Upload
internet
View
109
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
1
Conceitos e Estrutura do SO
Prof. Alexandre Monteiro
Recife
Contatos
Prof. Guilherme Alexandre Monteiro Reinaldo
Apelido: Alexandre Cordel
E-mail/gtalk: [email protected]
Site: http://www.alexandrecordel.com.br/fbv
Celular: (81) 9801-1878
3
Agenda
•Revisão sobre hardware de computadores
•Conceitos sobre Sistemas Operacionais
•Chamadas ao sistema
•Estrutura de Sistemas Operacionais
4
Revisão sobre hardware de computadores (1)
Componentes de um computador pessoal simples
Processador
É o cérebro do computador – CPU.
Ciclo Básico do Processador
1. Busca a 1ª instrução da memória;
2. Decodifica para determinar seus operandos e qual operação executar;
3. Executa as operações subsequentes. O ciclo é repetido até que o programa pare.
Cada CPU tem um conjunto específico de instruções.
MMU (memory management unit): unidade de gerenciamento de memória.
Processador Clock (ciclo de instrução) Um computador é algo que possui funções, tarefas e
coisas a fazer, ele precisa de um sinal de relógio para sincronizar as suas operações, assim como nós mesmos precisamos sincronizar as nossas.
Esse relógio é chamado de CLOCK, e ele é gerado por um oscilador eletrônico que fornece uma sequência ininterrupta de pulsos com períodos constantes.
A isso chamamos, de frequência. Portanto, quando falamos que um computador possui tanto de Hertz(Hz), estamos falando da velocidade que ele processa ou sincroniza algo.
Processador Clock (ciclo de instrução) A cada intervalo de tempo T, que corresponde a um
período do sinal de clock, dá-se o nome de estado.
O estado é a unidade básica de tempo do microprocessador.
Cada instrução demora um número inteiro de estado para a sua completa execução.
Algumas instruções podem ter 4 estados, isto é, demoram 4 períodos do sinal de clock, outras podem chegar a ter 18 estados.
Por exemplo: O tempo gasto para processar uma instrução de 7 estados no microprocessador 8085 com um cristal que fornece um sinal externo do oscilador de 6,144 MHz é de , 2,28 microsegundos, pois a frequência do sinal de clock é de 3,072 MHz e o período, que corresponde ao estado, é de 325,52 ns(nano segundos).
8
Revisão sobre hardware de computadores (2)
(a) Um pipeline de três estágios
(b) Uma CPU superescalar
9
Revisão sobre hardware de computadores (3)
Típica hierarquia de memória• números mostrados são apenas aproximações
Registradores
Registradores de propósito geral: armazena variáveis importantes e resultados temporários
Contador de Programas: contém o endereço de memória da próxima instrução a ser buscada. Depois que busca é atualizado para apontar a próxima instrução.
Ponteiro de Pilha: aponta para o topo da pilha atual na memória. A pilha contém uma instrução
PSW (program status word – palavra de estado do programa): contém os bits de códigos de condições de instruções de comparação, pelo nível de prioridade da CPU.
Registrador Ponteiro de Pilha
Cache (L1, L2), RAM e ROM
Cache: Memória extremamente rápida e cara.
• Cache hit vs. Cache Miss Cache L1 (16KB): dentro da CPU, decodifica instruções;
Cache L2 (4MB): armazena memória recente, mais lenta.
Memória RAM (4GB): volátil.
Memória CMOS: data/hora, disco de boot.
Memória ROM: boot, placas.
Memória Flash (portáteis): intermediária entre a RAM e a de disco
13
Cache
(a) Chip quad-core com cache L2 compartilhada.
(b) Chip quad-core com cache L2 separada.
14
Revisão sobre hardware de computadores(4)
Estrutura de uma unidade de disco (1 TB)
Setores de 512 bytes / 5400, 7200 e 10800 rpm /
braço setor – 1ms / braço disco – 5 a 10 ms
15
Revisão sobre hardware de computadores (6)
(a) Passos para iniciar um dispositivo de E/S e obter uma interrupção
(b) Como a CPU é interrompida
16
Revisão sobre hardware de computadores(7)
Barramentos (8): Estrutura de um sistema Pentium grande
BUS – Barramento Serial Universal
17
Uma árvore de processos
• A criou dois processos filhos: B e C• B criou três processos filhos: D, E, e F
Conceitos sobre Sistemas Operacionais (1)
18
(a) Um deadlock potencial. (b) um deadlock real.
