Conceitos de Sistemas Operacionais

Conceitos de Sistemas Operacionais
Romildo Martins Bezerra
IFBA/DTEE
Computação e Processamento de Dados
Conceitos de Sistemas Operacionais ............................................................
Arquitetura Conceitual de um Computador ...................................................
Processadores ...................................................................................
Memória Principal...............................................................................
Memória Cache ..................................................................................
Memória Secundária ............................................................................
Dispositivos de Entrada e Saída ...............................................................
Apresentando os componentes dentro de um computador ..................................
Conceitos de Sistemas Operacionais ............................................................
Sistemas Operacionais Atuais ....................................................................
Linux ..............................................................................................
Windows ..........................................................................................
Bibliografia .........................................................................................
As notas de aulas são referências para estudo. Portanto não devem ser adotadas como material didático absoluto!
Versão 0.3 – 10/03/2010
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Romildo Martins Bezerra
Antes de iniciarmos os estudos de Sistemas operacionais é necessário apresentar uma introdução do
funcionamento básico de um computador e seus respectivos componentes.
Arquitetura Conceitual de um Computador
Os primeiros passos para que a arquitetura dos computadores fosse similar à que conhecemos hoje
foram dados pelo pesquisador Von Neumann. Especialista em ciências exatas e o matemático mais
eminente do mundo na época, Neumann projetou o IAS, computador onde os dados eram representados de
forma digital, com programação mais rápida e flexível, visto que no seu projeto, programas e dados eram
inseridos de forma binária na memória.
Esse projeto pioneiro com o conceito de “programa armazenado” transformou o IAS na famosa
máquina de Von Neummann. A concepção é utilizada até hoje nos computadores e é composta
basicamente de 3 componentes (figura 01):
•
•
•
CPU (unidade central de processamento) composto de uma unidade de controle (UC), unidade
lógico-aritmética (ULA) e registradores;
Memória Principal, onde os programas estão armazenados (veremos detalhes a seguir);
Dispositivos de E/S, responsáveis em transferir dados de dentrofora do computador
Pontos Importantes:
•
•
•
•
No projeto, o computador só trabalhava com números inteiros. Neumann acreditava que
qualquer matemático poderia tratar ponto flutuante
Utilização do conceito de programas armazenados
Execução seqüencial de instruções
Funcionamento busca/decodificação/execução
Atualmente os computadores (a maior parte deles) utilizam uma arquitetura composta dos
seguintes componentes vistos na figura 01.
Memória Principal
endereço
dados/instruções
CPU
Registradores
ULA
PC
Unidade de Controle
Dispositivos E/S
Figura 01 – Modelo Conceitual dos computadores atuais, baseados no IAS de Von Neumann
Processadores
Correspondem ao cérebro do computador, pois é o responsável em executar todas as tarefas
referentes à busca/execução dos programas e dados. Para modularizar seu funcionamento, será
apresentado o modelo didático com as seguintes componentes:
•
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ULA (Unidade Lógico-Aritmética) – realiza um conjunto de operações aritméticas e lógicas
necessárias à execução das instruções
Romildo Martins Bezerra
•
UC (Unidade de Controle) – busca de instruções da memória, de acordo com a necessidade da
instrução a ser processada.
•
Registradores – Pequenos espaços de memória que o processador trabalha executando as
instruções. Geralmente possuem o mesmo tamanho e tem velocidade muito alta. Destacam-se:
o PC – Contador de Programa, cujo nome não reflete sua função, que é indicar a próxima
instrução a ser executada na memória.
o IR – Registrador de instruções, que indica a próxima instrução a ser executada.
•
Memória Cache – Atualmente para melhorar o desempenho, os processadores atuais possuem uma
memória de altíssima velocidade (quando comparada a memória RAM ou disco rígido) para
arquivar os dados de maior utilização, evitando acessos constantes à memória. Veremos mais
detalhes no decorrer desta apostila.
Conforme vimos anteriormente, a seqüência de funcionamento segue a proposta do modelo de Von
Neumann, busca-decodificação-execução.
O processo de busca da instrução (fetch) transfere a instrução da posição da memória (indicada
pelo registrador PC) para a CPU. A decodificação é responsabilidade da unidade de controle, que após
decodificação gerencia os passos para execução a ser feita pela ALU.
