O CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, AGRÁRIAS E DAS ENGENHARIAS CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
Por: Cema Mendes • 22/8/2021 • Pesquisas Acadêmicas • 14.961 Palavras (60 Páginas) • 174 Visualizações
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UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA – UNISUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, AGRÁRIAS E DAS ENGENHARIAS
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
SISTEMAS
OPERACIONAIS I
Professor Alessandro Zanini
E-Mail : zanini@ati.unisul.rct-sc.br
http://www.unisul.rct-sc.br/so1
Tubarão - 2000
Conceitos Básicos
Introdução
Antes de começarmos a estudar os conceitos e os principais componentes de um sistema operacional, devemos saber primeiramente quais são suas funções básicas.
Por mais complexo que possa parecer, um sistema operacional e apenas um conjunto de rotinas executado pelo processador, da mesma forma que qualquer outro programa.. Sua principal função e controlar o funcionamento do computador, como um gerente dos diversos recursos disponíveis no sistema.
O nome sistema operacional não e único para designar esse conjunto de programas. Nomes como monitor, executivo, supervisor ou controlador possuem, normalmente, o mesmo significado.
Um sistema operacional possui inúmeras funções e resumimos essas funções, basicamente, em duas, descritas a seguir:
Facilidade de acesso aos recursos do sistema
Um sistema de computacão, ao possui, normalmente, diversos componentes, como terminais, impressoras, discos e fitas. Quando utilizamos um desses dispositivos, não nos preocupamos com a maneira como e realizada esta comunicação e os inúmeros detalhes envolvidos.
Para a maioria de nós uma operação cotidiana, como, por exemplo, a leitura de um arquivo em disquete, pode parecer simples. Na realidade, existe um conjunto de rotinas específicas, controladas pelo sistema operacional, responsável por acionar a cabeça, a de leitura e gravação da unidade de disco, posicionar na trilha e setor onde estão os dados, transferir os dados do disco para a memória e, finalmente, informar ao programa a chegada dos dados.
O sistema operacional, então, serve de interface entre o usuários e os recursos diponíveis no sistema, tornando esta comunicação transparente e permitindo ao usuário um trabalho mais eficiente e com menores chances de erros ( REF _Ref426518885 \h Figura 1).
Este conceito de ambiente simulado, criado pelo sistema operacional, e denominado máquina virtual (virtual machine) e está presente, de alguma forma, na maioria dos sistemas atuais.
É comum pensar-se que compiladores, linkers, bibliotecas, depuradores e outras ferramentas fazem parte do sistema operacional, mas, na realidade, estas facilidades são apenas utilitários, destinados a ajudar a interação do usuário com o computador.
Compartilhamento de recursos de forma organizada e protegida
Quando pensamos em sistemas multiusuário, onde vários usuários podem estar compartilhando os mesmos recursos, como, por exemplo, memória e discos, é necessário que todos tenham oportunidade de ter acesso a esses recursos, de forma que um usuário não interfira no trabalho do outro.
Se imaginarmos, por exemplo, que uma impressora possa ser utilizada por vários usuários do sistema, deverá existir algum controle para impedir que a impressão de um usuário interrompa a impressão de outro. Novamente, o sistema operacional é responsável por permitir o acesso concorrente a esse e a outros recursos, de forma organizada e protegida, dando ao usuário a impressão de ser o único a utilizá-los.
O compartilhamento de recursos permite, também, a diminuição de custos, na medida em que mais de um usuário possa utilizar as mesmas facilidades concorrentemente, como discos, impressoras, linhas de comunicação etc.
Não é apenas em sistemas multiusuário que o sistema operacional é imporntate. Se pensarmos que um computador pessoal nos permite executar várias tarefas, como imprimir um documento, copiar um arquivo pela internet ou processar uma planilha, o sistema operacional deve ser capaz de controlar a execução concorrentes de todas essas tarefas.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 1 - Visão do sistema operacional como interface entre os usuários e os recursos do sistema.
Máquinas de Níveis
Um computador, visto somente como um gabinete composto de circuitos eletrônicos, cabos e fontes de alimentação (hardware), não tem nenhuma utilidade. É através de programas (software) que o computador consegue armazenar dados em discos, imprimir relatórios, gerar gráficos, realizar cálculos, entre outras funções. O hardware é o responsável pela execução das instruções de um programa, com a finalidade de se realizar alguma tarefa.
Uma operação efetuada pelo software pode ser implementada em hardware, enquanto uma instrução executada pelo hardware pode ser simulada via software. Esta decisão fica a cargo do projetista do computador em função de aspectos como custo, confiabilidade e desempenho. Tanto o hardware como o software são logicamente equivalentes, interagindo de uma forma única para o usuário.
Nos primeiros computadores, a programação era realizada em painéis, através de fios, exigindo um grande conhecimento do hardware e de sua linguagem de máquina. Isso era uma grande dificuldade para os programadores da época.
A solução para esse problema foi o surgimento do sistema operacional, que tornou a interação entre usuário e computador mais simples, confiável e eficiente. A partir desse acontecimento, não existia mais a necessidade de o programador se envolver com a complexidade do hardware para poder trabalhar; ou seja, a parte física do computador tornou-se transparente para o usuário.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 2 - Visão modular do computador pelo usuário.
Partindo desse princípio, podemos considerar o computador como uma máquina de níveis ou camadas, onde inicialmente existem dois níveis: o nível 0 (hardware) e o nível 1 (sistema operacional). Desta forma, o usuário pode enxergar a máquina como sendo apenas o sistema operacional, ou seja, como se o hardware não existisse. Esta visão modular e abstrata é chamada máquina virtual.
Na realidade, um computador não possui apenas dois níveis, e sim tantos níveis quanto forem necessários para adequar o usuário às suas diversas aplicações. Quando o usuário está trabalhando em um desse níveis, não necessita da existência das outras camadas, acima ou abaixo de sua máquina virtual.
Atualmente, a maioria dos computadores possui a estrutura mostrada na Figura, podendo conter mais ou menos camadas. A linguagem utilizada em cada um desses níveis é diferente, variando da mais elementar (baixo nível) à mais sofisticada (alto nível).
Figura SEQ Figura \* ARABIC 3 - Máquina de níveis.
Histórico
A evolução dos sistemas operacionais está, em grande parte, relacionada ao desenvolvimento de equipamentos cada vez mais velozes, compactos e de custos baixos, e à necessidade de aproveitamento e controle desses recursos.
Neste histórico dividimos essa evolução em fases, once destacamos, em cada uma, sues principals características de hardware, software, interação com o sistema e aspectos de conectividade.
Primeira Fase (1945-1955)
No início da Segunda Guerra Mundial, surgiram os primeiros computadores digitais, formados por milhares de válvulas, que ocupavam areas enormes, sendo de funcionamento lento e duvidoso.
O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) foi o primeiro computador digital de propósito geral. Criado pare a realização de cálculos balísticos, sue estrutura possuía 18 mil válvulas, 10 mil capacitores, 70 mil resistores e pesava 30 toneladas. Quando em operação, consumia cerca de 140 quilowatts e era capaz de realizar 5 mil adições por segundo.
Para trabalhar nessas máquinas, era necessário conhecer profundamente o funcionamento do hardware, pods a programação era feita em painéis, através de fios, utilizando linguagem de máquina. Nessa fase, ainda não existia o conceito de sistema operacional.
