Sistemas Operacionais - DC

Sistemas Operacionais
Profa. Regina Borges de Araujo
Livro Texto
• Sistemas Operacionais Modernos. Tanenbaum, A., Pearson
– Prentice Hall, 2003
Outras Referências
• Operating Systems – Deitel, H., Deitel, P. & Choffnes, D.,
3rd edition, Pearson, Prentice Hall, 2003
• Sistemas Operacionais – Conceitos e Aplicações.
Silberschatz, Galvin & Gagne,Editora Campus, 2001
Informações sobre o curso
http://www.dc.ufscar.br/~regina/apresentaso.html
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Capítulo 1
Introdução
1.1 O que é um sistema operacional
1.2 História dos sistemas operacionais
1.3 O zoológico de sistemas operacionais
1.4 Revisão sobre hardware de computadores
1.5 Conceitos sobre sistemas operacionais
1.6 Chamadas ao sistema
1.7 Estrutura de sistemas operacionais
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Introdução
• Um sistema computacional consiste em
– hardware
– programas do sistema
– programas de aplicação
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O que é um Sistema Operacional
• É uma máquina estendida
– Oculta os detalhes complicados que têm quer ser
executados
– Apresenta ao usuário uma máquina virtual, mais
fácil de usar
• É um gerenciador de recurso
– Cada programa tem um tempo com o recurso
– Cada programa tem um espaço no recurso
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História dos Sistemas Operacionais (1)
• Primeira geração 1945 - 1955
– Válvulas, painéis de programação
• Segunda geração 1955 - 1965
– transistores, sistemas em lote
• Terceira geração 1965 – 1980
– CIs e multiprogramação
• Quarta geração 1980 – presente
– Computadores pessoais
• Quinta geração – a partir do ano 2000
– Computação ubíqua
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História dos Sistemas Operacionais (2)
Segunda geração 1955 - 1965
Antigo sistema em lote
(a) traz os cartões para o 1401
(b) lê os cartões para a fita
(c) e (d) coloca a fita no 7094 que executa o processamento
(e) e (f) coloca a fita no 1401 que imprime a saída
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História dos Sistemas Operacionais (3)
Estrutura de um job FMS típico – 2a. geração
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História dos Sistemas Operacionais (4)
Terceira geração 1965 – 1980
• Sistema de multiprogramação
– Três jobs na memória
• Spooling
• Compartilhamento de tempo
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História dos Sistemas Operacionais (5)
Quarta geração 1980 – presente
• Intel 8080 - CP/M
– domínio de 5 anos - popularização dos PCs
• IBM projeta o IBM/PC, DOS/BASIC, MS-DOS
• IBM PC/AT/80286 em 1983 (morte do CP/M)
• Doug Engelbart inventa GUI (adotada pela Xerox
e incorporada em suas máquinas)
–
–
–
–
LISA (Apple) incorpora GUI – fracasso (alto custo)
Apple MacIntosh – enorme sucesso
MS-GUI: W3.0/3.1/3.11/W95,W98, WMe – W/NT
UNIXGUI: XWindows (MIT), Motif (roda sobre X)
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História dos Sistemas Operacionais (6)
Quarta geração 1980 – presente
• Sistemas Operacionais de Rede
• Sistemas Distribuídos
• Internet/WWW
– Servidores WWW
• Linux, FreeBSD
• Solaris
– MS/Windows x Linux
• Internet 2
– Novas Aplicações (MM, Realidade Virtual)
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História dos Sistemas Operacionais (7)
Quinta geração – a partir de 2000
Computação Ubíqua
“É a visão de um mundo no qual o custo do
poder computacional e das comunicações
digitais tornam-se tão baratos a ponto de
poderem ser embutidos em todos os objetos
que nos cercam no dia-a-dia”
Frank Stajano, 2003 – Cambridge University
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História dos Sistemas Operacionais (8)
Quinta geração – Computação Ubíqua
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O Zoológico de Sistemas
Operacionais (1)
• Sistemas Operacionais de Computadores de Grande
Porte
– Capacidade de E/S, processamento de vários jobs de uma vez
– Serviços típicos: lote, processamento de transação e tempo
compartilhado
• Sistemas Operacionais de Servidores
– Servem múltiplos usuários de uma vez (compartilhamento de
recursos de software e hardware) via rede.
