SO - Introdução

24/07/2015 SOIntroduo

http://www.ppgia.pucpr.br/~laplima/ensino/soeed/so_common/materia/01_intro.html 1/8

[topo]

Disciplina Introduo Processos & Threads Gerncia de Memria Entrada e Sada Sistemas de Arquivos

Tpicos

Introduo

VisesdoSistemaOperacional

ComponentesdeumSistemaOperacional

ClassesdeSistemasOperacionais

EvoluoehistricodosSOs

Conceitosdehardware

ConceitosbsicosdeSOs

Processos

GernciadeMemria

EntradaeSada

Arquivos

ChamadasdeSistema

Introduo aos Sistemas Operacionais

1.Introduo e Viso GeralUmsistemacomputacionalcompostode:hardware(HW)+software(SW).

1.1.Hardware (HW):

1ou+processadoresmemriaprincipal(RAM)discosimpressorasteclado+mousemonitordevdeointerfacederedeoutrosdispositivosdeentradaesada(E/S)...

Ogerenciamentodestesdispositivosenvolvegrandecomplexidade.

1.2.Software (SW):

Divididobasicamenteemduascategorias:

programasdosistema:oprpriosistemaoperacionalprogramasdeaplicao:demaisprogramas

OSistemaOperacional:

controlarecursosefornecebaseparaaconstruodeaplicaespermiteautilizaodocomputadordeformaeficienteesegura

OSO"esconde"acomplexidadedoHWsubjacentefornecendoaoprogramadorumconjuntodeinstruesmaisconveniente.

Software:comoosrecursosseroutilizados

ProgramasdeAplicao(ex:InternetExplore,Word,Firefox,etc.)

Programasdosistema(shell,compiladores,editores)

SO:Controleecoordenaodosrecursos

Programadosistema

Hardware:recursosbsicos(CPU,memria,dispositivosdeE/S,etc.)

Shell:interpretadordecomandos(modotexto)GUI(GraphicalUserInterfaceInterfaceGrficacomoUsurio)

O cdigo fonte de sistemas operacionais comoWindows e Linux: > 5.000.000 de linhas. SOs possuem programao complexa e, portanto,geralmenteevoluemaoinvsdeseremsimplesmentesubstitudos.

LinuxeSistemaOperacional

"Linux":serefereapenasaokerneldesenvolvidoporLinusTorvaldseoutros.Noentanto,otermotemsidousandocomumentecomosendookernelmaisvrios outrosprogramas (ferramentas e bibliotecas) que formamumSO completo.Os chamados "distribuidores" Linux empacotam softwarepara automatizar oprocessodeinstalaoincluindosistemadearquivos,kerneleoutrosprogramas.

Assim,otermo"SistemaOperacional"(SO)podeter2sentidos:

1. Todoo"pacote"comosprogramasusadosparagerenciartodososrecursoscomputacionaisjuntamentecomasferramentas(porexemplo,interpretadoresdecomandos,interfacesgrficas,utilitriosdearquivoseeditores).

2. Maisprecisamente,serefereaoprogramacentralquegerenciaealocarecursoscomputacionais(CPU,RAMedispositivos).

2.Vises do Sistema Operacional

SistemasOperacionaisIPUCPREscola

PolitcnicaLuizA.P.LimaJr.



[topo]

OSOpodeservistoapartirdedoisngulosouperspectivasdiferentes,conformeafiguraabaixo:

2.1.O Sistema Operacional como Mquina Estendida

Viso"topdown".

Controladordeentradaesadadeumaunidadededisquete(PD765):

16comandos:leitura,escritamovimentaodobraododisco,formatao,etc...Bsicos:READeWRITEcom13parmetroscada:

endereodoblocoaserlido(trilha/setor);nmerodesetoresportrilha;mododegravaonomeiofsico;espaamentoentresetores;etc.

Valorderetorno:estruturacom23camposdeestadoedeerros.

Almdisso:deveacionarmotorantesdepoderler/escrever,masnopodedeixloligadoininterruptamentesobpenadedanificarodisco.

TudoissoencerraumagrandeCOMPLEXIDADE.