Outros computadores foram construídos nessa mesma época, como o EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) e o IAS (Princeton Institute for Advanced Studies), mas eram utilizados, praticamente, apenas nas universidades e nos órgãos militares.
Com o desenvolvimento da indústria de computadores, muitas empresas foram fundadas ou investiram no setor, como a Sperry e a IBM, o que levou a criação dos primeiros computadores pare aplicações comerciais. A primeira máquina fabricada com esse propósito e bem-sucedida foi o UNIVAC I (Universal Automatic Computer), criado especialmente pare o censo americano de 1950.
Segunda Fase (1956-1965)
A criação do transistor e das memórias magnéticas contribui pare o enorme avanço dos computadores da época. O transistor permitiu o aumento da velocidade e da confiabilidade do processamento, e as memórias magnéticas permitiram o acesso mais rápido aos dados, major capacidade de armazenamento e computadores menores.
Com o surgimento das primeiras linguagens de programação, como Assembly e Fortran, os programas deixaram de ser feitos diretamente no hardware, o que facilitou enormemente o processo de desenvolvimento de programas.
Já não era mais possível conviver com tantos procedimentos manuais como os anteriores, que não permitiam o uso eficiente do computador e de seus recursos. Os primeiros sistemas operacionais surgiram, justamente, pare tentar automatizar as tarefas manuais
Figura SEQ Figura \* ARABIC 4 - Processamento batch
Inicialmente, os programas passaram a ser perfurados em cartões, que, submetidos a uma leitora, eram gravados em uma fita de entrada ( REF _Ref426532373 \h Figura 4a). A fita, então, era lida pelo computador, que executava um programa de cada vez, gravando o resultado do processamento em uma fita de saída ( REF _Ref426532373 \h Figura 4b). Ao terminar de todos os programas, a fita de saída era lida e impressa ( REF _Ref426532373 \h Figura 4c). A esse tipo de processamento, onde um lote (batch) de programas era submetido ao computador, deu-se o nome de processamento batch.
Pode não parecer um avanço, mas anteriormente os programas eram submetidos pelo operador, um a um, fazendo com que o processador ficasse ocioso entre a execução, ao de um programa e outro. Com o processamento batch, um grupo de programas era submetido de uma só vez, o que diminuía o tempo existente entre a execução dos programas, permitindo, assim, melhor uso do processador.
Os sistemas operacionais passaram a ter seu próprio conjunto de rotinas pare operações de entrada/saída (Input/Output Control System—IOCS), que veio facilitar bastante o processo de programação. O IOCS eliminou a necessidade de os programadores desenvolverem sues próprias rotinas de leitura/gravação específicas para cada dispositivo periférico. Essa facilidade de comunicação criou o conceito de independência de dispositivos.
Importantes avanços, em nível de hardware, foram implementados no final dessa fase, principalmente na linha 7094 da IBM. Entre eles, destacamos o conceito de canal, que veio permitir a transferência de dados entre dispositivos de entrada/saída e memória principal de forma independente da UCP. Ainda nessa fase, destacamos os sistemas FMS (Fortran Monitor System) e IBSYS.
Terceira Fase (1966-1980)
Através dos circuitos integrados (CIs) e, posteriormente, dos microprocessadores, foi possível viabilizar e difundir o uso de sistemas computacionais por empresas, devido a diminuição de seus custos de aquisição. Além disso, houve grande aumento do poder de processamento e diminuição no tamanho dos equipamentos.
Com base nessa nova tecnologia, a IBM lançou em 1964 a Série 360. Esse lançamento causou uma revolução na indústria de informática, pois introduzia uma linha (família) de computadores pequena, poderosa e, principalmente, compatível. Isso permitiu que uma empresa adquirisse um modelo mais simples e barato e, conforme sues necessidades, mudasse pare modelos com mais recursos, sem comprometer sues aplicações já existentes. Para essa série, foi desenvolvido o sistema operacional OS/360, que tentava atender todos os tipos de aplicações e periféricos. Apesar de todos os problemas desse equipamento e de seu tamanho físico, a Série 360 introduziu novas técnicas, utilizadas ate hoje.
Na mesma época, a DEC lançou a linha PDP-8, também revolucionária, pois apresentava uma linha de computadores de porte pequeno e baixo custo, se comparada aos mainframes ate então comercializados, criando um novo mercado, o de minicomputadores.
A evolução dos processadores de entrada/saída permitiu que, enquanto um programa esperasse por uma operação de leitura/gravação, o processador executasse um outro programa. Para tal, a memória foi dividida em partições, onde cada programa esperava sue vez pare ser processado. A essa técnica de compartilhamento da memória principal e processador deu-se o nome de multiprogramação.
Com a substituição das fitas por discos no processo de submissão dos programas, o processamento batch tornou-se mais eficiente, pois permitia a alteração na ordem de execução das tarefas, ate então puramente seqüencial. A essa técnica de submissão de programas chamou-se spooling, que, mais tarde, também viria a ser utilizada no processo de impressão.
Os sistemas operacionais, mesmo implementando o processamento batch e a multiprogramação, ao, ainda estavam limitados a processamentos que não exigiam comunicação com o usuário. Para permitir a interação rápida entre o usuário e o computador, foram adicionados terminais de vídeo e teclado (interação on-line).
A multiprogramação evoluiu preocupada em oferecer aos usuários tempos de respostas razoáveis e uma interface cada vez mais amigável. Para tal, cada programa na memória utilizaria o processador em pequenos intervalos de tempo. A esse sistema de divisão de tempo do processador chamou-se time-sharing (tempo compartilhado).
Outro fato importante nessa fase foi o surgimento do sistema operacional Unix (1969). Concebido inicialmente em um minicomputador PDP-7, baseado no sistema MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service), o Unix foi depois rescrito em uma linguagem de alto nível (linguagem C), tornando-se conhecido por sue portabilidade.
No final dessa fase, com a evolução dos microprocessadores, surgiram os primeiros microcomputadores, muito mais baratos que qualquer um dos computadores ate então comercializados. Entre eles, destacamos os micros de 8 bits da Apple e o sistema operacional CP/M (Control Program Monitor).
Quarta Fase (1981-1990)
A integração em large escala (Large Scale Integration-LSI) e a integração em muito large escala (Very Large Scale Integration-VLSI) levaram adiante o projeto de miniaturização e barateamento dos equipamentos. Os mini e superminicomputadores se firmaram no mercado e os microcomputadores ganharam um grande impulso.
Nesse quadro surgiram os microcomputadores PC (Personal Computer) de 16 bits da IBM e o sistema operacional DOS (Disk Operation System), criando a filosofia dos computadores pessoais. Na área dos minis e superminicomputadores ganharam impulso os sistemas multiusuário, com destaque pare os sistemas compatíveis com o Unix (Unix-like) e o VMS (Virtual Memory System) da DEC. Surgem as estações de trabalho (workstations) que, apesar de monousuárias, permitem que se executem diversas tarefas concorrentemente, criando o conceito de multitarefa.
No final dos anos 80, os computadores tiveram um grande avanço, decorrente de aplicações que exigiam um enorme volume de cálculos. Para acelerar o processamento, foram adicionados outros processadores, exigindo dos sistemas operacionais novos mecanismos de controle e sincronismo. Com o multiprocessamento, foi possível a execução de mais de um programa simultaneamente, ou ate de um mesmo programa por mais de um processador. Além de equipamentos com múltiplos processadores, foram introduzidos processadores vetoriais e técnicas de paralelismo em diferentes níveis, fazendo com que os computadores se tornassem ainda mais poderosos.
