Introdução a Sistemas Operacionais

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Sistemas Operacionais

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Roteiro

• Conceitos

• Visão de um sistema operacional

• Abstração de recursos

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Definição de SO

• É uma camada de software que opera entre o hardware e os programas aplicativos voltados ao usuário final.

• É uma estrutura de software ampla,muitas vezes complexa, que incorpora aspectos de baixo nível (como drivers de dispositivos e gerência de memória física) e de alto nível (como programas utilitários e a própria interface gráfica).

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Visão do Sistema Operacional

p r o g r a m a d o r e se a n a l i s t a s

m e m ó r i a d i s c o s

U C P

U s u á r i o s

H a r d w a r e

S i s t e m a O p e r a c i o n a lS i s t e m a O p e r a c i o n a l

f i t a s

i m p r e s s o r a s m o n i t o r e s

p r o g r a m a s ,s i s t e m a s ea p l i c a t i v o s

u s u á r i o s

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Abstração de Recursos

• Cada hardware tem sua particularidade

• Cabe ao sistema operacional gerenciar as particularidades do hardware – Um processador de texto não deve deter o

conhecimento de como gravar um arquivo (disquetes, pen drive, hd´s).

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Cabe ao Sistema Operacional

• Prover interfaces de acesso aos dispositivos, mais simples de usar que as interface de baixo nível.

• Tornar os aplicativos independentes do hardware.

• Definir interfaces de acesso homogêneas para dispositivos com tecnologias distintas.

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Gerência de Recursos

• Cabe ao sistema operacional definir políticas para gerenciar o uso dos recursos de hardware pelos aplicativos, e resolver eventuais disputas e conflitos.– Uso de processador– Acesso a disco– Memória

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Tipos de S.O.

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Roteiro

• Batch (lote)• De Rede• Distribuído• Multi-usuário• Desktop• Servidor• Embutido• Tempo real

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Batch (lote)

• Todos os programas a executar eram colocados em uma fila.

• O processador recebia um programa após o outro, processando-os em seqüência, o que permitia um alto grau de utilização do sistema.

• O termo lote ainda é usado para definir um conjunto de comandos que rodam sem interferência do usuário

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Bach (lote)

P r o c e s s a m e n t o

P r o c e s s a m e n t o

P r o c e s s a m e n t o

( a )

( b )

( c )

f i t a d e e n t r a d a

f i t a d e e n t r a d a

c a r t õ e s p e r f u r a d o s

f i t a d e s a í d a

r e l a t ó r i o s

f i t a d e s a í d a

j o b 2

j o b n

r e l a t ó r i o 1

r e l a t ó r i o 2

r e l a t ó r i o n

j o b 1

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Rede

• Suporte a operação em rede– Maioria dos sistemas operacionais atuais

• Compartilhamento de recursos de vários computadores.

• Disponibilizar os próprios recursos.• São independentes e caso a conexão entre um

dos nós sofra qualquer problema, os demais continuam operando normalmente , apesar de alguns recursos se tornarem indisponíveis.

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Distribuído

• Os recursos de cada máquina estão disponíveis globalmente, de forma transparente aos usuários.

• Para o usuário e suas aplicações é como se não existisse uma rede de computadores e sim um único sistema centralizado.– Usuário desconhece o computador em uso.

• Ainda não são uma realidade de mercado.

• Exemplo: Amoeba

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Multi-usuário

• Múltiplos usuários simultâneos– Maioria dos sistemas operacionais atuais

• Deve suportar a identificação do “dono” de cada recurso dentro do sistema – arquivos, processos, conexões de rede

• Imposição de regras de controle de acesso para impedir o uso desses recursos por usuários não autorizados

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Desktop

• Sistema operacional “de mesa”.

• Usuários domésticos e corporativos– Atividades corriqueiras

• Ambiente gráfico, interatividade com usuário e suporte a rede.

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Servidor

• Gestão de grandes quantidades de recursos – Discos, memórias e processadores

• Multi-usuários

• Suporte a rede

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Embutido

• Embedded

• Hardwares com pouca capacidade de processamento– Celulares, calculadores, tocadores de MP3

• Função específica

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Tempo real

• Comportamento temporal previsível– Tempo de resposta conhecido no melhor caso e pior

caso de operação

• soft real-time systems– perda de prazo implica em degradação do serviço

prestado (gravação de CD)

• hard real-time systems – perda de prazo pode causar grandes prejuízos

econômicos ou ambientais (usina nuclear, caldeiras industriais)

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Funcionalidades

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Roteiro

• Funcionalidades de um sistema operacional

• Gerência– Processador– Memória– Dispositivos– Arquivos– Proteção

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Sistema Operacional

• Para cumprir sua função, deve atuar em várias frentes.