ComoSistemaOperacional,acomplexidade"escondida"doprogramador(edousurio)pormeiodasseguintesabstraes:

Disco=coleodearquivosidentificadospornomes.Manipulaodearquivos:

Abrearquivoparaleitura/escrita;L/escrevedadosnoarquivo;Fechaoarquivo.

EstaavisodosistemaoperacionalcomoumaMquinaEstendida:equivalenteaohardware,pormmaissimples.Osistemaoperacionaltemporobjetivodaraousurioailusodequeamanipulaodosrecursoscomputacionaismaissimplesdoquenarealidade.

2.2.O Sistema Operacional como Gerente de Recursos

Viso"bottomup".

Osistemaformadoporgrandenmerodedispositivos:

processador(es);memria;temporizadores;discos;impressoras;etc.

Oqueacontecesevriosprocessosresolvemimprimirdadossimultaneamentenamesmaimpressora?Ousequiseremacessaraomesmotempoamesmaposiodememriaoudisco?

OutroexemploaquestodaproteodememriadedosdemaisdispositivosdeE/S.

Ocompartilhamentoderecursoscomputacionais:notempo(diferentesprogramasouusuriosaguardamcadaumasuavezdeusarorecursoexemplos:CPUou impressora)enoespao (diferentesprogramasusamsimultaneamentediferentes "partes"dos recursosexemplos:memriaedisco).

OSistemaOperacionaltemoobjetivoderesolverestesproblemasatravsdagernciadocompartilhamentoderecursos.Oseuobjetivogerenciarosusuriosdecadaumdosrecursosdamquinagarantindooacessoordenadodeusuriosarecursosatravsdamediaodeeventuaisconflitos(oquebastantecrticoemsistemasmultiusurio).

3.Componentes de um Sistema Operacional



[topo]

[topo]

Kernel(ncleo)GernciadeProcessosGernciadeMemriaGernciadeEntradaeSadaGernciadeArquivosControledeusuriosGernciadeJanelaseGUI(interfacegrfica)GernciadeRedesGernciadeErrosContabilidadedeusoderecursosGernciadesegurana

3.1.O Kernel

OkerneldoSOconcentraoacessoaohardware:

driversdedispositivos;gernciadeacesso.

Funesbsicas:

operaesdeacessoaohardwarenoobsicadeprocessos(escalonador)comunicaoentreprocessos

Okernelexecutadoemmodoprivilegiadooumodokernel(tendoacessoatodooHWesendocapazdeexecutarqualquerinstruoqueaCPUcapazdeexecutar).OrestantedoSWdosistemacomputacional(restodoSO+aplicaes)executadoemmodousurio(ondesomentepartedoconjuntodeinstruesdamquinaestdisponvel,porquestesdeseguranadeoperaodosistema).

4.Classes de Sistemas OperacionaisTiposbsicosdesistemasoperacionais:

4.1.Monotarefa

1processo,1usurioExemplo:MSDOSSistemasemlote(batch)Sistemasantigos

4.2.Multitarefa

Vriosprocessos,1usurio(Windows,Linux,MacOS).TempodeesperaparaE/S:80a90%dotempototaldeprocessamento=>divisodamemria:

enquantoumatarefaesperavaqueaE/Ssecompletasse,outrapoderiausaraCPU.Estatcnicaconhecidacomomultiprogragramao

Umamultiprogramaodestetipo(cedendoavezquandofazE/S)noadaptadaparaprocedimentosinterativos,eoprogramador,porexemplo,tinhaqueesperaratquehouvesseacompilaodoseuprogramaparaidentificarumerroe,ento,podercorrigilo.Istopoderialevarmaisde1dia.AssimsurgiuocompartilhamentodetempodeCPU(outimesharing),comovariantedamultiprogramaoparasistemasinterativos.Exemplos:UNIX(Linux),Windows,MacOSX,...(amaioriadossistemasoperacionaisatuais).

4.3.Multiusurio

Vriosprocessos,vriosusuriosExemplos:Mach,Amoeba,Chorus.

4.4.Sistemas operacionais em rede

Usuriossabemdaexistnciadeoutroscomputadoresconectadosrede.Podemconectarseamquinasremotasecopiararquivos.Cadamquinaexecutaoseuprpriosistemaoperacional.