• Sistemas Operacionais de Multiprocessadores
– Múltiplas CPUs num único sistema (computadores paralelos,
multicomputadores ou multiprocessadores)
• Sistemas Operacionais de Computadores Pessoais
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O Zoológico de Sistemas
Operacionais (2)
• Tempo Real
– Tempo é o parâmetro chave
– Tempo real crítico x não crítico
• Embarcados
– Pequenos computadores e TVs, celulares, fornos de microondas
– Restrições de tamanho, memória e potência (PalmOS, W/CE –
Consumer Electronics)
• Cartão Inteligente
– Restrições extremas de tamanho de memória e poder de
processamento
– JVM em ROM
– S.O. primitivo gerencia desde uma única função até tratamento de
múltiplas applets
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Revisão sobre hardware de
computadores (1)
Bus
Componentes de um computador pessoal simples
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Revisão sobre hardware de
computadores (2)
Processadores
• Busca, decodifica e executa instruções
• Cada UCP tem um conjunto específico de instruções a
executar
• Tempo de acesso x tempo de execução => leva à necessidade
de ter Registradores (PC, ponteiro de pilha, PSW)
• S.O. sabe sobre todos os registradores (chaveamento de
contexto)
• UCPs mais complexas (pipeline, superescalar) => exigem
S.Os e compiladores mais complexos
• S.O.: modo núcleo (acesso total ao hardware) e modo usuário
(subconjunto de chamadas ao sistema para acesso ao
hardware)
• Programa do usuário obtém serviços do S.O. => Chamadas ao
Sistema => TRAP (muda de modo usuário para modo núcleo)
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Revisão sobre hardware de
computadores (3)
(a) Um pipeline de três estágios
(b) Uma CPU superescalar
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Revisão sobre hardware de
computadores (4)
• Típica hierarquia de memória
– números mostrados são apenas aproximações
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Revisão sobre hardware de
computadores (5)
Memória
• Ideal: extremamente rápida, grande e barata => nenhuma tecnologia
satisfaz => hierarquia de camadas
• Registradores > cache > Memória principal > discos magnéticos > fitas
magnéticas
• Discos – rotação a 5400, 7200, 10800 rpm
– Trilha (dividida em setores)
– Setores (512 bytes)
– Cilindro
– Tempos de disco
•
•
•
•
de um cilindro ao próximo: 1ms
de um cilindro para um cilindro aleatório: 5 a 10 ms
espera posicionar setor: 5 a 10 ms
R/W: 5 a 160MB/s
• Fitas – baixo custo
• ROM/EEPROM/FlashRAM (muito mais lento para escrever do que
RAM)/CMOS
• Memória e multiprogramação (MMU e o S.O. – problemas de proteção e
relocação)
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Revisão sobre hardware de
computadores(6)
Estrutura de uma unidade de disco
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Revisão sobre hardware de
computadores (7)
(a) um par base-limite (b) dois pares base-limite
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Revisão sobre hardware de
computadores (8)
(a) Passos para iniciar um dispositivo de E/S e obter
uma interrupção
(b) Como a CPU é interrompida
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Revisão sobre hardware de
computadores (9)
Dispositivos de Entrada/Saída
• Alta interação com o S.O.
• Dispositivo de E/S = dispositivo + Controlador
• Dispositivos => interface simples/padronizada IDE/SCSI –
controlador IDE acessa qualquer disco IDE
• S.O. fala com controlador através dos Drivers de dispositivo
• Driver => interage diretamente com o controlador
• Driver tem que ser colocado no S.O. e rodar no modo núcleo
(religa o núcleo; cria entrada no S.O. e reboot; driver é
adicionado “on the fly” – hot plug in USB)
• Formas de realizar E/S:
– Espera Ociosa: Programa do usuário=> Chamada ao sistema =>
chamada de procedimento para driver => inicia E/S (espera ociosa até
completar) => driver coloca dados (se houver) na memória
– Interrupção: idem acima sem espera – controlador gera interrupção
– DMA: acesso direto à memória sem a intervenção da CPU
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Revisão sobre hardware de
computadores (10)
Barramentos
• Um barramento só é insuficiente para tratar todo o tráfego
=> adição de barramentos adicionais (para dispositivos de
E/S mais rápidos e maior vazão entre UCP-memória)
• Sistema Pentium tem 8 barramentos (cada um com uma
função e taxa de transferência diferentes)
• S.O. tem que saber sobre todos os barramentos para
configuração e gerenciamento => PLUG AND PLAY (MS
e Intel)
• Antes do plug and Play - cada placa de dispositivo de E/S
tinha nível de interrupção fixo e endereços fixos para
registradores de E/S
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Revisão sobre hardware de
computadores(11)
Estrutura de um sistema Pentium
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Revisão sobre hardware de
computadores(12)
Barramentos
• O que fazer quando as interrupções
conflitavam?
– DIP switches ou Jumpers em cada placa de E/S
CAOS
• Plug and Play => mecanismo centralizado
– sistema coleta automaticamente info sobre todos os
dispositivos de E/S
– Atribui níveis de interrupção e endereços de E/S
– Divulga para cada placa quais são os seus números
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Revisão sobre hardware de
computadores(13)
Barramento
Ciclo
Taxa de
Transferência
ISA
8.33MHz
(2 bytes de uma vez)
16.67MB/s
66MHz
(8 bytes de uma vez)
528MB/s
(Industry Standard
Architecture)
PCI
(Peripheral Component
Interconnect)
IDE
USB
1.5MB/s
SCSI
160MB/s
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Revisão sobre hardware de
computadores(14)
BIOS
• Localizado em memória Flash na placa mãe
– Pode ser atualizado pelo S.O.