Conceitos sobre Sistemas Operacionais (2)
19
Conceitos sobre Sistemas Operacionais (3)
Sistema de arquivos de um departamento universitário
20
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
21
Conceitos sobre Sistemas Operacionais (5)
Dois processos conectados por um pipe
22
Interfaces de um Sistema Operacional
Usuário – SO:
• Shell ou Interpretador de comandos
• GUI
Programas – SO:
• Chamadas ao Sistema
23
Conceitos BásicosChamadas ao Sistema (System Call) Modos de Acesso:
• Modo usuário;• Modo kernel ou Supervisor ou Núcleo;• São determinados por um conjunto de bits localizados
no registrador de status do processador: PSW (program status word);
- Por meio desse registrador, o hardware verifica se a instrução pode ou não ser executada pela aplicação;
• Protege o próprio kernel do Sistema Operacional na RAM contra acessos indevidos;
24
Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema (System Call) Modo usuário:
• Aplicações não têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware;
• Quando o processador trabalha no modo usuário, a aplicação só pode executar instruções sem privilégios, com um acesso reduzido de instruções;
• Por que? Para garantir a segurança e a integridade do sistema;
25
Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema (System Call) Modo Kernel:
• Aplicações têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware;
• Operações com privilégios;• Quando o processador trabalha no modo kernel, a aplicação tem acesso ao conjunto total de instruções;
• Apenas o SO tem acesso às instruções privilegiadas;
26
Conceitos Básicos Chamadas de Sistema (System Call) Se uma aplicação precisa realizar alguma instrução
privilegiada, ela realiza uma chamada ao sistema (system call), que altera do modo usuário para o modo kernel;
Chamadas de sistemas são a porta de entrada para o modo Kernel;
• São a interface entre os programas do usuário no modo usuário e o Sistema Operacional no modo kernel;
• As chamadas diferem de SO para SO, no entanto, os conceitos relacionados às chamadas são similares independentemente do SO;
27
Conceitos Básicos Chamadas de Sistema TRAP: instrução que permite o acesso ao modo
kernel;
Exemplo:
• Instrução do UNIX: count = read(fd,buffer,nbytes);
Arquivo a ser lido
Ponteiro para o Buffer
Bytes a serem lidos
O programa sempre deve checar o retorno da chamada de sistema para saber se algum erro ocorreu!!!
28
Chamadas ao Sistema
Endereço 0
Retorno
Colocar o código para read no registrador
TRAP
Empilha nbytes
Incrementa SPComando read
Empilha fdEmpilha &buffer
Manipulador de Chamadas
Dispatch
Endereço0xFFFFFFFFF
Biblioteca do ProcedimentoREAD
Chamada ao ProcedimentoREAD
Kernel SO
Espaço do
Usuário
1
32
4
5
6
7 8
9
10
Tabela de ponteiros para Chamadas
11
29
11 Passos de uma Chamada ao Sistema read (fd, buffer, nbytes)
30
Algumas Chamadas ao Sistema para Gerenciamento de Processos
31
Algumas Chamadas ao Sistema para Gerenciamento de Arquivos
32
Algumas Chamadas ao Sistemapara Gerenciamento de Diretório
33
Algumas Chamadas ao Sistemapara Tarefas Diversas
34
Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema
Chamadas da interface. Unix x Windows:• Unix
- Chamadas da interface muito semelhantes às chamadas ao sistema
- ~100 chamadas a procedimentos
Retorno
Colocar o código para read no registrador
TRAP
Empilha nbytes
Incrementa SPComando read
Empilha fdEmpilha &buffer
Manipulador de Chamadas
Dispatch
Windows Chamadas da interface
totalmente diferente das chamadas ao sistema
APIWin32 (Application Program Interface)
Padrão de acesso ao sistema operacional
Facilita a compatibilidade Possui milhares de procedimentos
35
Chamadas ao Sistema (1)
O interior de um shell:
36
Chamadas ao Sistema (2)
Os processos têm três segmentos:
texto, dados e pilha
37
Chamadas ao Sistema (3)
(a) Dois diretórios antes da ligação de /usr/jim/memo ao diretório /usr/ast/note
link(“/usr/jim/memo”, “/usr/ast/note”)
(b) Os mesmos diretórios depois dessa ligação
38
Chamadas ao Sistema (4)
(a) Sistema de arquivos antes da montagem
(b) Sistema de arquivos depois da montagem
39
Chamadas ao Sistema (5)
Algumas chamadas da interface API Win32
40
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Baseados em Kernel (núcleo) Kernel é o núcleo do Sistema Operacional
Provê um conjunto de funcionalidades e serviços que suportam várias outras funcionalidades do SO
O restante do SO é organizado em um conjunto de rotinas não-kernel
Kernel
Hardware
Rotinas não kernel
Interface com usuário
41
Estrutura dos Sistemas Operacionais
Principais tipos de estruturas:
• Monolíticos;• Em camadas;• Máquinas Virtuais;• Arquitetura Micro-kernel;• Cliente-Servidor;
42
Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico Os serviços (chamadas) requisitados ao sistema são
realizados por meio da colocação de parâmetros em registradores ou pilhas de serviços seguida da execução de uma instrução chamada TRAP;
43
Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico Todos os módulos do sistema são compilados
individualmente e depois ligados uns aos outros em um único arquivo-objeto;
O Sistema Operacional é um conjunto de processos que podem interagir entre si a qualquer momento sempre que necessário;
