Roteiro. Introdução. Funções do S.O. Organização do computador. Arquitetura de sistemas computadorizados. Estrutura do S.O. Operações do sistema

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BC1518

BC1518 -

- Sistemas

Sistemas Operacionais

Operacionais

Introdução

Aula Aula 0101 Aula Aula 0101 3 3°°°°°°°° QQuadrimestreuadrimestre de 2010de 2010

Prof. Marcelo Z. do

Prof. Marcelo Z. do Nascimento

Nascimento

Email: marcelo.nascimento@ufabc.edu.br

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Roteiro

• Introdução

• Funções do S.O.

• Organização do computador

• Arquitetura de sistemas computadorizados • Arquitetura de sistemas computadorizados • Estrutura do S.O.

• Operações do sistema • Ambiente de computação • Leitura Sugerida

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Introdução

Sistema Operacional (SO):

• _{programa que gerencia o hardware do} computador;

• _Fornece_{a base para os programas} _aplicativos; • _Fornece_{a base para os programas} _aplicativos; • _{Intermediário} entre o usuário e o hardware;

• Projetados para serem _{convenientes ou eficientes} ou uma combinação disso;

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Introdução

Sistema Operacional (SO):

Diagrama

US3 US2

US1

Compilador Planilhas Editor de Texto SGBD

Sistema Operacional

Hardware do computador

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Funções dos S.O.

Visão do usuário: Interface

• _PC

• _{Projeto para facilitar o uso, com}_{atenção ao desempenho} _e

nenhuma à utilização do recursos. nenhuma à utilização do recursos.

• _Terminal

• _{Projetado para facilitar a utilização de recursos – para}

garantir que recursos como CPU, Memória e E/S sejam

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Funções dos S.O.

Visão do usuário: Interface

• _{Computadores portáteis:}

• Projetados para facilitar a utilização individual;

• Preocupação: desempenho por tempo de vida da bateria. • Preocupação: desempenho por tempo de vida da bateria.

• _{Computação embutida em dispositivos}

• _{Projetados para serem}_{executados sem intervenção} _do usuário;

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Funções dos S.O.

Visão do sistema: Gerenciador

• _{Programa envolvido com o hardware}

• Alocar recursos;

• _{Funções: o tempo de CPU, espaço de memória, dispositivos de}

E/S; E/S;

• _{Deve decidir como alocá-lo e a quem, de modo que possa operar}

de forma eficiente e justa.

• _{Programa de controle}

• _{Administrar a execução dos programas do usuário para impedir}

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Funções dos S.O.

O que é um sistema operacional?

• _{Como o hardware puro não é fácil de utilizar: as}

funções comuns de controle e alocação são reunidas nesse software;

nesse software;

• É o único _{programa que executa o tempo todo} no computador;

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Organização do Computador

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Organização do Computador

Operação do computador: Sistema Básico de

Entrada/Saída (

Basic Input/Output System

– BIOS)

• O BIOS é o primeiro programa executado pelo

computador.

– Sua função é preparar o PC para que o SO, que esta

armazenado em um dispositivo (discos rígidos, disquetes, CDs, etc) possa ser carregado para memória e iniciado a sua

execução.

• O BIOS é Firmware.

• Software armazenado em uma memória de leitura

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Organização do Computador

Operação do computador: O Programa inicial – bootstrap

• Programa carregado durante “power-up” ou “reboot”

pelo BIOS.

• O BIOS transfere o controle para o bootstrap, que • O BIOS transfere o controle para o bootstrap, que

initializa todas as partes do sistema necessário para carregar o kernel do SO.

• O bootstrap, deverá localizar e carregar o kernel do

SO para memória e inicializar a execução ou ativar um processo mais complexo (multi-boot);

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Organização do Computador

Operação do computador:

• O S.O. começa a executar o primeiro processo “init” e espera que ocorra algum evento;

• _Evento = interrupções geradas por software ou hardware:

hardware:

• Hardware => envia um sinal à CPU (barramento);

• _Software _{=> executa uma operação especial (system call ou} monitor call).

• A rotina de serviço de interrupção (função) entra em operação, ao completar a operação, a CPU retorna a operação interompida.

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Organização do Computador

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Organização do Computador

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Tabela de ponteiros para rotina de interrupção; Armazenada na memória baixa (100 primeiras

posições).

Organização do Computador

Processador: Pentium Intel

Mecanismo de

interrupções também usado para exceções ex. divisão por zero, acesso a endereço de memória protegida ou inexistente.

