Sistemas operacionais

Ementa
Introdução à Sistemas Operacionais.
Conceitos de processos.
Comunicação, Concorrência e Sincronização
de Processos.
Gerenciamento de Memória: Memória Virtual,
Paginação, Segmentação e “Swap”.
Gerenciamento de Arquivos.
Gerenciamento de Dispositivos de
Entrada/Saída.
Alocação de Recursos.
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Histórico
1º computador:
Máquina analítica de Charles Babbage (1792-1871);
Primeira Geração (1945-1955):
Válvulas e painéis;
Segunda Geração (1956-1965):
Transistores e Sistemas Batch;
Terceira Geração(1966-1980):
Circuitos Integrados e Multiprogramação;
Quarta Geração(1981-1990):
Computadores Pessoais;
Quinta Geração (1991- 20??):
Atualidade; Sistemas Móveis
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Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos
Um velho conhecido pelos usuários de microcomputadores é a famosa "tela azul".
Quem já utilizou sistemas operacionais antigos, como o Windows 95, certamente
já se deparou com este problema. A "tela azul" era de fato uma violação de
acesso que tornava o sistema instável.
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A partir do 80386, esse problema foi solucionado em termos
de hardware através da possibilidade de 2 modos de
execução: o modo protegido (Windows rodando) e o modo
real. Ficava a cargo do sistema operacional a comutação
entre esses dois modos por questões de compatibilidade.
A instabilidade evidenciada pela "tela azul" tem razões
históricas. Os primeiros processadores da linha x86 possuíam
um único modo de operação: o modo real. Dessa forma,
todas as operações poderiam ser executadas diretamente
pelas aplicações que, ao produzir erros, geravam panes no
sistema.
6

Voltando à "tela azul"...
As aplicações podiam executar diretamente as funções do
kernel sem a proteção da mudança de modo, ou seja, o
erro acontecia após a execução de uma função do kernel.
Com a mudança de modo, se a execução não for segura,
a aplicação será impedida de continuar a execução e o
sistema permanecerá estável.
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Sistema Operacional
Pode ser dividido em praticamente quatro componentes:
Hardware;
Sistema Operacional;
Programas Aplicativos;
Usuários.
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Sistema Operacional
Hardware – unidade central de processamento (CPU),
memória e os dispositivos de entrada/saída fornece
recursos básicos de computação;
Sistema Operacional – controla e coordena o uso do
hardware entre vários programas aplicativos diferentes;
Programas aplicativos – processadores de texto, planilhas
eletrônicas, compiladores e navegadores Web definem as
maneiras que estes recursos serão usados.
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Tarefas do sistema operacional
Gerenciamento do processador;
Gerenciamento de memória;
Gerenciamento de dispositivos;
Gerenciamento de armazenamento;
Interface de aplicativos;
Interface do usuário.
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Conceitos Fundamentais de
Sistemas Operacionais
Cada parte (módulo ou função) de um Sistema Operacional
é responsável pelo gerenciamento de um recurso específico.
Esses recursos são:
Tempo de CPU;
Espaço em memória;
Espaço em disco;
Acesso aos dispositivos de comunicação;
Bibliotecas de software.
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SO – Visão do Usuário
Gerenciar recursos é garantir a utilização compartilhada do
recurso sem que ocorram erros que possam gerar instabilidade
ou falha no sistema.
Sistema Operacional fornece:
Acesso ao sistema;
Possibilidade de criar e gerir arquivos e diretórios;
Ambiente para execução de programas;
Acesso aos dispositivos de E/S;
Acesso ao conteúdo de arquivos;
Detecção de erros.
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Conceitos Iniciais
Camada de software localizada entre os
aplicativos e o hardware;
Formas de interação (SHELL):
CLI: Comand Line Interface (Linux).
GUI: Graphic User Interface (Windows).
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GUI: Graphic User Interface
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Conceitos Iniciais – “SHELL”
O termo Shell é mais usualmente utilizado para se referir
aos programas de sistemas do tipo Unix que podem ser
utilizados como meio de interação entre interface de
usuário para o acesso serviços do kernel no sistema
operacional;
Este é um programa que recebe, interpreta e executa os
comandos de usuário, aparecendo na tela como uma
linha de comandos, representada por um interpretador
de comandos, que aguarda na tela os comandos do
usuário.
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Classificação de Sistemas Operacionais
A classificação é utilizada como uma forma sintética de
apresentar, em poucas palavras, as características de um
Sistema Operacional.
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Sistemas Monotarefa x Sistemas Multitarefa
Sistemas Monousuário x Sistemas Multiusuário
Sistemas Monoprocessados x Sistemas Multiprocessados