• São vários os recursos a serem gerenciados– Abstração

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Gerência de Processador

• Conhecida como gerência de processos ou de atividades,

• Visa distribuir a capacidade de processamento de forma justa– “Justa é diferente de igual”

• Sincronização de atividades– Comunicação entre processos

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Gerência de Memória

• Fornecer a cada aplicação um espaço próprio de memória– Independente e isolado das demais

aplicações

• Uso do disco como memória complementar– Aplicação desconhece o tipo da memória em

uso

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Gerência de Dispositivos

• Gerência de Entrada/Saída

• Vários dispositivos diferentes– Pen drive, disquetes, discos IDE e SCSI

• Permitir, através de drivers, o uso de forma comum– Vetor de blocos de dados

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Gerência de Arquivos

• Construída sobre a gerência de dispositivos– Criando abstrações de arquivos e diretórios

• Outros dispositivos podem ser utilizados como arquivos– Gravar arquivos numa saída TCP (Unix)

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Gerência de Proteção

• Políticas de acesso para sistemas – Em rede– Multi-usuários

• Definição de usuários, grupos de usuários, registro de recursos por usuários

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Sistemas Operacionais Modernos

• Gerência de energia

• Gerência de rede

• Gerência de recursos multimidía

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Visão Geral

• Os módulos de gerência são inter-dependentes

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Estrutura

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Roteiro

• Estrutura de um sistema operacional

• Componentes

• Uso e importância

• Programas Utilitários

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Núcleo

• Kernel• Coração do sistema

operacional• Responsável pela

gerência dos recursos de hardwares utilizados

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Drivers

• Códigos específicos– Acesso dispositivos físicos

• Normalmente fornecido pelo fabricante do hardware – Forma binária– Acoplado ao sistema operacional

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Código de Inicialização do Sistema

• Carregar o núcleo do sistema operacional em memória e iniciar sua execução.

D i s c o M e m ó r i aP r i n c i p a l

b o o t

S i s t e m aO p e r a c i o n a l

Á r e a d oS i s t e m a

O p e r a c i o n a l

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Programas Utilitários

• Facilitam o uso do sistema operacional– Tradutor

• Montador e Compilador

– Interpretador– Linker– Loader– Depurador– Interpretador de Comandos (shell)

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Tradutor

• Montador e Compilador

programa fonte programa objetoTradutor

Compilador

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Interpretador

• Tradutor que não gera módulo-objeto

• Traduz cada comando e executa

• Desvantagem: tempo na tradução

• Vantagem: dados dinâmicos

• Exemplos: Basic e Perl

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Linker

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Loader

• Carregar na memória principal um programa para ser executado

• Loader absoluto

• Loader relocável

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Depurador

• Permite acompanhar a execução de um programa e detectar erros

• Visualização e alteração de variáveis

• Breakpoints

• Watchpoints

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Interpretador de Comandos

• Interpretador de comandos ou shell permite ao usuário interagir com o sistema

• Linguagem de controle são os comandos disponíveis pelo interpretador

• Exemplos: Shell Bash

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Estrutura - Hardware

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Roteiro

• Hardware

• Estrutura de um sistema operacional

• Interrupções

• Proteção do núcleo

• Níveis de privilégio

• Chamadas de sistema

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Hardware

• Mono-processadores atuais seguem um padrão definido na década de 40 por János (John) Von Neumann– Arquitetura Von Neumann

• Programa armazenado– Programa a ser executado reside na memória

junto com os dados

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Estrutura de um Sistema Operacional

Controladora de Dispositivos

Dispositivos físicosHardware

Software

Aplicativos

Programas Utilitários Nível usuário

Nível sistemaNúcleo

Código de Inicialização

Drivers de Dispositivo

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Hardware

M e m ó r i aP r i n c i p a l

D i s p o s i t i v o sd e E / S

P r o c e s s a d o r / U C P

U n i d a d e L ó g i c ae A r i t m é t i c a

R e g i s t r a d o r e s

U n i d a d e d eC o n t r o l e

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Processador

• É o núcleo do sistema de computação.

• Responsável por continuamente ler as instruções e dados da memória ou de periféricos, processá-los e enviar os resultados de volta a memória ou outros periféricos.