Unidade de
decodificação
Unidade de busca
Unidade de execução
Figura 02 – Estágios do funcionamento dos computadores
De forma detalhada, a execução de programas num processador utiliza a seqüência de passos
buca-decodica-executa, da seguinte forma:
1. Busca a próxima instrução da memória para o registrador de instrução
2. Atualiza o contador de programa para que ele aponte para a instrução seguinte
3. Determina o tipo de instrução
4. Se a instrução utiliza dados na memória, determina localização
5. Busca os dados, se houver algum, para os registradores internos da CPU
6. Executa a instrução
7. Armazena os dados em locais apropriados
8. Volta para o passo 1
Vamos analisar novamente a figura 02 e imaginemos que um computador vai executar diferentes
operações simples (soma, por exemplo). Seria interessante se ele pudesse fazer parte das instruções em
paralelo de forma a otimizar sua utilização, sendo pelos menos duas tarefas executadas no mesmo tempo.
Isso pode ser feito de duas formas:
•
Paralelismo a nível de instruções – A divisão das instruções em partes menores sendo essas
executadas em um hardware específico. (lembrem-se do exemplo da soma dado em sala!)
[ E1 ]
Unidade de
busca de
instrução
[ E2 ]
Unidade de
decodificação
de instrução
[ E3 ]
Unidade de
busca de
operando
[ E4 ]
Unidade de
execução de
instrução
[ E5 ]
Unidade
de escrita
Figura 03 – Computador clássico de cinco estágios
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E1
P1
E2
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P1
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P1
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P4
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E3
E4
E5
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tempo
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Figura 04 – Exemplo de paralelismo a nível de instruções em cinco estágios
•
Paralelismo a nível de processador – A idéia é projetar computadores com mais de um processador
que podem estar organizados de forma matricial, vetorial, compartilhando barramento com
memória compartilhada ou não. Este estudo não corresponde ao objetivo desta disciplina.
Memória Principal
A memória principal é uma das partes essenciais para o funcionamento do computador, uma vez
que é nela que os programas e dados são executados. O que se esperar da memória? Tamanho infinito,
ultra-rápida (não atrase o processador) e barata (afinal ninguém quer gastar dinheiro!). É possível
conciliar isso? Isso será discutido mais tarde.
A memória é organizada através de células, unidades elementares de memória, que compõem
segmentos (pedaços alocados por um programa que podem conter mais de uma célula). Vamos imaginar
uma memória de 1Megabyte (220 bytes = 1024*1024) com células de 32 bits (22 bytes), retemos então:
Total de Células= Total de memória /Tamanho da célula
= 220 bytes/22 bytes
= 218 células
Ou seja teríamos 218 células a serem endereçadas. Vamos supor agora que o sistema operacional
precisa de 26 bytes para executar uma determinada instrução (IX) de um programa em Pascal (compilador
de alto nível). O sistema operacional ficará responsável em alocar segmentos de memória (contínuos ou
não) para que esta informação possa ser trabalhada pelo processador.
Vazio
IY
IX
IX
IX
IX
IX
IX
IX
Vazio
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
Figura 05 – Dados da instrução X (IX) alocados continuamente na memória
Que problemas vocês enxergam que o SO terá com este particionamento da memória?
• Controle da fragmentação
• Falta de espaços
• Movimentação constante
Memória Cache
Devido a uma diferença história entre processadores e memórias, o processador acaba esperando
(apenas por definição!) ciclos de clock até que a memória entregue (aloque) sua requisição. Algumas
técnicas para melhorar esta solução podem ser utilizadas, destacamos aqui a utilização de memórias
cache.
Os projetistas de HW construíram uma memória mais rápida capaz de operar na velocidade dos
processadores, mas devido ao seu custo elevado (fruto de aumento do tamanho do processador) é
necessário restringir o tamanho da memória cache. Esta apresentação segue o conceito de hierarquia de
memória, onde quanto mais rápido a memória, menor será seu tamanho (devido ao custo de fabricação).
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cache
preço
principal
discos rígidos
velocidade
unidades de fita
Figura 06 – Conceito de Hierarquia de memória
O problema agora é que ficamos com dois mundos:
• Memória ultra-rápida e pequena (muitas trocas ocorreriam)
• Memória mais lenta e bem maior
Para se ter uma idéia, diversos processadores atuais trabalham com velocidades superiores a
3.0GHz (3 bilhões de ciclos por segundo) e possui cache interna (L1) de 512Kbytes, enquanto a memória
RAM trabalha a 333Mhz e tem tamanho de 256MB, sendo assim 512 vezes maior e 9 vezes mais lenta. Como
não é possível trabalhar com apenas uma delas, a proposta é a seguinte:
Processador
Memória RAM
Cache
256MB
Figura 07 – Memória Cache alocada no processador
Outra proposta seria colocá-la na placa-mãe (Chamado de cache L2).