Aplicativos
Monotarefa: executa uma tarefa de cada vez.
Exemplo: DOS.
Multitarefa: processos podem ser executados
simultaneamente (+ que 1processador)
/concorrentemente.
Exemplo: Windows XP, Windows 7, Linux, MacOS.
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Executa Espera Executa Espera
Monotarefa
Executa Espera Executa Espera
Espera Executa Espera Executa
Multitarefa
Programa A
Programa B

Usuários
Definem a capacidade de gerenciar mais de um usuário ao
mesmo tempo, compartilhando os mesmo recursos de software e
hardware.
Monousuário: Admite e gerencia apenas um usuário de cada vez
– não permite que mais de um usuário esteja "logado"
simultaneamente.
Multiusuário: Admite e gerencia vários usuários ao mesmo tempo
– permite que mais de um usuário esteja "logado"
simultaneamente.
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Quantidade de Processadores
Monoprocessado: Somente reconhece e utiliza um
único processador.
Exemplo: Windows 98.
Multiprocessado: Reconhece e utiliza mais de um
processador ou mais de um núcleo.
Exemplo: Windows XP, Windows 7, Linux.
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Hyper-threading
Hyper-Threading ou hiperprocessamento é uma tecnologia usada
em processadores que o faz simular dois processadores tornando o
sistema mais rápido quando se usa vários programas ao mesmo tempo;
Uma tecnologia desenvolvida pela Intel e foi primeiramente empregada
no processador Pentium 4 . Apesar do foco da tecnologia Hyper-
Threading ser os processadores para servidores de rede, os
processadores da série Intel® Core2™ (Extreme Edition) e Intel® Core™
(i3,i5 e i7) usufruem dessa tecnologia proporcionando até 12 núcleos
totais. Essa técnica foi criada para oferecer maior eficiência na
utilização dos recursos de execução do processador.
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Hyper-threading -Modelos
Intel Pentium 4;
Intel Pentium 4 Extreme Edition;
Intel Pentium D Extreme Edition;
Todos os modelos e gerações do Intel Core i3;
Todos os modelos mobile e de todas as gerações do Core i5;
Alguns modelos desktop da primeira geração do Core i5;
Todos os modelos e gerações do Intel Core i7;
Intel Atom N450;
Intel Atom Z2480;
Intel Atom D510;
Intel Atom D525;
Intel Atom N270;
Intel Pentium Dual Core.
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CPU
Unidades de Controle: Controla a operação do CPU e,
portanto, do computador;
Unidade Lógica e Aritmética (ULA): desempenha as
funções de processamento de dados;
Registradores: fornece o armazenamento interno de
dados para a CPU;
Interconexão da CPU: possibilita a comunicação entre
a unidade de controle, a ULA e os registradores.
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Rede
Conjunto de módulos que ampliam os sistemas
operacionais, completando-os com um
conjunto de funções básicas que tornam
transparentes o uso de recursos compartilhados
da rede.
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Rede
Suporte a operações em rede;
Compartilhamento de recursos em rede;
Usuário precisa saber onde estão os recursos;
Recursos pertencem a computadores específicos.
35