As redes distribuídas (Wide Area Network- WANs) se difundiram por todo o mundo, permitindo o acesso a outros sistemas de computação, independentemente de estado, país e, ate mesmo, fabricante. Nesse contexto são desenvolvidos inúmeros protocolos de rede, alguns proprietários, como o DECnet da DEC e o SNA (System Network Architecture) da IBM, e outros de domínio público, como o TCP/IP e o CCITT X.25. Surgem as primeiras redes locals (Local Area Network—LANs) interligando pequenas áreas. Os softwares de rede passaram a estar intimamente relacionados ao sistema operacional e surgem os sistemas operacionais de rede.
Quinta Fase (1991- )
Grandes avanços em termos de hardware, software e telecomunicações podem ser esperados ate o final deste século. Essas mudanças são conseqüência da evolução das aplicações, que necessitam cada vez mais de capacidade de processamento e armazenamento de dados. Sistemas especialistas, sistemas multimídia, banco de dados distribuídos, inteligência artificial e redes neurais são apenas alguns exemplos da necessidade cada vez major.
A evolução da microeletrônica permitirá o desenvolvimento de processadores e memórias cada vez mais velozes e baratos, Além de dispositivos menores, mais rápidos e com major capacidade de armazenamento. Os componentes baseados em tecnologia VLSI (Very Large Scale Integration) evoluem rapidamente pare o ULSI (Ultra Large Scale Integration).
Os computadores da próxima geração têm de ser muito mais eficientes que os atuais, pare atender o volume cada vez major de processamento. Para isso, está ocorrendo uma mudança radical na filosofia de projeto de computadores. Arquiteturas paralelas, baseadas em organizações de multiprocessadores não convencionais, já se encontram em desenvolvimento em varies universidades e centros de pesquisa do mundo.
A evolução do hardware encadeará modificações profundas nas disciplines de programação pare fazer melhor uso das arquiteturas paralelas. Assim, novas linguagens e metodologias de programação concorrentes estão sendo desenvolvidas, em particular, fazendo uso extensivo de inteligência artificial e CAD (Computer-Aided Design).
O conceito de processamento distribuído será explorado nos sistemas operacionais, de forma que sues funções estejam espalhadas por vários processadores através de redes de computadores. Isso só será possível devido a redução, ao dos custos de comunicação e ao aumento na taxa de transmissão de dados.
A arquitetura cliente-servidor aplicada basicamente a redes locais passe a ser oferecida em redes distribuídas, permitindo que qualquer pessoa tenha acesso a todo tipo de informação, independentemente de once esteja armazenada. Problemas de segurança, gerência e desempenho tornam-se fatores importantes relacionados ao sistema operacional e a rede.
A década de 90 foi definitiva pare a consolidação dos sistemas operacionais baseados em interfaces gráficas. Apesar da evolução da interface, a forma de interação com os computadores sofrerá, talvez, uma das modificações mais visíveis. Novas interfaces homem-máquina serão utilizadas, como linguagens naturais, sons e imagens, fazendo essa comunicação mais inteligente, simples e eficiente.
Os conceitos e implementações só vistos em sistemas considerados de grande porte estão sendo introduzidos na maioria dos sistemas desktop, como na família Windows da Microsoft, no Unix e no OS/2 da IBM.
FasePrimeira (1945-1955)Segunda (1956-1965)Terceira (1966-1980)Quarta (1981-1990)Quinta (1991- )ComputadoresENIAC
EDVAC
UNIVAKNCR
IMB 7094
CDC-6600
IBM 360, 370
PDP-11
Cray 1
Cyber-205
Cray XMP
IBM 308
VAX-11
IBM-PC
IBM 3090
Alpha AXP
Pentium
Sun SPARC
HardwareVálvulas
Tambor Magnético
Tubos de raios catódicos
Transistor
Memória Magnética
Circuito Integrado
Disco Magnético
Minicomputador
Microprocessador
LSI ou VLSI
Disco óptico
Microcomputador
Ultra-LSI
Arquiteturas Paralelas
Circuto Integrado 3-D
SoftwareLinguagem de Máquina
Linguagem assembly
Linguagem de Alto Nível
Processamento Batch
Linguagem Estruturadas
Multiprogramação
Time-Sharing
Computação Gráfica
Multiprocessamento
Sistemas Especialistas
Linguagens orientadas a objetos
Processamento Distribuído
Linguagens concorrentes
Programação funcional
Linguagens naturais
TelecomunicaçõesTelefone
Teletipo
Transmissão DigitalComunicação via satélite
Microondas
Redes distribuídas(WAN)
Fibra óptica
Redes Locais (LAN)
Internet
Redes Locais estendidas(ELAN)
Redes sem fio
Modelo cliente-servidor
Desempenho10 ips200.000 ips5 Mips30 Mips1 Gflops
1 TflopsTabela SEQ Tabela \* ARABIC 1 - Características de cada fase
Conceitos de Hardware e Software
Hardware
Um computador digital é constituído por um conjunto de componentes interligados, composto por processadores, memória principal e dispositivos físicos (hardware). Esses dispositivos manipulam dados na forma digital, o que proporciona uma maneira confiável de representação.
Todos os componentes de um computador são agrupados em três subsistemas básicos: unidade central de processamento (UCP), memória principal, e dispositivos de entrada e saída ( REF _Ref426541306 \h Figura 5. Estes subsistemas, também chamados de unidades funcionais, estão presentes em todo computador digital, apesar de suas implementações variarem nas diferentes arquiteturas existentes e comercializadas pelos diversos fabricantes de computadores. Neste item descrevemos os conceitos básicos dos principais componentes desses sistema.
Unidade Central de Processalmento
A unidade central de processamento (UCP), ou processador, tem como função principal unificar todo o sistema, controlando as funções realizadas por cada unidade funcional. AUCP também é responsável pela execução de todos os programas do sistema, que obrigatoriamente deverão estar armazenados na memória principal.
Um programa é composto por uma série de instruções que são executadas sequencialmente pela UCP, através de operações básicas como somar, subtrair, comparar e movimentar dados. Desta forma, a UCP busca cada instrução na memória principal e a interpreta para sua execução.
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Figura SEQ Figura \* ARABIC 5 - Unidades funcionais de um computador
A UCP é composta por dois componentes básicos: unidade de controle e unidade lógica aritmética. A Unidade de controle (UC) é responsável por controlar as atividades de todos os componentes do computador, mediante a emissão de pulsos elétricos (sinais de controle) gerados por um dispositivo denominado clock. Este controle pode ser a gravação de um dado no disco ou a busca de uma instrução da memória. A unidade lógica e aritmética (ULA), como o nome indica, é responsável pela realização de operações lógicas (testes e comparações) e aritméticas (somas e subtrações).
A especificação da velocidade de processamento de uma UCP é determinada pelo número de instruções que o processador executa por unidade de tempo, normalmente segundo. Alguns fabricantes utilizam unidade processamento próprias, já que não existe uma padronização, sendo as mais comuns o MIPS (milhões de instruções por segundo) e o MFLOPS/GFLOPS (milhões/bilhões de instruções de ponto flutuante por segundo). A mostra alguns processadores e suas respectivas velocidades de processamento.
Intel 80386Intel 80486Item PentiumItem Pentium ProVelocidade de Processamento5 MIPS20 MIPS100 MIPS250 MIPSTabela SEQ Tabela \* ARABIC 2 - Velocidade de processamento de alguns computadores.