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Unidade de Controle (UC)

Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Clock (temporizador)

Registradores – armazena dados (estado do programa)

Organização do Computador

Processador:

Registradores – armazena dados (estado do programa)

Contador de instruções – contém o endereço da próxima instrução que o processador deve buscar e executar.

Apontador de pilha – contém o endereço de memória do topo da

pilha, estrutura de dados onde o sistema mantém informação sobre o programa que está sendo executado e foram interrompidos.

Registrador de Status – responsável por armazenar informações sobre a execução de instruções (overflow).

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Organização do Computador

Armazenamento:

• Programas ficam alocados na memória principal;

• _{memória de acesso aleatória} _{– Random Acess memory – RAM}

• _{utilizam semicondutores chamado memória de acesso aleatória}

dinâmica (DRAM) que formam um conjunto de words na

memória;

• cada word tem seu próprio endereço;

• _{instruções são movidas das words para registradores da CPU}

para processamento.

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Organização do Computador

Armazenamento:

• Unidade de memória apenas visualiza um fluxo de endereços

• Os _{programas e dados deveriam} estar permanetemente na memória

permanetemente na memória • _Problema:

• pequena para armazenar todos os programas; • dispositivo volátil.

• _{Memória secundária}: utilizada como extensão da RAM • Mantém grande quantidade de dados

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Armazenamento: Disco magnético

• Pratos de vidro ou de metal rígido

revestidos de material magnético de gravação;

• A superfície do disco está logicamente

Organização do Computador

• A superfície do disco está logicamente

dividida em trilhas (tracks), as quais

estão divididas em setores (sectors);

• O controlador do disco determina a

interação lógica entre o dispositivo e o computador.

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Hierarquia de Armazenamento

Sistemas de armazenamento são organizados em hierarquia. Velocidade Custo

Organização do Computador

Custo Volatilidade

Caching

copia informação para um sistema mais rápido de armazenamento;

A memória principal pode ser vista como um

cache

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Hierarquia de Armazenamento

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Interrupções de E/S:

Método síncrono => após o início de uma operação E/S, o controle só retorna após o término dessa operação. Implementação:

a instrução wait coloca a CPU no estado de

Organização do Computador

a instrução wait coloca a CPU no estado de

espera até à próxima interrupção.

utilize-se um ciclo tipo espera.

Desvantagens :

• No máximo um pedido E/S é atendido de cada

vez.

• Não existe nenhum processamento E/S

simultâneo.

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Vantagens

Organização do Computador

Interrupções de E/S:

Método assíncrono => após o início de E/S, o controle retorna ao programa sem esperar pela terminação da operação..

Vantagens

Concorrente E/S operações.

Permite processamento simultâneo.

Desvantagens

Implementação mais complexa

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E/S:

Device-status table

contém uma entrada para cada dispositivo E/S, indicando o tipo, endereço e estado.

O SO indexa a I/O device table para determinar o estado de

dispositivo e modifica a sua entrada na tabela de acordo com a ocorrência da interrupção.

Organização do Computador

Tabela de estado dos dispositivos

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E/S: Estrutura DMA (Direct Memory Acess) hardware que permite a realização de E/S

programado a fim de manter a CPU ocupada única e exclusivamente com as atividades que requerem

processamento de resultados;

Organização do Computador

processamento de resultados;

Após ser programado pela CPU realiza uma

transferência de vários blocos de dados de um dispositivo para a memória:

Somente uma interrupção é gerada por bloco e não por byte; CPU só interrompida (interrupção) quando todos estes

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E/S = Estrutura DMA (Direct Memory Acess)

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Sistema Único Processador:

Uma CPU capaz de

executar um conjunto de instruções de uso geral:

Processadores de uso específico (disco,

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

UCP específico (disco,

controladores gráficos, etc) executam conjunto de

instruções limitadas

Exemplo: controlador de disco

=> recebe solicitação da CPU e implementa sua própria fila de disco e algoritmo de escalonamento. Memória Principal Dispositivos de E/ S UCP programa/ tarefa

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Sistemas Multiprocessados:

Sistemas paralelos ou fortemente aclopados Possui mais de 1 processador,

Compartilham barramento, o clock e a memória;

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

Compartilham barramento, o clock e a memória; Vantagens:

Maior vazão (throughput): tarefa em menos tempo.