• Inicializado no boot
– Varre os barramentos ISA e PCI (grava dispositivos plug & play
e os legados – se forem diferentes do último boot, configura os
novos)
– Determina o dispositivo de boot (checa contra lista na CMOS)
– Lê primeiro setor do dispositivo de boot e executa
– Determina a partição ativa (através de programa que examina a
tabela de partição no final do setor de boot)
– Um loader secundário de boot é lido da partição ativa
– Loader secundário lê o Sistema Operacional da partição ativa
para a memória e o inicializa
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Revisão sobre hardware de
computadores(15)
Atividades Iniciais do Sistema Operacional
• Extrai informação de configuração da BIOS
• Checa a presença de driver para cada dispositivo de E/S
(se não encontra pede ao usuário para inserir disco ou CDROM com o software)
• Carrega todos os drivers no kernel (núcleo) do S.O.
• Inicializa suas tabelas
• Cria processos em background
• Inicializa programa de login ou uma interface gráfica para
cada terminal encontrado
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Conceitos sobre Sistemas
Operacionais (1)
• Uma árvore de processos
– A criou dois processos filhos: B e C
– B criou três processos filhos: D, E, e F
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Conceitos sobre Sistemas
Operacionais (2)
(a) Um deadlock potencial. (b) um deadlock real.
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Deadlocks
(Jean Bacon)
Dois ou mais processos esperam indefinidamente
por algo (um evento?) que pode ser fornecido
por apenas um dos processos em espera.
Exemplo de
deadlock no tráfego
Setas = carros
Starvation: Um processo pode ser negligenciado repetidamente.
• Com a inanição existe sempre uma forma de resolver a situação
• Com o deadlock, uma vez que ele ocorre, não pode ser resolvido
A detecção de deadlock pode ser bem complicada!
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Conceitos sobre Sistemas
Operacionais (3)
Sistema de arquivos de um departamento universitário
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Conceitos sobre Sistemas
Operacionais (4)
• Antes da montagem,
– os arquivos do disco flexível são inacessíveis
• Depois da montagem do disco flexível em b,
– os arquivos do disco fazem parte da hierarquia de arquivos
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Conceitos sobre Sistemas
Operacionais (5)
Exemplo:
host> cat arq1 arq2 arq3 | sort > /dev/lp
Dois processos conectados por um pipe
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Conceitos sobre Sistemas
Operacionais (6)
Chamadas ao Sistema
(Interface entre o S.O. e os Programas do Usuário)
Programas do usuário
Chamadas
ao
Sistema
Sistema Operacional
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Os Passos de uma Chamada ao Sistema
Os 11 passos para fazer uma chamada ao
sistema read (fd, buffer, nbytes)
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Algumas Chamadas ao Sistema para
Gerenciamento de Processos
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Algumas Chamadas ao Sistema para
Gerenciamento de Arquivos
39
Algumas Chamadas ao Sistema para
Gerenciamento de Diretório
40
Algumas Chamadas ao Sistema para Tarefas
Diversas
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Chamadas ao Sistema (1)
• O interior de um shell:
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Chamadas ao Sistema (2)
Os processos têm três segmentos:
texto, dados e pilha
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Chamadas ao Sistema (3)
(a) Dois diretórios antes da ligação de
/usr/jim/memo ao diretório ast
(b) Os mesmos diretórios depois dessa ligação
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Chamadas ao Sistema (4)
(a) Sistema de arquivos antes da montagem
(b) Sistema de arquivos depois da montagem
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Chamadas ao Sistema (5)
Algumas chamadas da interface API Win32
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Sistemas Monolíticos
Estrutura de Sistemas Operacionais (1)
Programa do Usuário 2
Chamada Programa do Usuário 1
para kernel
Programas do
usuário rodam
em modo
usuário
4
1
SO roda em
modo núcleo
3
2
1
2
3
4
Tabela de Despacho
Programa do usuário emite chamada do sistema
S.O. determina número de serviço solicitado
S.O. localiza e chama procedimento de serviço
Controle é retornado ao programa do usuário
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Estrutura de Sistemas Operacionais (1)
Modelo simples de estruturação
de um sistema monolítico
48
Estrutura de Sistemas Operacionais (2)
Estrutura do sistema operacional THE
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Estrutura de Sistemas Operacionais (3)
Estrutura do VM/370 com o CMS
50
Estrutura de Sistemas Operacionais (4)
O modelo cliente-servidor
51
Estrutura de Sistemas Operacionais (5)
O modelo cliente-servidor em um
sistema distribuído
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Unidades Métricas
Os prefixos métricos
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