Clock
O clock e um dispositivo, localizado na UCP, que gera pulsos elétricos síncronos em um determinado intervalo de tempo (sinal de clock). A quantidade de vezes que este pulso se repete em um segundo define a freqüência do clock. O sinal de clock e utilizado pela unidade de controle pare a execução, das instruções.
A freqüência do clock de um processador e medida em Hertz (Hz), que significa o número de pulsos elétricos gerados em um segundo de tempo. A freqüência também pode ser utilizada como unidade de desempenho entre diferentes processadores, pods quanto major a freqüência, mais instruções podem ser executadas pela UCP em um mesmo intervalo de tempo.
Registradores
Os registradores são dispositivos de alta velocidade, localizados fisicamente na UCP, pare armazenamento temporário de dados. O número de registradores varia em função da arquitetura de cada processador. Alguns registradores são de uso específico e têm propósitos especiais, enquanto outros são ditos de uso geral.
Entre os registradores de uso específico, merecem destaque:
contador de instruções (CI) ou program counter (PC) e o registrador responsável pelo armazenamento do endereço da próxima instrução que a UCP deverá executar. Toda vez que a UCP execute uma instrução, o PC e atualizado com um novo endereço;
o apontador da pilha (AP) ou stack pointer (SP) e o registrador que contémemóriam o endereço de memória do topo da pilha, que e a estrutura de dados onde o sistema mantém informações sobre tarefas que estavam sendo processadas e tiveram que ser interrompidas por algum motivo;
o registrador de estado, também chamado em alguns equipamentos de program status word (PSW), e o registrador responsável por armazenar informações sobre a execução do programa, como a ocorrência de carry e overflow. A cada instrução executada, o registrador de estado e alterado conforme o resultado gerado pela instrução.
Memória Principal
A memória principal, também conhecida como memória primária ou real, e a parte do computador onde são armazenados instruções e dados. Ela e composta por unidades de acesso chamadas células, sendo cada célula composta por um determinado número de bits (binary digit). O bit e a unidade básica de memória, podendo assumir o valor 0 ou 1. Atualmente, a grande maioria dos computadores utilize o byte (8 bits) como tamanho de célula, porém encontramos computadores de gerações passadas com células de 16, 32 e ate mesmo 60 bits. Podemos concluir, então, que a memória, e formada por um conjunto de células, onde cada célula possui um determinado número de bits ( REF _Ref426541266 \h Figura 6).
Figura SEQ Figura \* ARABIC 6 - Memória principal
O acesso ao conteúdo de uma célula e realizado através da especificação, ao de um número chamado endereço. O endereço e uma referência única, que podemos fazer a uma célula de memória Quando um programa deseja ler ou escrever um dado em uma célula, deve primeiro especificar qual o endereço de memória desejado, pare depois realizar a operação.
A especificação, ao do endereço, o e realizada através de um registrador denominado registrador de endereço de memória (memory register address - MAR). através do conteúdo deste registrador, a unidade de controle sabe qual a célula de memória que será acessada. Outro registrador usado em operações com a memória e o registrador de dados da memória (memory buffer register—MBR) . Este registrador e utilizado pare guardar o conteúdo de uma ou mais células de memória após uma operação de leitura, ou pare guardar o dado que será transferido pare a memória em uma operação de gravação. Este ciclo de leitura e gravação e mostrado na REF _Ref426543840 \h Figura 7.
Operação de LeituraOperação de gravação1. A UCP armazena no MAR, o endereço da célula a ser lida.
2. A UCP gera um sinal de controle pare a memória principal, indicando que uma operação de leitura deve ser realizada.
3. 0 conteúdo da(s) célula(s), identificada(s) pelo endereço contido no MAR, e transferido pare o MBR.
1. A UCP armazena no MAR, o endereço da célula que será gravada.
2. A UCP armazena no MBR, a informação que deverá ser gravada.
3. A UCP gera um sinal de controle pare a memória principal, indicando que uma operação de gravação deve ser realizada.
4. A informação contida no MBR e transferida pare a célula de memória endereçada pelo MAR.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 7 - Ciclo de leitura e gravação
A capacidade de uma memória e limitada pelo tamanho do MAR. No caso de o registrador possuir n bits, a memória principal poderá no máximo endereçar 2n células, isto é , do endereço 0 ao 2n-1.
A memória principal pode ser classificada em função de sue volatilidade, que e a capacidade de a memória preservar o seu conteúdo mesmo sem uma fonte de alimentação, ao ativa. As memórias chamadas voláteis se caracterizam por poderem ser lidas ou gravadas, como o tipo RAM (random access memory), que constitui quase que a totalidade da memória principal de um computador. O outro tipo, chamado de não volátil, não permite alterar ou apagar seu conteúdo. Este tipo de memória conhecido como ROM (read-only memory), já vem pré-gravado do fabricante, geralmente com algum programa, e seu conteúdo e preservado mesmo quando a alimentação e desligada. Uma variação da ROM e a EPROM (erasable programmable ROM), once podemos gravar e regravar a memória através exposição de luz ultravioleta por um dispositivo especial.
Atualmente, uma série de memórias com diferentes características, existe pare diversas aplicações, como a EEPROM, EAROM, EAPROM, NOVRAM entre outras.
Memória Cache
A MEMÓRIA cache e uma memória volátil de alta velocidade. O tempo de acesso a um dado nela contido e muito menor que se o mesmo estivesse na memória principal.
Toda vez que o processador fez referência a um dado armazenado na memória principal, ele "olha" antes na memória cache. Se o processador encontrar o dado na cache, não ha necessidade do acesso a memória principal; do contrário, o acesso e obrigatório Neste último cave, o processador, a partir do dado referenciado, transfere um bloco de dados pare a cache. O tempo de transferência entre as memórias e pequeno, se comparado com o aumento do desempenho obtido com a utilização, ao desse tipo de memória.
Apesar de ser uma memória de acesso rápido, seu uso e limitado em fun,cao do alto custo. A Tabela 2.2 mostra a relação entre as memórias cache e principal em alguns equipamentos.
HP 9000/855SIBM 3090/600SVAX 9000/440Tamanho máximo
memória principal256 Mb512 Mb512 MbTamanho máximo
Memória cache256 Kb128 Kb por UCP128 Kb por UCPTabela SEQ Tabela \* ARABIC 3 - Relação entre as memórias cache e principal
Memória Secundária
A memória secundária e um meio permanente (não volátil) de armazenamento de programas e dados. Enquanto a memória principal precisa estar sempre energizada pare manter sues informações, a memória secundária não precise de alimentação.
O acesso a memória secundária e lento, se comparado com o acesso a memória cache ou à principal, porém seu custo e baixo e sua capacidade de armazenamento e bem superior a da memória principal. Enquanto a unidade de acesso a memória secundária e da ordem de milissegundos, o acesso a memória principal e de nanossegundos. Podemos citar, como exemplos de memórias secundárias, a fita magnética, o disco magnético e o disco óptico.
A REF _Ref426546328 \h Figura 8 mostra a relação entre os diversos tipos de dispositivos de armazenamento apresentados, comparando custo, velocidade e capacidade de armazenamento.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 8 - Relação entre os diversos tipos de dispositivos de armazenamento.
Dispositivos de Entrada e Saída
Os dispositivos de entrada e saída (E/S) são utilizados pare permitir a comunicação entre o computador e o mundo externo. Através desses dispositivos, a UCP e a memória principal podem se comunicar, tanto com usuários quanto com memórias secundárias, a fim de realizar qualquer tipo de processamento.