Rede
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Distribuídos
Conjunto de computadores independentes que se
apresenta a seus usuários como um Sistema único e
coerente;
Coleção de computadores autonômos interconectados
por uma rede, com software projetado para produzir
uma aplicação integrada;
Sabemos que existe um sistema distribuído quando a
falha de um computador que você nunca ouviu falar
impede que você faça qualquer trabalho.
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Distribuídos
Ambiente computacional virtual;
Visão unificada;
Localização abstrata de armazenamento e
processamento;
Tarefa processada em vários computadores.
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Redes X Distribuídos
Rede:
Usuário precisa se preocupar com a localização
dos recursos.
Distribuído:
Usuário não tem que se preocupar com a
localização dos recursos. O próprio SO “se vira”.
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Embarcados/Embutidos.
Inseridos em hardware com recursos limitados;
Portáteis;
Tarefas predefinidas;
Requisitos Específicos.
PC.
Uso doméstico.
Servidor.
Maior Robustez.
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Iniciando o Sistema Operacional
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A inicialização do sistema operacional
Quando você liga o computador, o primeiro programa
executado é, geralmente, um conjunto de instruções
armazenadas na memória ROM (NV).
Este código examina o hardware do sistema para ter
certeza de que tudo está funcionando corretamente. Este
auto teste, é conhecido como POST (power-on self test)
ele verifica a CPU, a memória, a BIOS (Sistema de Entrada
e Saída Binário ), procura por erros e armazena o
resultado em uma memória especial.
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Ao completar o POST, o software é carregado na
memória ROM (às vezes chamado de BIOS ou
firmware) ativa as unidades de disco do
computador.
Na maioria dos computadores modernos, quando
o computador ativa o disco rígido ele encontra o
trecho inicial do sistema operacional, conhecido
como bootstrap loader (sistema de inicialização).
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O bootstrap loader é um pequeno programa que tem uma
única função. Ele carrega o sistema operacional na memória
e permite que ele comece a operar.
Em sua forma mais básica, ele configura os pequenos
programas de driver que fazem interface e controlam os
vários subsistemas de hardware do computador. Ele configura
as partes da memória que contêm o sistema operacional, as
informações de usuário e os aplicativos. Ele também
estabelece as estruturas de dados responsáveis pelos
inúmeros sinais, flags e semáforos que são usados para a
comunicação com (e entre) os subsistemas e aplicativos do
computador. Então ele entrega o controle do computador ao
sistema operacional.
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Acompanhe em ordem cronológica as
etapas que ele percorre
1. Acessa a memória CMOS, um circuito integrado que
grava informações referentes ao hardware. Nela, o BIOS
estabelece reconhecimento e comunicação com
peças como placas de vídeo e memória RAM.
*CMOS é a abreviação de "Complementary Metal Oxide Semiconductor".
O CMOS é uma pequena área de memória volátil, alimentada por uma bateria,
que é usada para gravar as configurações do Setup da placa mãe.
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2. A segunda fase, conhecida como Power-on Self
Test (POST) nada mais é do que um conjunto de teste
que a BIOS realiza para saber se tudo está se
inicializando da maneira correta. Quando alguns
componentes essenciais estão faltando, alguns beeps ou
mensagens na tela alertam o usuário.
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3. A etapa seguinte consiste na procura de
alguma fonte para inicializar o sistema
operacional. Tal fonte é configurável e pode
ser um disco rígido (padrão), CD-ROM,
pendrive entre outros.
49

4. Agora, o BIOS lê o setor zero (que contém
apenas 512 bytes, denominado Master Boot
Record) do HD. Essa área contém um código
que alavanca a inicialização do sistema
operacional. Outros dispositivos de boot (CDs,
etc.) têm a capacidade de emular esse setor
zero.
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5. No caso do Windows, o Master Boot
Record (MBR) verifica qual partição do HD está
ativa (configurada como Master) e inicializa o
“setor um” dela — essa área tem um código
com a simples missão de carregar o setor dois.
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MBR – Master Boot Record
Setor do disco rígido também chamado de “Setor de Boot Mestre”,
onde é encontrada a tabela de partição do disco que dará boot;
É lida pela BIOS, que interpreta a tabela de partição e sem seguida
carrega um programa chamado “Bootstrap”, que é responsável pelo
carregamento do Sistema Operacional no setor de boot da partição
que dará o boot;
Tanto o gerenciador de boot quanto a tabela de particionamento do
HD são salvos no primeiro setor do HD (a famosa trilha MBR), que
contém apenas 512 bytes. Destes, 446 bytes são reservados para o
setor de boot, enquanto os outros 66 bytes guardam a tabela de
partição. 52