4.5.Sistemas operacionais distribudos

Ilusodeumprocessadornico.Usurionosabeondeoseuprocessoestsendoexecutado,ouondeosseusarquivosestolocalizados.AtrasosdecomunicaonaredeeatualizaoderplicasdedadosprecisamserconsideradospeloSOdistribudos(oqueminimizadoemsistemasemumanicamquina).

5.Evoluo dos Sistemas Operacionais



5.1.Breve histrico do UNIX, Linux e software livre [2]

fimdosanos60

MIT,BellLabseGEiniciamodesenvolvimentodosistemaoperacionalMULTICS(MultiplexedInformationandComputingService).

1969KenThompsoneDennisRitchiedesenvolvemumaversosimplificadadoMULTICSemumPDP7abandonadonoBellLabs.EssesistemaserbatizadoporBrianKernighancomoUNICSedepoisUNIX.

197273

PortagemdoUNIXparaoPDP11/20,PPDP11/40ePDP11/70;parasimplificaraportagem,KenThompsontentareescreveroUNIXemumalinguagemdealtonvel(B,simplificaodeBCPL);aequipemelhoraalinguagemBecriaalinguagemCparareescreveroUNIX,antesescritoemassembly.

anos70

UNIXusadonasuniversidades;oBellLabsliberalicenciafontesparaensinoepesquisa.

1976 Primeiraversocomercial(Verso6).

1978 IniciaodesenvolvimentodoUNIXBSD(BerkeleySoftwareDistribution),comBillJoyeOzalpBabaoglu.

anos80

UNIXumprodutocomercialgrandeecomplexo.

1983ApstertentadosemsucessoobterocdigofontedofirmwaredeumaimpressoraXeroxparacorrigirumdefeitodeoperao,RichardStallman(MIT)criaoProjetoGNU.Esseprojetovisaconstruirferramentasparaproduzirsoftwarelivre.

1984 OambientegrficoXWindowsdesenvolvidonoProjetoAthenadoMIT.

1987 AndrewTanenbaum,umprofessordaHolanda,escreveumaversodidticasimplificadadoUNIX,denominadaMINIX.

1987 SolanadososprimeirosPCsbaseadosnaCPUIntel386,quetrazmecanismosavanadosparaproteodeacessomemria.

1988 OambienteXWindows11r2divulgadoaopblico.

1991

CriaodoLinux(ncleo0.01)porLinusTorvalds,estudantedeinformticafinlandscombasenoMINIX.

1992OncleoLinuxjsuportaasferramentasdoprojetoGNUeoambientegrficoXWindows,constituindoumambientecompletodesoftwarelivre.

1992 PrimeirasdistribuiesLinux:MCCInterimLinux,TAMUeSLS.

1994 LanadookernelLinux1.0



2011 LanadookernelLinux3.0emcomemoraoaos20anosdoLinux.

VejaalinhadotempodoUNIX.

5.2.Breve Histrico do Windows

1974LanadooIntel8080(1aCPUde8bits).AEmpresaDigitalResearchdominaomercadocomoSOCP/M(ControlProgramforMicrocomputers).

1980IBMlanaoPC.PessoaldaDigitalResearchserecusaacriarumSO.BillGatesadquireoDOS(DiskOperatingSystem)daSeatleComputerProductsporUS$50.000,00,fundaaMicrosoft,eorenomeiaparaMSDOS.

dcadade1980

AtesedeDougEngelbart(anos60)propunhaummodelodejanelas,cones,menus,etc.comumaInterfaceGrficacomoUsurio(GUI)noimplementadadevidoquantidadedememrianecessria(muitocaranapoca).Nestadcada,aXeroxdesenvolveuumainterfaceparaassuasmquinascopiadorasbaseadanatesedeEngelbart.SteveJobs,criadordaApple,percebeopotencialdainterfacedaXeroxeaincorporaemseuproduto:oMacintosh.

1985

AMicrosoftcriaoWindows(verso3.1)numatentativadeincorporarGUIaoMSDOS.Durante10anos(i.e.at1995),oWindowsfoimeramenteumambientegrficorodandosobreoMSDOS.