Os dispositivos de E/S podem ser divididos em duas categorias: os que são utilizados como memória secundária e os que servem pare a interface homem-máquina.
Os dispositivos utilizados como memória secundária, como discos e fitas magnéticas se caracterizam por armazenar de três a quatro vezes mais informações que a memória principal. Seu custo e relativamente baixo, porém o tempo de acesso a memória secundária e de quatro a seis vezes major que o acesso a memória principal.
Alguns dispositivos servem pare a comunicação, ao homem-máquina, como teclados, monitores de vídeo, impressoras, plotters, entre outros. Com o avanço no desenvolvimento de aplicações de uso cada vez mais geral, procure-se aumentar a facilidade de comunicação entre o usuário e o computador. A implementação, de interfaces mais amigáveis permite, cada vez mais, que pessoas sem conhecimento específico sobre informática possam utilizar o computador. Scanner, caneta ótica, mouse, dispositivos sensíveis a voz humana e ao calor do corpo humano são alguns exemplos desses tipos de dispositivos.
Barramento
A UCP, a memória principal e os dispositivos de E/S são interligados através de linhas de comunicação denominadas barramentos, barras ou vias. Um barramento (bus) e um conjunto de fios paralelos (linhas de transmissão), onde trafegam informações, como dados, endereços ou Sinais de controle. Ele pode ser classificado como unidirecional (transmissão em um só sentido) ou bidirecional (transmissão em ambos os sentidos).
Na ligação entre UCP e memória principal, podemos observar que três barramentos são necessários pare que a comunicação seja realizada. O barramento de dados transmite informações entre a memória principal e a UCP. O barramento de endereços e utilizado pela UCP pare especificar o endereço, o da célula de memória que será acessada. Finalmente , o barramento de controle e por onde a UCP envia os pulsos de controle relativos as operações de leitura e gravação.
Na Fig. 2.5, podemos observar dois tipos de configuracões, onde UCP, memória principal e dispositivos de E/S são interligados de maneira diferente.
Pipelining
O conceito de processamento pipeline se assemelha muito a uma linha de montagem, onde uma tarefa e dividida em uma seqüência de subtarefas, executadas em diferentes estágios, dentro da linha de produção.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 9 - Configurações de sistema
Da mesma forma que em uma linha de montagem, a execução de uma instrução pode ser dividida em subtarefas, como as fases de busca da instrução e dos operandos, execução e armazenamento dos resultados. O processador, através de suas várias unidades funcionais pipeline, funciona de forma a permitir que, enquanto uma instrução se encontra na fase de execução possa estar na fase de busca simultaneamente.
A técnica de pipelining pode ser empregada em sistemas com um ou mais processadores, em diversos níveis, e tem sido a técnica de paralelismo mais utilizada para maior desempenho dos sistemas de computadores.
Ativação e desativação do Sistema
O sistema operacional é essencial para o funcionamento de um computador. Sem ele, grande parte dos recursos do sistema não estaria disponível, ou se apresentaria de uma forma complexa para utilização pelos usuários.
Toda vez que um computador é ligado, é necessário que o sistema operacional seja carregado da memória secundária para a memória principal. Esse processo, denominado ativação do sistema (boot), é realizado por um programa localizado em um posição especifíca do disco (disco block), geralmente o primeiro bloco. O procedimento de ativação varia em função do equipamento, podendo ser realizado através do teclado, de um terminal ou por manipulação de chaves de um painel ( REF _Ref426551293 \h Figura 10).
Figura SEQ Figura \* ARABIC 10 - Ativação do sistema
Além da carga do sistema operacional, a ativação do sistema também consiste na execução de arquivos de inicialização. Nestes arquivos são especificados procedimentos de inicialização de hardware e software específicos para cada ambiente.
Na maioria dos sistemas, também existe o processo de desativação (shutdown). Este procedimento permite que as aplicações e componentes do sistema sejam desativados de forma ordenada. Garantindo a integridade do sistema.
Arquiteturas RISC e CISC
Um processador com arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) se caracteriza por possuir poucas instruções de máquina, em geral bastante simples, que são executadas diretamente pelo hardware. Na sua maioria, estas instruções não acessam a memória principal, trabalhando principalmente com registradores que, neste tipo de processador, se apresentam em grande número. Estas características, além de ajudarem as instruções serem executadas em alta velocidade, facilitam a implementação do pipeline. Como exemplos de processaores RISC podemos citar o Sparc (SUN), RS-6000 (IBM), PA-RISC (HP), Alpha AXP (DEC) e Rx000 (MIPS).
Os processadores CISC (Complex Instruction Set computers) já possuem instruções complexas que são interpretadas por microprogramas. O número de registradores é pequeno e qualquer instrução pode referenciar a memória principal. Neste tipo de arquitetura, a implementação do pipeline é mais difícil. São exemplos de processadores CISC o VAX (DEC), 80x86 e o Pentium (Intel), e o 68xx (Motorola).
Software
O Hardware por si só não tem a menor utilidade. Para torná-lo útil existe um conjunto de programas, utilizado como interface entre as necessidades do usuário e as capacidades do hardware. A utilização de softwares adequados às diversas tarefas e aplicações (conceitos de camadas) torna o trabalho do usuários muito mais simples e eficiente.
Tradutor
Nos sistemas operacionais antigos, o ato de programar era bastante complicado, já que o programador deveria possuir conhecimento do hardware e programar em painéis através de fios. Esses programas eram desenvolvidos em linguagem de máquina e carregados diretamente na memória principal para execução.
Com o surgimento das primeiras linguagens de montagem (assembly languages) e das linguagens de alto nível, o programador deixou de se preocupar com muitos aspectos pertinentes ao hardware, como em qual região da memória o programa deveria ser carregado ou quais endereços de memória seriam reservados para as variáveis. A utilização dessas linguagens facilitou a construção de programas em muitos aspectos. Desse modo, um programa poderia ser escrito de uma forma bem documentada e com facilidades para realizar alterações.
O tradutor, pelo tipo de linguagem de programação utilizada, pode ser chamado de montador ou compilador ( REF _Ref426553071 \h Figura 11).
Figura SEQ Figura \* ARABIC 11 - Tradutor
Compilador
É o utilitário responsável por gerar, a partir de um programa escrito em uma linguagem de alto nível, um programa em linguagem de máquina não executável.
As linguagens de alto nível, como pascal, fortran, cobol não tem nenhuma relação direta com a máquina, ficando essa preocupação exclusivamente com o compilador.
Interpretador
O interpretador é considerado um tradutor que não gera código-objeto. A partir de um programa fonte, escrito em linguagem de alto nível, o interpretador, no momento da execução do programa, traduz cada instrução e a executa em seguida.
Linker
O linker (ligador), também chamado de linkagem, é o utilitário responsável por gerar, a partir de um ou mais módulos-objetos, um único programa executável.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 12 - Linker.
Loader
Também chamado carregador é o utilitário responsável por colocar fisicamente na memória um programa para execução. O procedimento de carga varia com o código gerado pelo linker e, em função deste, o loader é classificado como sendo do tipo absoluto ou relocável.
Tipo absoluto - o loader só necessita conhecer o endereço de memória inicial e o tamanho do módulo para realizar o carregamento. Então, ele transfere o programa da memória secundária para a memória principal e inicia sua execução.