Ao trocar de sistema operacional, você geralmente
subscreve a MBR com um novo gerenciador de boot, mas a
tabela de particionamento só é modificada ao criar ou
deletar partições. Caso, por qualquer motivo, os 66 bytes da
tabela de particionamento sejam sobrescritos ou
danificados, você perde acesso a todas as partições do HD.
O HD fica parecendo vazio, como se tivesse sido
completamente apagado. Apesar disso, é quase sempre
possível recuperar as partições (e os dados dentro delas)
usando um programa de recuperação, como o TESTDISK.
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Para manter dois ou mais sistemas instalados
no mesmo micro é necessário instalar um boot
manager, um pequeno programa que ficará
residente na trilha MBR e será carregado cada
vez que o micro é ligado.
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O boot manager exibe então uma tela perguntando qual
sistema operacional deve ser inicializado. A maior parte dos
sistemas operacionais atuais trazem algum boot manager.
No Linux temos o Lilo e o Grub, que podem ser usados para
combinar Linux e Windows, ou mesmo várias versões
diferentes do Linux, de acordo com a configuração. Existem
ainda produtos comerciais, como o BootMagic, que faz
parte do PartitionMagic.
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Acompanhe em ordem cronológica
as etapas que ele percorre
6. A etapa seguinte consiste na leitura de um
arquivo de configuração de boot, o Boot
Loader (quando falamos do Windows, trata-se
do NTLDR).
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7. A partir dele, é inicializado o núcleo (kernel).
Assim como a BIOS estabelece a ligação entre
hardware e sistema, o kernel serve para firmar
uma comunicação estável entre hardware e
software. Nessa fase, é ele quem assume o
controle do computador.
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Kernel
Significa “núcleo”. Em linhas gerais, o kernel é o “cérebro” do
computador. Peça fundamental dos sistemas operacionais, ele é a
ligação entre o processamento dos dados e os programas.
O kernel é responsável por ser o elo do hardware (parte física) com
o software (parte lógica) do computador. Em outras palavras, o
principal objetivo é gerenciar o computador e permitir que os
aplicativos sejam executados e façam uso dos recursos que a
máquina tem. O núcleo também tem que garantir, por exemplo,
que a memória RAM seja usada em seu potencial sem risco para o
computador.
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Kernel
Assim que você liga o PC, o kernel é acionado e começa a
detectar todo o hardware que ele possui e o que precisa para
funcionar (monitor, placa de vídeo, etc.). Depois que o sistema
operacional é carregado, o núcleo assume outras funções:
gerenciar os processos, os arquivos, a memória e os dispositivos
periféricos, fazendo com que ele seja o “organizador” de tudo o
que acontece na máquina.
Tem ainda a responsabilidade de decidir, a qualquer momento,
qual dos programas que estão sendo executados no momento
devem ser alocados para o processador (ou processadores).
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Kernel
Tratamento de interrupções;
criação e eliminação de processos;
sincronização e comunicação entre processos;
escalonamento e controle dos processos;
gerência de memória;
gerência do sistema de arquivos;
operações de entrada e saída
contabilização e segurança do sistema.
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System Calls (Unix)
Application Program Interface (Windows)
Mecanismo de proteção ao núcleo do sistema e de acesso
aos seus serviços;
O usuário (ou aplicação), quando deseja solicitar algum
serviço do sistema, realiza uma chamada a uma de suas
rotinas (ou serviços) através da system calls (chamadas ao
sistema).
Ao invés de executar diretamente funções no kernel, a
aplicação executa uma função intermediária, que verifica
se o acesso ao kernel é seguro e, só então, completa a
operação.
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SYSTEM CALLS
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Aplicação System Call Núcleo
H
a
r
d
w
a
r
e