Cada processo possui uma interface bem definida com relação aos parâmetros e resultados para facilitar a comunicação com os outros processos;
Simples; Primeiros sistemas UNIX e MS-DOS;
44
Estrutura de Sistemas Operacionais (1)
Modelo simples de estruturação
de um sistema monolítico
45
Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico
M odo kernel
ap lica ção ap lica ção
M odo u suá rio
System ca ll
H a rdw are
46
Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico
Programas de usuáriorodam em modo usuário
Rotinas do SO rodam em modo kernelProcedimentos de
Serviço
Programa de usuário 2
Programa de usuário 1 Chamada ao sistema (kernel)
Mem
ória
Pri
nci
pal
1
2
TRAP 3
Tabela de Escalonamento
4
Procedimentos de Serviços
Implementação de uma Chamada de Sistema
chaveamento da máquina do modo usuário para o modo kernel e transferência do controle para o Sistema
Operacional
Sistema Operacional examina os parâmetros da chamada para determinar qual procedimento
deve ser executado
SO indexa em uma tabela um ponteiro para o processo responsável
pela execução
a chamada é concluída e o controle volta ao programa
do usuário
47
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Em camadas Possui uma hierarquia de níveis;
Primeiro sistema em camadas: THE (idealizado por E.W. Dijkstra);
• Possuía 6 camadas, cada qual com uma função diferente;
• Sistema em batch simples;
Vantagem: isolar as funções do sistema operacional, facilitando manutenção e depuração
Desvantagem: cada nova camada implica uma mudança no modo de acesso
Atualmente: modelo de 2 camadas
48
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Em camadas
Fornecimento de Serviços
Camadas definidas no THE
49
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Idéia em 1960 com a IBM VM/370;
Modelo de máquina virtual cria um nível intermediário entre o SO e o Hardware;
Esse nível cria diversas máquinas virtuais independentes e isoladas, onde cada máquina oferece um cópia virtual do hardware, incluindo modos de acesso, interrupções, dispositivos de E/S, etc.;
Cada máquina virtual pode ter seu próprio SO;
50
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Principais conceitos:
• Monitor da Máquina Virtual (VMM): roda sobre o hardware e implementa multiprogramação fornecendo várias máquinas virtuais é o coração do sistema;
• CMS (Conversational Monitor System):- TimeSharing;- Executa chamadas ao Sistema Operacional;
• Máquinas virtuais são cópias do hardware, incluindo os modos kernel e usuário;
• Cada máquina pode rodar um Sistema Operacional diferente;
51
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual
Instruções de E/S
Hardware (VMM)
VM/370
CMS CMSCMS
Cópias virtuais do 370s
TRAP
Chamadas ao sistema
TRAP
Monitor da Máquina Virtualroda sobre o hardware e
implementa multiprogramação
TimeSharing; Chamadas ao Sistema
Cada máquina pode rodar um Sistema
Operacional diferente
52
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual
A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes:
• Programas MS-DOS: rodam em computadores 32bits;
- As chamadas feitas pelo MS-DOS ao Sistema Operacional eram realizadas e monitoradas pelo monitor da máquina virtual (VMM);
53
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual
A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes:
• Programas JAVA (Máquina Virtual Java-JVM): o compilador Java produz código para a JVM (bytecode). Esse código é executado pelo interpretador Java:
- Programas Java rodam em qualquer plataforma, independentemente do Sistema Operacional;
54
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual
A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes:
• Computação em nuvem- Virtualização dos servidores simula diferentes ambientes em
servidores físicos
55
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Vantagens
• Flexibilidade; Desvantagem:
• Simular diversas máquinas virtuais não é uma tarefa simples sobrecarga;
56
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Micro-Kernel
M odo kernel
M odo u suá rio
M icrokernel
H a rdw are
57
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Reduzir o Sistema Operacional a um nível mais
simples:
• Kernel: implementa a comunicação entre processos clientes e processos servidores Núcleo mínimo;
• Maior parte do Sistema Operacional está implementado como processos de usuários (nível mais alto de abstração);
• Sistemas Operacionais Modernos;
58
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor
Cada processo servidor trata de uma tarefa
• Os processos servidores não têm acesso direto ao hardware. Assim, se algum problema ocorrer com algum desses servidores, o hardware não é afetado;
• O mesmo não se aplica aos serviços que controlam os dispositivos de E/S, pois essa é uma tarefa difícil de ser realizada no modo usuário devido à limitação de endereçamento. Sendo assim, essa tarefa ainda é feita no kernel.
59
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Adaptável para Sistemas Distribuídos;
60
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Linux
• Monolítico +Módulos
Windows• Microkernel + Camadas + Módulos
61
Tarefa para casa.....
Ler capítulo 1 do Tanenbaum
62
Unidades Métricas
Os prefixos métricos
Referências
Sistemas Operacionais Modernos – 3ª Edição. A. Tanenbaum, 2008.
Modern Operating Systems 3 e. Prentice-Hall, 2008.