No caso de código relocável, o programa pode ser carregado em qualquer posição de memória, e o loader é responsável pela relocação no momento do carregamento.
Depurador
O desenvolvimento de programas está sujeito a erros de lógica, independentemente de metodologias utilizadas pelo programador. A depuração é um dos estágios desse desenvolvimento, e a utilização de ferramentas adequadas é essencial para acelerar o processo de correção de programas.
O depurador (debbuger) é o utilitário que permite ao usuário controlar a execução de um programa a fim de detectar erros na sua estrutura. Este utilitário oferece ao usuário recursos como:
Acompanhar a execução de um programa instrução por instrução;
Possibilitar a alteração e visualização do conteúdo de variáveis;
Implementar pontos de parada dentro do programa (break-point), de forma que, durante a execução, o programa pare nesses pontos;
Especificar que, toda vez que o conteúdo de uma variável for modificado, o programa envie uma mensagem (watchpoint).
Linguagem de Controle
Também denominada a linguagem de comando, e a forma mais direta de um usuário se comunicar com o sistema operacional. Esta linguagem é oferecida por cada sistema operacional para que, através de comandos simples, o usuário possa ter acesso a rotinas especificas do sistema.
Interpretador de Comandos (Shell)
O sistema operacional é o código executor de chamadas de sistema. Os editores, compiladores, montadores, ligadores e interpretadores de comando não fazem parte do sistema operacional, apesar de serem softwares muito importantes e muito úteis. Esses comandos quando digitados pelos usuários, são interpretados pelo Shell, verifica sua sintaxe, envia mensagens de erro e faz chamadas a rotinas do sistema. Dessa forma o usuário dispõe de uma interface interativa com o sistema operacional, para realizar tarefas como acessar uma arquivo em disco ou consultar um diretório.
Linguagem de Máquina
A linguagem de máquina de um computador é a linguagem de programação que o processador realmente consegue entender. Cada processador possui um conjunto único de instruções de máquina, definido pelo próprio fabricante. As instruções especificam detalhes, como registradores, modos de endereçamento e tipos de dados, que caracterizam um processador e suas potencialidades.
Microprogramação
Um programa em linguagem de máquina é executado diretamente pelo hardware em processadores de arquitetura RISC, porém em máquinas CISC isto não acontece. Neste caso, como podemos observar na REF _Ref426553537 \h Figura 3, entre os níveis de linguagem de máquina e do hardware, existem ainda o da microprogramação.
Os microprogramas definem a linguagem de máquina de cada computador. Apesar de cada computador possui níveis de microprogramação diferentes, existem muitas semelhanças nessa camada se compararmos os diversos equipamentos. Uma máquina possui, aproximadamente 25 microintruções básicas, que são interpretadas pelos circuitos eletrônicos.
Processos
Um conceito chave da teoria dos sistemas operacionais é o conceito de processo. Um processo é basicamente um programa em execução, sendo constituído do código executável, dos dados referentes ao código.
Chamadas de Sistema
Os programas de usuário solicitam serviços do sistema operacional através da execução de chamadas de sistema. A cada chamada corresponde um procedimento de uma biblioteca de procedimentos que o programa do usuário pode chamar.
Arquivos
Arquivos são mecanismos de abstração que fornece uma forma de armazenar recuperar informações em disco. Isto deve ser feito de uma forma que mantenha o usuário isolado dos detalhes a respeito de como as informações são armazenadas, e de como os discos efetivamente trabalha.
Tipos de Sistemas Operacionais
Introdução
Tipos de sistemas operacionais e sua evolução estão intimamente relacionados com a evolução do hardware e das aplicações por ele suportadas.
Muitos termos inicialmente introduzidos para definir conceitos e técnicas forma substituídos por outros, na tentativa de refletir uma nova maneira de interaçã ou ou processamento. Isto fica muito claro quanto tratamos da unidade de execução do processador. Inicialmente, os termos programa ou job eram os mais utilizados, depois surgiu o conceito de processo e subprocesso e, mais recentemente, os conceitos de tarefa e de thread.
A evolução dos sistemas operacionais para computadores pessoais e estações de trabalho popularizou vários conceitos e técnicas, antes só conhecidos em ambientes de grande porte. A nomenclatura, no entanto, não se manteve a mesma. Surgiram novos termos para conceitos já conhecidos, que foram apenas adaptados para uma nova realidade.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 13 - Tipos de sistemas operacionais
Tipos de Sistemas Operacionais
Sistemas Monoprogramáveis/Monotarefa
Sistemas Multiprogramáveis/Multitarefa
Sistemas Batch
Sistemas de Tempo Compartilhado
Sistemas de Tempo Real
Sistemas com Múltiplos Processadores
Sistemas Fortemente Acoplados
Sistemas Simétricos
Sistemas Assimétricos
Sistemas Fracamente Acoplados
Sistemas Operacionais de Rede
Sistemas Operacionais Distribuídos
Sistemas Monoprogramáveis/Monotarefa
Os primeiros sistemas operacionais eram tipicamente voltados para a execução de um único programa (job). Qualquer outro programa, para ser executado, deveria aguardar o término do programa corrente. Os sistemas monoprogramáveis, como vieram a ser conhecidos, se caracterizam por permitir que o processador, a memória e os periféricos permaneçam exclusivamente dedicados à execução de um único programa.
Neste tipo de sistema, enquanto um programa aguarda por um evento, como a digitação de um dado, o processador permanece ocioso, sem realizar qualquer tipo de processamento. A memória é subtilizada caso o programa não a preencha totalmente, e os periféricos, como discos e impressoras, estão dedicados a um único usuário.
Comparados a outros sistemas, os sistemas monoprogramáveis/monotarefa são de simples implementação, não existindo muita preocupação com problemas de proteção.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 14 - Sistemas monoprogramáveis/monotarefa
Sistemas Multiprogramáveis/Multitarefa
Os Sistemas Multiprogramáveis, que vieram a substituir os monoprogramáveis, são mais complexos e eficientes. Enquanto em sistemas monoprogramáveis existe apenas um programa utilizando seus diversos recursos, nos multiprogramáveis vários programas dividem esses mesmos recursos.
As vantagens do uso de sistemas multiprogramáveis são o aumento da produtividade dos seus usuários e a redução de custos, a partir do compartilhamento dos diversos recursos do sistema.
A partir do número de usuários que interagem com o sistema, podemos classificar os sistemas multiprogramáveis como monousuário e multiusuário.
O conceito de sistemas multiprogramável está tipicamente associado aos mainframes e minicomputadores, onde existe a idéia do sistema sendo utilizado por vários usuários (multiusuário). No mundo dos computadores pessoais e estações de trabalho, apesar de existir apenas um único usuário interagindo como sistema (monousuário), é possível que ele execute diversas tarefas concorrentemente ou mesmo simultaneamente. Os sistemas multitarefa, como também são chamados, se caracterizam por permitir que o usuário edite um texto, imprima um arquivo, copie um arquivo pela rede e calcule uma planilha. Abaixo estão relacionados os tipos de sistemas em função do número de usuários
Um usuárioDois ou mais usuáriosMonoprogramação/
MonotarefaMonousuárioN/AMultiprogramação/
MultitarefaMonousuárioMultiusuárioTabela SEQ Tabela \* ARABIC 4 - Sistemas X Usuários
Os sistemas multiprogramáveis/multitarefa podem ser classificados pela forma com que suas aplicações são gerenciadas, podendo ser divididos em sistemas batch, de tempo compartilhado ou de tempo real. Um sistema operacional pode suportar um ou mais desses tipos de processamento.