1995Windows95:oprimeiroSOdaMicrosoftindependentedoMSDOS.

1998

Windows98:praticamenteumaatualizaodoWindows95paracorrigirbugs.

EmparaleloaMicrosoftdisparaoprojetodoWindowsNT(NewTechnology)cujoobjetivoerareescreverinteiramenteoWindows95comoobjetivodeaposentarversesantigas.Masapenasaverso4.0doNTfoiquerealmentedeslanchou.

Lanadaaverso5.0doWindowsNT,maisconhecidacomoWindows2000.



[topo]

1999

TambmlanadooWindowsME(umaversoatualizadadoWindows98).

2001

LanadoWindowsXP,baseadononcleodoNTcomaintenodejuntarNT/200e95/98/MEemumnicoproduto.

2007

WindowsVista:alteraonainterface(Aero)edemecanismosdesegurana.

2009Windows7:umreprojetodeinterfacecomousuriocomumanovabarradetarefas,umsistemaresidencialderede(HomeGroup)emelhoriasdedesempenho.

2012

Windows8:Foconamelhoradaexperinciadousurioemdispositivosmveis(tentativadeunificaodainterface).Outrasmelhorias:suportecomputaoemnuvem,segurana(suporteembutidoaantivrus;suporteabootseguro:UEFI),...

VejaimagemdarvoredeevoluodoWindows:

LinhadotempodafamliaWindows[REF]

6.Conceitos Bsicos de Hardware

6.1.Processadores

CPU(UnidadeCentraldeProcessamento):buscarinstruesnamemriaeexecutlas.CadaCPUpossuiumconjuntoespecficodeinstruesquecapazdeexecutar.TodasasCPUpossuemregistradoresinternosparaarmazenamentodevarveisimportanteseresultadostemporrios:

contadordeprograma(ProgramCounter=PC):contmoendereodememriadaprximainstruoaserbuscadaparaexecuo.ponteirodepilha(StackPointer=SP):topodapilhadeprogramaatualnamemria(informaesnapilha:parmetrosdeentrada,variveislocais,endereoderetornodePC,etc.).



[topo]

ModosdefuncionamentodasCPUs:Modokernel:executaqualquerinstruodoseuconjuntodeoperaesepodeusartodososatributosdohardware(SOrodaemmodokernel);Modousurio:execuodeapenasumsubconjuntococonjuntodeinstrueseacessolimitadoaohardware(E/Seproteodememriasogeralmenteinacessveisnomodousurio).

ParaacessarserviosdoSO:chamadasdesistema(abaixo).

6.2.Memria

MemriaRAM(RandomAccessMemory)=memriaprincipal(voltil)Memriacache:cachehitecachemissMemriaROM(ReadOnlyMemory)(novoltil):rpidaebarata:programadadefbrica.MemriaEPROM(ElectricallyErasableROM)ememriaflash:novolteis,passveisdereescrita.MaislentasqueRAM.

6.3.Entrada/sada e Interrupes

Controladores:hardwarequecontrolafisicamenteosdispositivos("placa").Drivers:programasquesecomunicamcomoscontroladoresenviandocomandoserecebendorespostas.Precisamserexecutadosemmodokernel.Paratanto,soincorporadosaoSOnomomentodobootdosistemaouoSOpodesercapacitadoainstalarnovosdriversdinamicamentesemanecessidadedereboot.

7.Exemplos de sistemas operacionais em diversos equipamentosComputadoresdegrandeporte:OS/390(sendogradativamentesubstitudosporUNIXouLinux).Servidores:Solaris,FreeBSD,Linux,WindowsServer.Multipricessadores:WindowseLinux.Computadoresportteis:SymbianOS,PalmOS,iOS,Android.Embarcados:QNXeVxWorks.Sensores:TinyOS.Temporeal:verportteiseembarcados.Smartcards:tipicamente,proprietrios.UsamJVMs(JavaVirtualMachines).

8.Conceitos Bsicos de SO

8.1.Processos

OconceitodeprocessoschaveemSistemasOperacionais.

Processo=instnciadeumprogramaemexecuo.