Há um custo adicional para funcionar corretamente => o ganho

é inferior a N processadores;

Economia de escala: custo mais reduzido por compartilhar recurso; Maior confiabilidade: distribui corretamente as funções entre os

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Sistemas Multiprocessados:

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

Memória UCP UCP Memória Principal Dispositivos de E/ S Dispositivos de E/ S

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Sistemas tolerantes a falha: pares de CPUs

trabalham em cooperação, ou seja, 2 processadores executam instruções e comparam os resultados;

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

Os sistemas podem ser:

mutiprocessamento assimétrico: relacionamento

mestre-escravos

Multiprocessamento simétrico: cada processador executa

todas as tarefas em um SO.

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Tendências de Projeto de CPU => múltiplos núcleos

em um único chip – SO aparecem com N processadores;

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

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Cluster:

Composto de 2 ou mais sistemas acoplados e

conectados por um rede local;

Configurações:

assimétrica:uma máquina em modo hot-standy (monitora o

servidor ativo);

Arquitetura do Sistema

Computadorizado

assimétrica:uma máquina em modo hot-standy (monitora o

servidor ativo);

simétrica: 2 ou mais hosts estão executando aplicações e

monitorando um ao outro. UCP UCP Memória Principal Memória Principal Dispositivos de E/ S link de comunicação Dispositivos de E/ S

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Estrutura do S.O.

• _{Provê um ambiente} dentro do qual os programas são executados;

• Fornece:

• _{Capacidade de multiprogramar:} aumenta capacidade de uso da CPU, organizando as tarefas do modo que a CPU sempre tenha uma (Situações da vida =>

de uso da CPU, organizando as tarefas do modo que a CPU sempre tenha uma (Situações da vida =>

Advogado);

• _{Tempo compartilhado:} _{extensão lógica da}

multiprogramação => CPU executa várias tarefas alternando entre elas.

• Escalonamento e multiprogramação possibilita ao usuário usar parte do computador.

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Estrutura do S.O.

• Cada usuário tem pelo menos um programa separado na memória;

• _{Programas são carregados na memória.}

• Devido ao tamanho: as tarefas são mantidas no disco => • Devido ao tamanho: as tarefas são mantidas no disco =>

o escalonador deve decidir quem irá para memória; • Garantir tempo de resposta razoável => swapping

• _Ex.:_{Memória virtual} _{=> permite a execução de um processo que}

não está completamente na memória (programas maiores que a memória física).

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Os eventos são sinalizados quase sempre pela ocorrência de uma interrupção ou

trap

Compartilhamento de recursos do sistema obriga o SO a garantir que um programa

errado

não provoque execução errônea de outros programas

Operação do Sistema

execução errônea de outros programas

Provê suporte do hardware para diferenciar entre dois modos de operação

Modo usuário - _{execução feita em nome de um usuário}

Modo Monitor (também modo supervisor ou modo sistema) − execução feita em nome do SO.

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Modo Dual:

Mode bit

adicionado ao hardware do computador para indicar o modo corrrente: monitor (0) ou usuário (1). Quando uma interrupção ou erro ocorre, o hardware

troca para o modo monitor.

Operação do Sistema

troca para o modo monitor.

Instruções Privilegiadas podem ser executadas somente

em modo monitor (modo kernel).

monit or

usuá rio

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• Temporizador previne que programa de usuário fique

preso com um recurso (CPU).

– Ex. um loop infinito • Como trabalha:

Temporizador

– Antes de passar o controle para o programa de usuário, o

SO configura um tempo com um específico valor;

– Após o período, uma interrupção é disparada e o SO retém

o controle;

– O SO então decide se permitirá usar o recurso por mais

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“Um

processo

é um programa em execução”.

Exemplo: um processador de textos executado por um

usuário individual em um PC.

Um processo precisa de certos recursos, incluindo

Gerência de Processos

Um processo precisa de certos recursos, incluindo

tempo de CPU, memória, arquivos e dispositivo de E/S para completar sua tarefa.

Um programa é uma entidade passiva (conteúdo do arquivo armazenado em disco), enquanto o processo é uma entidade ativa (contador de programa).

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• O SO é responsável pelas seguintes atividades

relacionadas à administração de processos:

Criação e deleção de processos (usuário e SO);

Gerência de Processos

Criação e deleção de processos (usuário e SO); Suspensão e reativação de processos;

Provisão de mecanismos para:

Sincronização de processos; Comunicação de processos;

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A memória principal é uma grande sequência de

words ou bytes, cada um com o seu próprio endereço. Ela é o repositório de dados rapidamente acessíveis

compartilhados para CPU e os dispositivos de E/S.

Gerência de Memória

A memória principal é um dispositivo de

armazenamento volátil. Ela perde o seu conteúdo no caso de falha do sistema.