Esta memória ultra-rápida, cache, deve ser sempre as informações mais requisitadas pelo
processador, e este terá que sempre consultar a cache antes de perguntar memória principal. Mas como
“adivinhar” que parte da memória será utilizada? Como calcular se o tempo médio de acesso com a cache
tornará o sistema mais eficiente? Cálculos matemáticos e algoritmos complexos são desenvolvidos no
projeto de cada arquitetura. Para os mais interessados pesquisem o principio da localidade, base teórica
para o funcionamento de sistemas com utilização intensiva de cache.
Memória Secundária
“Por maior que seja a memória principal, ela será sempre pequena.” Tanenbaum em Organização
Estruturada de Computadores, página 40. Apesar de a afirmação parecer (e é!) forte demais, não é
possível enxergar uma estrutura computacional moderna sem a utilização de memória secundária. Do
mesmo modo que a cahe é muito mais rápida que a memória principal, essa é muito mais rápida que a
memória secundária. Aqui serão explicados apenas os discos magnéticos, vistos que o foco é apresentar
uma introdução para sistemas operacionais. A composição básica de um disco magnético é vista abaixo.
Figura 08 – Esquema Básico do disco
Nota-se que esta composição mecânica dos discos não pode superar, em velocidade, o método
digital dos semicondutores utilizados na memória RAM e memória cache.
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Dispositivos de Entrada e Saída
Antes de serem tratados os dispositivos de E/S é importante salientar que a transferência de dados
entre processador, memória principal, memória secundária (discos rígidos, flexíveis e óticos) é feita
através dos barramentos.
Cada dispositivo de entrada e saída é composto de uma controladora e do dispositivo propriamente
dito. Esta controladora dá acesso ao barramento do computador sem que haja uma intervenção o
processador executando um acesso direto à memória (DMA). E quando esta transferência de dados é
transmitida, a controladora força uma interrupção, fazendo com qu o processador suspenda o processo em
execução a fim de rodar um procedimento para verificar possíveis erros de transferência de dados, este
procedimento é denominado rotina do tratamento de interrupção.
Já que o barramento é acessado por todos os dispositivos, o que aconteceria se dois ou mais
dispositivos brigarem pelo acesso ao barramento? Nos projetos dos computadores atuais está presente um
dispositivo que executa esta seleção chamada de arbitro do barramento. A prioridade geralmente é dos
discos magnéticos, uma vez que as paradas sucessivas podem ocasionar perda de dados.
Atualmente estas controladoras estão
presentes dentro da placa-mãe
Processador
Memória
HD
Monitor
Teclado
Controladora
HD
Controladora
Vídeo
Controladora
Figura 09 – Modelo conceitual detalhado
Apresentando os componentes dentro de um computador
Esta aula não terá apostila. Corresponderá a uma aula prática com apresentação de hardware.
Conceitos de Sistemas Operacionais
O sistema computacional moderno é algo complexo devido a quantidade de dispositivos
envolvidos. Desenvolver programas que mantenham o controle destes componentes de forma otimizada
impactaria na lentidão para novos softwares. Daí surge o sistema operacional, cujo trabalho é gerenciar
esses componentes e fornecer aos programas de usuários uma interface simples de acesso ao hardware.
Sistema Operacional é um conjunto de ferramentas necessárias para que um computador possa ser
utilizado de forma adequada, pois consiste de intermediário entre o aplicativo e a camada física do
hardware. Este conjunto é constituído por um Kernel, ou núcleo, e um conjunto de software básicos, que
executam operações simples, mas que juntos fazem uma grande diferença.
O sistema operacional é uma camada de software colocada entre o
hardware e software do computador, com o objetivo de facilitar as
atividades dos desenvolvedores e usuários de software, uma vez que não
precisam fazer acesso direto ao dispositivo, fornecendo uma interface mais
amigável e intuitiva.
Tipos de serviços:
• Acesso aos periféricos
• Utilização simples de recursos pelo usuário
• Manipulação de dados (arquivos e diretórios)
• Controle de recursos compartilhados
Software
Sistema
operacional
Hardware
Figura 10 – Localização lógica do SO
Para isso, ele deve ser responsável pela:
•
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Gerência do processador, também conhecida como gerência de processos, seu objetivo
visa distribuir de forma justa o processamento evitando o monopólio do processador e
respeitando a prioridade dos usuários e aplicações.