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Figura SEQ Figura \* ARABIC 15 - Tipos de sistemas multiprogramáveis/multitarefa
Sistemas Batch
Os sistemas batch (lote) foram os primeiros sistemas multiprogramáveis a serem implementados e caracterizam-se por terem seus programas, quando submetidos, armazenados em disco ou fita, onde esperam para ser executados seqüencialmente.
Normalmente, os programas, também chamados de jobs, não exigem interação com os usuários, lendo e gravando dados em discos e fitas. Alguns exemplos de aplicações originalmente processadas em batch são compilações, linkedições, sorts, backups e todas aquelas onde não é necessária a interação com o usuário.
Sistemas de Tempo Compartilhado
Os sistemas de tempo compartilhado (time-sharing) permitem a interação dos usuários com o sistema, basicamente através de terminais que incluem vídeo, teclado e mouse. Dessa forma, o usuário pode interagir diretamente com o sistema em cada fase do desenvolvimento de suas aplicações e, se preciso, modificá-las imediatamente. Devido a esse tipo de interação, os sistemas de tempo compartilhado também ficaram conhecidos como sistemas on-line.
Para cada usuário, o sistema operacional aloca uma fatia de tempo (time-slice) do processador. Caso o programa do usuário não esteja concluído nesse intervalo de tempo, ele é substituído por um de outro usuário, e fica esperando por uma nova fatia de tempo. Não só o processador é compartilhado nesse sistema, mas também a memória e os periféricos, como discos e impressoras. O sistema cria para o usuário um ambiente de trabalho próprio, dando a impressão de que todo o sistema está dedicado, exclusivamente, a ele.
Sistemas de tempo compartilhado são de implementação complexa, porém, se levado em consideração o tempo de desenvolvimento e depuração de uma aplicação, aumentam consideravelmente a produtividade dos seus usuários, reduzindo os custos de utilização do sistema.
Sistemas de Tempo Real
Os sistemas de tempo real (real time) são bem semelhantes em implementação aos sistemas de tempo compartilhado. A maior diferença é o tempo de resposta exigido no processamento das aplicações.
Enquanto em sistemas de tempo compartilhado o tempo de resposta pode variar sem comprometer as aplicações em execução, nos sistemas de tempo real os tempos de resposta devem estar dentro de limites rígidos, que devem ser obedecidos, caso contrário poderão ocorrer problemas irreparáveis.
Não existe idéia de fatia de tempo, um programa detém o processador o tempo que for necessário, ou até que apareça outro prioritário em função de sua importância no sistema. Esta importância ou prioridade de execução é controlada pela própria aplicação e não pelo sistema operacional, como nos sistemas de tempo compartilhado.
Esses sistemas, normalmente, estão presentes em controle de processos, como no monitoramento de refinarias de petróleo, controle de tráfego aéreo, de usinas termelétricas e nucleares, ou em qualquer aplicação onde o tempo de resposta é fator fundamental.
Sistemas com Múltiplos Processadores
Os sistemas com múltiplos processadores caracterizam-se por possuir duas ou mais UCPS interligadas, trabalhando em conjunto. Um fator-chave no desenvolvimento de sistemas operacionais com múltiplos processadores é a forma de comunicação entre as UCPs e o grau de compartilhamento da memória e dos dispositivos de entrada e saída. Em função desses fatores, podemos classificar os sistemas em fortemente acoplados ou fracamente acoplados.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 16 - Sistemas com múltiplos processadores.
Sistemas Fortemente Acoplados
Nos sistemas fortemente acoplados (tightly coupled) existem vários processadores compartilhando uma única memória e gerenciados por apenas um sistema operacional. Múltiplos processadores permitem que vários programas sejam executados ao mesmo tempo, ou que um programa seja dividido em subprogramas, para execução simultânea em mais de um processador. Dessa forma, é possível ampliar a capacidade de computação de um sistema, adicionando-se apenas novos processadores, com um custo muito inferior à aquisição de outros computadores.
Com o multiprocessamento, novos problemas de concorrência foram introduzidos, pois vários processadores podem estar acessando as mesmas áreas de memória. Além disso, existe o problema de organizar de forma eficiente os processadores, a memória e os periféricos.
Uma conseqüência do multiprocessamento foi o surgimento dos computadores voltados, principalmente, para processamento científico, aplicado, por exemplo, ao desenvolvimento aeroespacial, prospeção de petróleo, simulações, processamento de imagens e CAD. A princípio qualquer aplicação que faça uso intensivo da UCP será beneficiada pelo acréscimo de processadores ao sistema.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 17 - Sistemas fortemente acoplados
Figura SEQ Figura \* ARABIC 18 - Sistemas fracamente acoplados
Sistemas Assimétricos
Na organização assimétrica ou mestre/escravo(master/slave), somente um processador (mestre) pode executar serviços do sistema operacional, como, por exemplo, realizar operações de entrada/saída. Sempre que um processador do tipo escravo precisar realizar uma operação de entrada/saída, terá de requisitar o serviço ao processador mestre. Dependendo do volume de operações de entrada/saída destinadas aos processadores escravos, o sistema pode se tornar ineficiente, devido ao elevado número de interrupções que deverão ser tratadas pelo mestre.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 19 - Sistemas assimétricos.
Se o processador falhar, todo o sistema ficará incapaz de continuar o processamento. Neste caso, o sistema deve ser reconfigurado, fazendo um dos processadores escravos assumir o papel do mestre.
Mesmo sendo uma organização simples de implementar e quase um extensão dos sistemas multiprogramáveis, esse tipo de sistema não utiliza eficientemente o hardware, devido à assimetria dos processadores, que não realizam as mesmas funções.
Sistemas Simétricos
O multiprocessamento simétrico (Simmetric Multiprocessing- SMP), ao contrário da organização mestre/escravo, implementa a simetria dos processadores, ou seja, todos os processadores realizam as mesmas funções. Apenas algumas poucas funções ficam a cargo de um único processador, como, por exemplo, a inicialiazação (boot) do sistema.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 20 - Sistemas simétricos.
Como vários processadores estão utilizando, independentemente, a mesma memória e o mesmo sistema operacional, é natural a ocorrência de acessos simultâneos às mesmas áreas de memória. A solução desses conflitos fica a cargo do hardware e do sistema operacional.
No processamento simétrico, um programa pode ser executado por qualquer processador, inclusive por vários processadores ao mesmo tempo (paralelismo). Além disso, quando um processador falha, o sistema continua em funcionamento sem nenhuma interferência manual, porém com menor capacidade de computação.
Os sistemas simétricos são mais poderosos que os assimétricos, permitindo um melhor balanceamento do processamento e das operações de entrada/saída, apesar de sua implementação ser bastante complexa.
Multiprocessamento
Desde sua criação, os computadores têm sido vistos como máquinas seqüências, onde a UCP executa a instruções de um programa, uma de cada vez. Na realidade, essa visão não é totalmente verdadeira, pois, em nível de hardware, múltiplos sinais estão ativos simultaneamente, o que pode ser entendido como uma forma de paralelismo.
Com a implementação de sistemas com múltiplos processadores, o conceito de simultaneidade ou paralelismo pode ser expandido a um nível mais amplo, denominado multiprocessamento, onde uma tarefa pode ser dividida e executada, ao mesmo tempo, por mais de um processador.