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O SO é responsável pelas seguintes atividades

relacionadas à administração da memória principal:

Manter registro de quais partes da memória estão correntemente sendo utilizadas e por quem;

Gerência de Memória

Decidir que processos carregar quando há espaço disponível na memória;

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O SO abstrai as propriedades físicas de seus

dispositivos de armazenamento para definir uma unidade lógica de armazenamento => o arquivo.

Arquivo é uma coleção de informações relacionadas

Gerência de Arquivo

Arquivo é uma coleção de informações relacionadas

definida pelo seu criador. Geralmente, os arquivos

representam programas (tanto em formato fonte como objeto) e dados.

Para guardar os arquivos, a maioria dos SO fornece o

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O SO é responsável pelas seguintes atividades:

Criar e apagar arquivo; Criar e apagar diretório;

Gerência de Arquivo

Suportar primitivas para a manipulação de arquivos e diretórios;

Mapear arquivos em memória secundária;

Copiar arquivos em meio de armazenamento estável (não volátil).

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O SO busca ocultar as peculiaridades de dispositivos de hardware

específicos do usuário.

O UNIX esconde as peculiaridades => um subsistema E/S é

utilizado:

Um sistema de buffer-caching;

Sistema de E/S

Um sistema de buffer-caching;

Uma interface geral de drivers de dispositivos;

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Desde que a memória principal é volátil e muito pequena

para acomodar todos os dados e os programas

permanentemente, o sistema computacional deve prover armazenamento secundário para recuperar a memória principal;

Gerência de Armazenamento

secundário

principal;

A maioria dos sistemas de computação modernos

utilizam discos como o principal meio de armazenamento

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O SO é responsável pelas seguintes atividades relacionadas à administração do armazenamento secundário:

Administração do espaço livre.

Gerência de Armazenamento

secundário

Administração do espaço livre.

Alocação de armazenamento (espaço necessário). Programação de alocação do disco (fragmentação).

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Caching

• As informações são mantidas na memória principal e a

medida que são utilizadas são copiadas para um sistema mais rápido de armazenamento – a cache;

• Consulta primeiro a cache, caso não tenha vai até a • Consulta primeiro a cache, caso não tenha vai até a

memória e faz uma cópia para a cache;

• A seleção cuidadosa de seu tamanho e de sua politíca

de substituição pode resultar em um desempenho bastante aumentado.

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Caching

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Um sistema distribuído é uma coleção de

processadores que não compartilham a memória

principal.

Ao contrário, cada processador tem sua própria memória local;

Sistema Distribuído

memória local;

Os processadores no sistema são conectados através de uma rede de comunicação (LAN);

Um sistema distribuído provê ao usuário acesso a

vários recursos do sistema;

O acesso a um recurso compartilhado aumenta velocidade de computação.

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Uma rede é a via simples de comunicação entre dois ou mais sistemas:

Varia de acordo com o protocolo: maioria dos S.Os suportam TCP/IP.

A distância: LAN, WAN, MAN;

Sistema Distribuído

A distância: LAN, WAN, MAN;

Um S.O. de rede provê recursos compartilhados de arquivo pela rede e inclui um esquema de comunicação que permite que diferentes processos em diferentes computadores troquem mensagem:

Há comunicação de fornecer a ilusão de que um único SO controla a rede.

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Computação tradicional Sistema cliente-servidor: Servidor de processamento; Servidor de arquivos.

Ambiente de Computação

Sistema peer-to-peer:

serviços fornecidos por vários nós distribuídos por meio de uma rede.

Computação baseada na Web:

balanceadores de carga: distribui conexão da rede entre um banco de servidores semelhantes.

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Aula 01 - Sumário

• Temas abordados:

• _{Funções do S.O.: Usuário e Sistema} • _{Organização do computador: recursos}

• _{Arquitetura de sistemas computadorizados: único e} • _{Arquitetura de sistemas computadorizados: único e}

multiprocessados

• _{Operações do sistema: modo dual} • _{Estrutura do S.O: Gerenciadores}

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Leituras Sugeridas

• Silberschatz, A., Galvin, P. B. Gagne,

G. Sistemas Operacionais com Java. 7º , edição. Editora, Campus, 2008

• Silberschatz, Abraham; Galvin, Peter

Baer; Gagne, Greg. Fundamentos de

sistemas operacionais. 6 ed. Rio de

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Acesse o link abaixo para obté-la:

http://hostel.ufabc.edu.br/~marcelo.nascimento/