. A exclusão mútua dos processos deve ser independente da velocidade dos processos ou o número de CPUs. Um processo executado fora da região crítica não pode bloquear outros processos. Nenhum processo esperará para sempre para entrar em sua região crítica.
Exclusão mútua com espera ocupada  Se um processo está acessando uma região crítica, ou seja, esta em execução, todos os outros processos que precisarem acessar esta região deverão entrar em estado de espera ocupada.  Esta espera se refere apenas à região crítica.  Desabilitar interrupções.  Variável Lock.  Variável Turn.  Peterson.  Instrução TSL.
Desabilitar interrupções  Desabilitar todas as interrupções, inclusive as do sistema operacional, quando uma região crítica está sendo acessada, garantindo que o processo em execução termine de executar a região crítica sem a intervenção de outros processos.
Variável Lock  Esta solução utiliza um algoritmo em que cada recurso compartilhado possui uma variável global chamada lock, com valor inicial igual a 0.  O algoritmo controla o acesso à região crítica por meio da variável lock. Ao consultar, se o seu valor for 0, o processo executará a região crítica; e se for 1, o processo aguardará até que a variável lock se torne 0.
Variável Turn  Se a variável turn for igual a i, o processo de número i executará a região crítica até terminar.  Ao sair, o processo altera o valor de turn para i+1 para que o próximo processo, ao executar, tenha acesso à região crítica.
Solução de Peterson  Combina as variáveis lock e turn solucionando os problemas individuais de cada uma delas.
Instrução TSL  É uma instrução utilizada em muitos processadores que permite a implementação de variáveis lock.  A vantagem é que nem mesmo uma interrupção de hardware pode interromper a execução.
Gerenciamento de memória
Gerenciamento de memória  Na memória principal ficam todos os programas e os dados que serão executados pelo processador.  Possui menor capacidade e custo maior.  S.O buscam minimizar a ocupação da memória e otimizar sua utilização.  Componente é o gerenciador de memória.
Gerenciamento de memória  Tarefas do gerenciador de memória:  Monitorar quais partes da memória estão utilizadas e quais estão disponíveis.  Realizar alocação e liberação da memória para os processos.  Gerenciamento do swapping (troca) entre a memória principal e a secundária.
Gerenciamento de memória  Esquemas de gerenciamento de memória:  Mantém os processo fixos na memória principal. monoprogramação  Movem os processos entre a memória principal e secundária (swapping e paginação). multiprogramação
Gerenciamento sem paginação  Foram utilizadas nos sistemas mais antigos.  A memória era compartilhada entre o S.O e os programas.  Chamada de monousuário ou monoprogramação.  Somente um processo pode ser executado a cada instante.
Gerenciamento sem paginação Três maneiras simples de organizar memória com um sistema operacional e com processos.
Gerenciamento de memória com partições fixas  Em direção à multiprogramação foram criadas partições fixas com tamanhos diferentes na memória principal.  A idéia é utilizar sempre o menor espaço possível.  Com tamanho fixo das partições, todo espaço naquela partição que não era utilizado pelo processo era perdido.  Funciona bem quando as tarefas são do mesmo tamanho ou quando os tamanhos são conhecidos previamente.
Partições fixas Partições fixas de memória com filas separadas para cada partição
Gerenciamento de memória com partições fixas  Surge um problema quando partições grandes está com a fila vazia e uma fila para partição pequena está com a fila cheia.  Solução: utilizar uma única fila.  O processo mais próximo do início da fila que se ajusta na partição vazia poderia ser carregado.
Gerenciamento de memória com partições fixas – fila única Partições fixas de memória com fila única.
Troca de processos  Nem sempre existe memória principal para todos os processos.  Alguns processos devem ser mantidos no disco (memória secundária).  Técnicas:  Swapping.  Memória virtual.
Swapping  Consiste em trazer o processo inteiro do disco para a memória, executá-lo e devolve-lo para o disco.  Os processos que estão sobrando ficam na memória secundária e trazidos de lá dinamicamente.
Swapping  Vantagem em relação às partições fixas:  Número, posição e tamanho das partições variam dinamicamente.  Com o tempo são criadas lacunas na memória principal.  Técnica de compactação de memória para mover os dados para baixo.
Swapping
Swapping  É provável que a área de dados (heap e pilha) do processo cresça durante a execução.  Se houver espaço adjacente ele será alocado para o processo.  Se não houver espaço adjacente o processo inteiro deverá ser movido para outra área da memória principal.  Pode-se alocar uma memória extra sempre que fizer a troca ou mover um processo.