Modo Usuário x Modo Kernel
As aplicações são executadas em modo usuário, ou seja, modo que
não possui privilégios para operações que coloquem o sistema em
risco, tais como, escrever no disco, criar novas tarefas, etc;
Quando essas aplicações precisam executar tarefas críticas, é
necessário que haja uma mudança para modo Kernel (núcleo do
Sistema Operacional, responsável pelas tarefas críticas do sistema). Essa
mudança ocorre através de uma "system call" (chamada ao sistema).
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Modo Usuário: Aplicação só pode executar instruções
conhecidas como não-privilegiadas, tendo acesso a um
número reduzido de instruções;
Modo Kernel: Aplicação pode ter acesso ao conjunto
total de instruções do processador.
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Instruções privilegiadas: Têm o poder de
comprometer o sistema;
Instruções não privilegiadas: não oferecem perigo
ao sistema;
O modo de acesso é um mecanismo para impedir
problemas de segurança e mesmo violação do
sistema.
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Modo de Acesso
O modo de acesso é determinado por um
conjunto de bits, localizado no registrador de
status (PSW) do processador, que indica o modo
de acesso corrente;
Por intermédio desse registrador, o hardware
verifica se a instrução pode ou não ser
executada.
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Registradores
Quando o processador executa as instruções, os dados são armazenados,
temporariamente, nas pequenas memórias rápidas de 8, 16, 32 ou 64 bits que
chamamos registros. Conforme o tipo do processador, o número global de
registros pode variar entre uma dezena e várias centenas.
Os principais registros são:
o registrador de dados ou acumulador (ACC), armazenando os resultados das
operações aritméticas e lógicas;
o registrador de status (PSW, Processador Status Word), armazenando os
indicadores sobre o estado do sistema (retenção, excesso, etc.);
o registrador de instrução (RI), com a instrução de processamento em curso;
o contador de programa (CO ou PC para Program Counter), com o endereço da
próxima instrução a ser processada;
o registro reserva, que armazena, temporariamente, um dado vindo da memória.
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Aplicação necessita de um serviço que pode
colocar o sistema em risco, então...
1) Solicitação é realizada através de uma system call.
2) System Call altera o modo de acesso do processador para
um modo Kernel;
3) Se caso um programa tente executar uma instrução
privilegiada, sem o processador estar no modo Kernel, uma
exceção é gerada e o programa é encerrado.
4) Se for permitido ele executa a tarefa solicitada.
5) O modo de acesso é retornado para o modo usuário ao
término da rotina do sistema.
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8. O kernel carrega os arquivos principais
e informações básicas do sistema
operacional (incluindo o registro), além
de relacionar os componentes de
hardware com as respectivas DLLs e
drivers.
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9. No entanto, o kernel não carrega
todos os processos para não
sobrecarregar o sistema — somente as
operações essenciais são colocadas em
atividade para possibilitar o início do
Windows.
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10. A tela de escolha de usuários é
exibida e, após o logon, os programas
relacionados para começar junto com o
sistema são carregados.
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Modo de Segurança
O que o modo de segurança faz é, basicamente, filtrar
ainda mais as funções que entram em ação junto ao
carregamento do sistema operacional. O próprio
Windows sugere, em certos casos, que o usuário tente
reiniciar o computador em modo de segurança;
Nele, alguns componentes ficam desativados,
possibilitando que deficiências e erros no processo de
boot possam ser corrigidos. Da mesma maneira, drivers e
programas com problemas podem ser desinstalados ou
reinstalados.
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Bibliografia
Silberschatz, Abraham
Sistemas Operacionais: conceitos e aplicações / Abraham
Silberschatz, Peter Galin, Greg Gagne ; tradução de Adriana
Rieche. – Rio de Janeiro: Elsvier, 2000 – 8 Reimpressão.
76Vinicius Campos

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