Oespaodeendereamentodoprocessoformadode:

texto:instruesdoprograma;dados:variveiseconstantesestticasusadaspeloprograma;heap:reaondememriadinmicareservada.pilha:readememriaquecresceeencolhemedidaemquefunessochamadasouquandoseretornadelas.Armazenaigualmenteasvariveislocais.

PrincipaisregistradoresdaCPUenvolvidos:

contadordeprograma(PCProgramCounter)ponteirodepilha

Compartilhamento do tempo de CPU produz a iluso de processos rodando simultaneamente. Como o SO interrrompe os processos, h anecessidadedereinicilosmaistardeapartirdopontoondeforaminterrompidos.

Escalonamento: recuperar informaes sobre o estado do processo quando foi interrompido. Esta informao armazenada em estruturachamadatabeladeprocessos.

Umprocessopodecriaroutrosprocessos(filhos).Cadaprocessopossuiumidentificadorniconosistema(PID).Anecessidadedecomunicaoentreprocessos.

8.2.Gerncia de Memria

Amemriaprincipaldocomputador(RAM)utilizadaparaarmazenarosespaosdeendereamentodosprocessos.

SOsimples:1programaporveznamemria.SOsofisticados:vriosprogramassimultaneamentenamemria(necessidadedeproteo).

Omecanismodememriavirtualutilizadopara"estender"amemriaprincipal(fsica)atravsdousododisco.

8.3.Entrada e Sada (E/S)



DispositivosdeE/S:

teclado;mouse;monitordevdeo;impressora;etc.

impemanecessidadedegerenciamentoporpartedoSO.

8.4.Sistemas de Arquivos

OSOdevesercapazdelocalizardadosemarquivosarmazenadosemdiscosmagnticosououtrosmeios.

Organizaodosistemadearquivos:diretrios=agrupamentosdearquivoseoutrosdiretrios.

Hierarquia:rvoregenrica.

NoUNIX:

Diretrioraiz:/(barra)Diretriosuperior(pai):..(pontoponto)Diretriocorrente:.(ponto)Separadordediretrios:/(barra)

NoWindows:

Diretrioraiz:C:\Diretriosuperior(pai):..(pontoponto)Diretriocorrente:.(ponto)Separadordediretrios:\(barrainvertida)

Umarquivoreferenciadode2formas:

refernciaabsoluta:caminhoapartirdaraiz.Exemplo(UNIX):

/home/prof/laplima

refernciarelativa:caminhoapartirdodiretriocorrente.Exemplo(UNIX):

../home/prof/laplima

Arquivosespeciais:paraquedispositivosdeE/Spossamsertratadospelosusurioscomosefossemarquivoscomuns.

UNIX:

stdout:sadapadro(tela)stdin:entradapadro(teclado)stderr:sadadeerrospadro(tela)

Arquivosespeciaistemporrioschamados"pipes"soutilizadosparacomunicaoentreprocessos.

8.5.Chamadas de Sistema (System Calls ou Syscalls)

Umachamadadesistemaumpontodeentradacontroladoparaokernelquepermitecomqueprocessossolicitemalgumaaodokernelemnomedoprocesso.Usadaspelosprogramasdosusuriosparasolicitarserviosdosistemaoperacional.CadasystemcallnormalmenteespecficadeumSO.

Aseo2dasmanpageslistaaschamadasdesistemadoLinux.

Execuodeumachamadadesistema:

"Trap":instruesdechamadaaosistematransferemocontroleparaoSO(alternandodomodousurioparaomodokernel);Trapsdehardwareavisamsobresituaesexcepcionais(exemplo:divisoporzero)oSOassumeocontroleedecideoquefazernestescasos.chamadasdesistema:semelhantesachamadasdeprocedimentos,excetopelofatodequefazemcomqueosistemaentreemmodokernel.



Exemplodesystemcall(UNIX):

contador=read(fd,buffer,nbytes);

+seo2dasmanpages.

Leiaocaptulo1dolivrotexto(Tanenbaum,"SistemasOperacionaisModernos",2aedioemdiante)Resolvaosexerccios1,2,7,9,16,21,23.

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