Swapping
Memória virtual  Divide-se o programa em módulos chamados overlays (sobreposição).  No princípio, o programador deveria fazer a divisão do programa em módulos.  Mais tarde, essa tarefa passou para o S.O.  Assim, um programa grande que excedesse a memória física do computador poderia ser executado.
Memória virtual  Um programa de 32 MB pode ser executado em uma máquina com apenas 8 MB, por meio de uma escolha cuidadosa feita pelo sistema operacional em que 8 MB será mantido ativo na memória em cada instante, dinamicamente, dando a ilusão de que o programa inteiro está na memória.  Essa troca de módulos é a técnica de paginação.
Paginação  No sistemas com memória virtual, o endereço virtual e físico não são os mesmos.  Quem realiza o mapeamento dos endereços virtuais para o endereço físico é a unidade MMU (memory management unity).
Paginação
Paginação  Como exemplo, nosso computador possui 32 KB de memória física.  Queremos executar um programa de 64 KB.  O programa não pode ser carregado totalmente na memória.  Assim, partes do programa serão carregadas quando necessário.
Paginação
Paginação  Neste caso, as páginas marcadas com um X não estão mapeadas no momento.  Se o programa tentar utilizar, ocorrerá o pagefault.  Ele deverá escolher uma página pouco utilizada, colocá-la em disco e carregar a pagina desejada.
Algoritmos de substituição de páginas  Algoritmo FIFO  Baixo custo.  Mantém uma lista de todas as páginas, com a página mais velha no inicio e a mais nova no fim.  Quando recebe um page-fault a primeira página a sair é a mais velha (início da fila).  Pouco utilizado porque pode ser removida páginas muito utilizadas
Algoritmos de substituição de páginas  Algoritmo FIFO
Algoritmos de substituição de páginas  Relógio  Utiliza um bit (R) - referenciada  Assim o SO sabe qual página é mais ou menos utilizada.  As páginas são mantidas em lista circular.  Um ponteiro aponta para a mais antiga. Se acontecer um page-fault verifica o bit (R). Se for 0 é porque não esta referenciada e substituirá. Se for 1, seta R = 0 e avança o ponteiro até encontrar uma pagina com R = 0.
Algoritmos de substituição de páginas  Relógio
Algoritmos de substituição de páginas  Algoritmo LRU (least recently used)  Baseia-se na idéia de que uma página utilizada recentemente pode ser utilizada novamente.  Portanto, páginas que não foram utilizadas recentemente provavelmente permanecerão nãoutilizadas durante mais tempo.  Assim, ele remove as páginas menos utilizadas recentemente.
Algoritmos de substituição de páginas  Algoritmo LRU (least recently used)
Sistemas de entrada/saída
Sistemas de entrada/saída  Os dispositivos de E/S são a comunicação do sistema operacional com o mundo externo.  Os dispositivos de entrada e saída são controlados pelos sistemas operacionais.  O S.O emite comandos para os dispositivos, realiza tratamento de erros e oferecer uma interface simples, que abranja todos os dispositivos do sistema.  Esses dispositivos apresentam uma grande variação de velocidades.
Sistemas de entrada/saída
Sistemas de entrada/saída  Para que o sistema operacional controle um dispositivo de E/S é necessário que interaja com um componente eletrônico chamado controlador de dispositivo e um dispositivo mecânico.  Controlador de dispositivo   Placa de circuito eletrônico. Dispositivo mecânico  É o dispositivo propriamente dito
Sistemas de entrada/saída  Exemplo: Mouse  O componente eletrônico seria o circuito que interpreta as coordenadas X e Y e envia para o SO posicionar o cursor na tela.  O componente mecânico seria a esfera ou o dispositivo ótico e os botões.
Sistemas de entrada/saída  Drivers de dispositivo são os programas que possibilitam a comunicação entre o S.O e o dispositivo.  São desenvolvidos pelo fabricante do dispositivo.  Cada S.O precisa do seus próprios drivers.  Além de controlar o dispositivo, o driver também trata os erros.
Sistemas de entrada/saída  Buffers:  Região de memória temporária utilizada para escrita e leitura de dados.  São utilizados quando existe uma diferença entre a taxa em que os dados são recebidos e a taxa em que eles podem ser processados.  Também são utilizados como armazenamento temporário (ex. buffer do HD).