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Processador

• Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU)

• Unidade de Controle (UC)

• Unidade Lógica e Aritmética (ULA)

• Clock– Memórias de alta velocidade

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Barramento

• Ocorre todas as transferências de dados.• Barramento de endereços

– Indica a posição de memória (ou dispositivo) a acessar

• Barramento de controle– Indica a operação a efetuar (leitura ou escrita)

• Barramento de dados– Transporta a informação indicada entre o

processador e a memória ou controlador de dispositivo

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Barramento

B a r r a m e n t o p r o c e s s a d o r - m e m ó r i a

Ba

rra

me

nto

de

E/S

Ba

rra

me

nto

de

E/S

A d a p t a d o r A d a p t a d o r

M e m ó r i aP r i n c i p a l

U C P

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MMU

• Memory Management Unit (Unidade de Gerência de Memória)

• Responsável por analisar cada endereço solicitado pelo processador, validá-los, efetuar conversões de endereçamento necessárias e executar a operação solicitada pelo processador – leitura ou escrita de uma posição de memória

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Memória

m a i o rc a p a c i d a d e d e

a r m a z e n a m e n t o

m a i o r c u s t o ev e l o c i d a d ed e a c e s s o

M e m ó r i a S e c u n d á r i a

M e m ó r i a C a c h e

M e m ó r i a P r i n c i p a l

R e g i s t r a d o r e s

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Dispositivos

• Memória secundária– Discos– Fitas magnéticas

• Interface usuário-máquina– Teclados– Impressoras

• Outros dispositivos– Placa de vídeo– Dispositivos USB’s

• São acessados através de circuitos específicos denominados controladores

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Arquitetura de um Computador

controle

endereços

dados

Processador MMU

Memória

ControladoraUSB

Mouse Teclado

Controladorade vídeo

Monitor

Controladorade disco

Controladorade rede

Unidade de disco

Conexãode rede

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Interrupções

• Quando um controlador de periférico possui uma informação importante para fornecer ao processador– Aguarda até que o processador o consulte– Notifica o processador através do barramento

de controle• Requisição de interrupção (IRQ – Interrupt

ReQuest)

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Interrupção

1. O processador está executando um programa qualquer (em outras palavras, um fluxo de execução);

2. Um pacote vindo da rede é recebido pela placa Ethernet;3. A placa envia uma solicitação de interrupção (IRQ) ao processador;4. O processamento é desviado do programa em execução para a

rotina de tratamento da interrupção5. A rotina de tratamento é executada para receber as informações da

placa de rede (via barramentos de dados e de endereços) e atualizar as estruturas de dados do sistema operacional;

6. A rotina de tratamento da interrupção é finalizada e o processador retorna à execução do programa que havia sido interrompido.

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Interrupção

controle

endereços

dados

Processador MMUControladora

de rede

Programa emexecução

memória1 Rotina de

tratamento dainterrupção

4

6

2

5

5

3

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Proteção ao Núcleo

• Certas instruções não podem estar disponíveis para as aplicações, pois isso poderia ocasionar um sério problema de integridade no sistema.– Por exemplo, um acesso ao disco rígido para

gravação de um arquivo.

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Níveis de privilégio

• Então, existe 2 tipos de instruções: instruções privilegiadas e instruções não-privilegiadas.

• O processador implementa 2 modos de acesso: modo usuário e o modo kernel (ou supervisor).

CPU Intel x86

Sistema Operacional

Aplicação

Não utilizado

Não utilizado

0

1

2

3

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Separação entre núcleo e as aplicações

Hardware

NúcleoNívelnúcleo

Nívelusuário

Aplicação Aplicação Aplicação Aplicação

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Chamadas de Sistema

• São portas de entrada para se ter acesso ao núcleo do sistema operacional.

• Exemplo: quando o usuário deseja algum serviço, realiza uma chamada a uma de suas rotinas através de system calls (chamadas ao sistema).

• Para cada serviço existe um system call associada e cada sistema operacional tem o seu próprio conjunto de chamadas.

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System Calls

Aplicação System CallNúcleoNúcleo

Hardware

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Syscalls - Grupos de Função

• Gerência de Processos– Criação e eliminação de processos, alteração das

características do processo e sincronização e comunicação entre processos.

• Gerência de memória– Alocação e desalocação de memória.

• Gerência de entrada/saída– Operações de entrada e saída e manipulação de

arquivos e diretórios.

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Chamada a uma rotina de acesso

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Application Programming Interface

• Conjunto de chamadas de sistema oferecidas por um núcleo é chamada de API– API Win32 (Windows)– POSIX (Unix/Linux)