Romildo Martins Bezerra
•
•
•
•
Gerência de memória, objetiva fornecer um espaço isolado de memória para cada
processo de forma que ele “se sinta” único na memória. São necessários recursos
(memória virtual paginação e segmentação) para que este objetivo seja cumprido de
forma eficiente e atenda todos os processos ativos.
Gerência de dispositivos, objetiva garantir o acesso aos dispositivos de forma mais fácil
possível (drivers) aos usuários, criando modelos que generalizem a utilização dos
dispositivos (lembrar do conceito de bloco no HD).
Gerência de arquivos, uma implementação específica da gerencia de dispositivos,
trabalhando apenas com o processo de armazenamento e acesso aos dados, atualmente
através de arquivos e diretórios.
Gerencia de proteção, definir o acesso harmônico em sistemas de vários usuários com
compartilhamento de recursos, como por exemplo, pastas compartilhadas em rede.
Sistemas Operacionais Atuais
Linux
GNU/Linux ou simplesmente Linux, é um popular sistema operacional livre, composto pelo núcleo
(kernel) Linux e pelas bibliotecas e ferramentas do projeto GNU. É um sistema do tipo Unix que
implementa o padrão POSIX.
O Linux hoje funciona em dezenas de plataformas, desde mainframes até um relógio de pulso,
passando por várias arquiteturas: Intel, StrongARM, PowerPC, Alpha etc., com grande penetração também
em dispositivos embarcados, como handheld, PVR, vídeo-jogos e centrais de entretenimento etc. O Linux
tem um kernel híbrido monolítico. Drivers de dispositivo e extensões do kernel tipicamente rodam com
acesso total ao hardware, embora alguns rodem em espaço de usuário. Ao contrário dos kernels
monolíticos padrão, os drivers de dispositivo são facilmente configurados como módulos, e carregados e
descarregados enquanto o sistema está rodando. Também ao contrário de kernels monolíticos padrão,
drivers de dispositivo podem ser pré-inseridos sob certas condições. Essa última característica foi
adicionada para corrigir o acesso a interrupções de hardware, e para melhorar o suporte a
multiprocessamento simétrico.
Windows
Microsoft Windows é um sistema operacional extremamente popular, criado pela Microsoft,
empresa fundada por Bill Gates e Paul Allen. O Windows é um produto comercial, com preços
diferenciados para cada versão, embora haja uma enorme quantidade de cópias ilegais instaladas, porque
ele é o sistema operacional mais copiado do mundo. Apesar do sistema ser conhecido pelas suas falhas
críticas na segurança e como plataforma de vírus de computador e programas-espiões (spywares), o
impacto deste sistema no mundo atual é simplesmente incalculável devido ao enorme número de cópias
instaladas. Conhecimentos mínimos desse sistema, do seu funcionamento, da sua história e do seu
contexto são, na visão de muitos, indispensáveis, mesmo para os leigos em informática.
Os primeiros Windows, como o 1.0, 2.0 e 3.x, só são compatíveis em partições formatadas com o
sistema de ficheiros FAT, ou como é chamado, FAT16. No salto do 3.1 para o 95B (Windows 95 OSR 2/OSR
2.1), os HD's poderiam ser formatados em FAT32. Inicialmente lançado com o Windows NT, a tecnologia
NTFS é agora o padrão de facto para esta classe. Com a convergência de ambos sistemas, o Windows XP
passou também a preferir este formato.
A principal linguagem de programação usada para se escrever o código-fonte das várias versões do
Windows é a linguagem C++. Até à versão 3.11, o sistema rodava em 16 bits, daí em diante, em 32 bits. As
últimas versões (como o XP, o 2003 e o futuro Windows Vista (nome de código Longhorn) está preparado
para a tecnologia 64 bits. Esse sistema deverá incluir o sistema de arquivos WinFS, que acabou retirado do
Windows Vista.
Bibliografia
[1] TANENBAUM, A., Organização Estruturada de Computadores, 5ª Edição, 2006.
[2] TANENBAUM, A. Sistemas Operacionais Modernos. 2ª Edição 2006.
[3] TOSCANI, S.; OLIVEIRA, R.; CARISSIMI, A. Sistemas operacionais. 3ª Edição Sagra Luzzatto, 2004.
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