Organização Funcional
O esquema de comunicação interna das UCPs, memória e dipositivos de E/S (unidades funcionais) é fundamental no projeto de sistemas com múltiplos processadores, pois termina quantas UCPs o sistema poderá ter e como será o acesso à memória.
Para permitir múltiplos acessos simultâneos à memória (interliving), é comum que esta dividida em módulos, podendo assim ser compartilhada por várias unidades funcionais. As organizações funcionais de multiprocessadores podem ser divididas basicamente em três tipos: barramento comum, barramento cruzado e memória multiport.
Sistemas Fracamente Acoplados
Os sistemas fracamente acoplados caracterizam-se por possuir dois ou mais sistemas de computação interligados, sendo que cada sistema possui o seu próprio sistema operacional, gerenciando os seus recursos, como processador, memória e dispositivos de entrada/saída.
Até meados da década de 80, os sistemas operacionais e as aplicações suportadas por eles eram tipicamente concentradas em sistemas de grande porte, com um ou mais processadores. Nos sistemas centralizados, os usuários utilizam terminais não inteligentes conectados a linhas seriais dedicadas ou linhas telefônicas públicas para a comunicação interativa com esses sistemas.
No modelo centralizado, os terminais não têm capacidade de processamento. Sempre um usuário deseja alguma tarefa, o pedido é encaminhado ao sistema, que realiza o processamento e retorna uma resposta, utilizando as linhas de comunicação.
Com a evolução dos computadores pessoais e das estações de trabalho, juntamente com o avanço das telecomunicações e da tecnologia de redes, surgiu um novo modelo de computação, chamado de modelo de rede de computadores.
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Figura SEQ Figura \* ARABIC 21- Sistemas fracamente acoplados
Sistemas Operacionais de Rede
Em sistemas operacionais de rede (SOR), cada nó possui seu próprio sistema operacional, além de um hardware e software que possibilitam ao sistema ter acesso a outros componentes da rede, compartilhando seus recursos. O SOR permite entre outras funções:
Cópia remota de arquivos
Emulação de terminal
Impressão remota
Gerência remota
Correio eletrônico.
Cada nó é totalmente independente do outro, podendo inclusive possuir sistemas operacionais diferentes. Caso a conexão entre os nós sofra qualquer problema, os sistemas podem continuar operando normalmente, apesar de alguns recursos se tornarem indisponíveis.
O melhor exemplo da utilização dos sistemas operacionais de rede são as redes locais. Nesse ambiente, cada estação pode compartilhar seus recursos com o restante da rede. Caso uma estação sofra qualquer, os demais componentes da rede podem continuar o processamento, apenas não dispondo dos recursos oferecidos por ela.
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Figura SEQ Figura \* ARABIC 22 - Sistemas operacionais de rede.
Sistemas Operacionais distribuídos
Em sistemas distribuídos, cada componente da rede também possui seu próprio sistema operacional, memória, processador e dispositivos. O que define um sistema distribuído é a existência de um relacionamento mais forte entre os seus componentes, onde geralmente os sistemas operacionais são os mesmos. Para o usuário e suas aplicações, é como se não existisse uma rede de computadores, mas sim um único sistema centralizado.
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Figura SEQ Figura \* ARABIC 23 - Sistemas Operacionais Distribuídos.
A grande vantagem desses sistemas é a possibilidade do balanceamento de carga, ou seja, quando um programa é admitido para execução, a carga de processamento de cada sistema é avaliada e o processador mais livre é escolhido. Depois de aceito para processamento, o programa é executado no mesmo processador até o seu término. Também é possível o compartilhamento de impressoras, discos e fitas, independentemente do sistema em que a aplicação esteja sendo processada. Este tipo de sistema distribuído é muitas vezes chamado de cluster.
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Figura SEQ Figura \* ARABIC 24 - Cluster.
Suponha, por exemplo, uma configuração de dois computadores (COMP 1 e COMP 2), formando um cluster. Qualquer usuário conectado ao cluster poderá ter acesso aos dispositivos compartilhados, que permitem a ele imprimir uma listagem ou copiar um arquivo. Nesse tipo de configuração, se um dos sistemas falhar, o acesso aos dispositivos não será interrompido.
Os sistemas distribuídos podem ser considerados como uma evolução dos sistemas fortemente acoplados, onde uma aplicação pode ser executada por qualquer processador. Os sistemas distribuídos permitem que uma aplicação seja dividida em diferentes partes (aplicações distribuídas), que se comunicam através de linhas de comunicação, podendo cada parte ser processada em um sistema independente.
Organização Funcional
A organização funcional dos sistemas fracamente acoplados ou topologia define como são interligados fisicamente os diversos sistemas da rede.
Barramento
Na organização de barramento, os sistemas são conectados a uma única linha de comunicação e todos compartilham o mesmo meio, tanto para receber como para enviar mensagens. Esse tipo de organização é utilizada geralmente em redes locais ( REF _Ref426711914 \h Figura 25).
Neste tipo de topologia, caso haja algum problema com o meio de transmissão, todos os nós da rede ficarão incomunicáveis.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 25 - Organização de Barramento
Organização distribuída
Na organização distribuída existem linhas de comunicação ponto-a-ponto que ligam os sistemas e caminhos alternativos entre os diversos nós da rede. Caso uma linha de comunicação apresente problema, linhas alternativas permitirão que a rede continue em funcionamento. Este tipo de organização é utilizada geralmente em redes distríbuídas ( REF _Ref426712095 \h Figura 26).
Figura SEQ Figura \* ARABIC 26 - Organização distribuída
Sistemas Multiprogramáveis
A possibilidade de periféricos funcionarem simultaneamente entre si, juntamente com a UCP, permitiu a execução de tarefas concorrentes, que é o princípio básico para projeto e implementação de sistemas multiprogramáveis. Sistemas operacionais podem ser vistos como um conjunto de rotinas que executam concorrentemente de uma forma ordenada.
Os sistemas multiprogramáveis surgiram de um problema existente nos sistemas monoprogramáveis, que é a baixa utilização de recursos do sistema, como processador, memória e periféricos.
Nos sistemas monoprogramáveis, somente um programa pode estar residente em memória, e a UCP permanece dedicada, exclusivamente, à execução desse programa. Podemos observar que, nesse tipo de sistema, ocorre um desperdício na utilização da UCP, pois enquanto o programa está realizando, por exemplo, uma leitura em disco, o processador permanece sem realizar nenhuma tarefa. O tempo de espera é consideravelmente grande, já que as operações com dispositivos de entrada e saída são muito lentas se comparadas com a velocidade da UCP. Na tabela abaixo, vemos um exemplo de um programa que lê registros de uma arquivo e executa, em média, 100 instruções de máquina por registro lido. Neste caso, o processador gasta 93% do tempo esperando o dispositivo de E/S concluir a operação para continuar o processamento. Em um sistema monoprogramável, a UCP é utilizada em aproximadamente 30% do tempo, enquanto em sistemas multiprogramáveis o tempo de utilização sobre para até 90%.
Leitura de um registro0,0015segundosExecução de 100 instruções0,0001segundosTotal0.0016segundosPercentual de utilização da UCP0,0001= 0,066 = 6,6%0,0015Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 5 - Exemplo de utilização do sistema
Outro aspecto que devemos considerar é a subutilização da memória. Um programa que não ocupe totalmente a memória principal ocasiona a existência de áreas livres, sem utilização.
Nos sistemas multiprogramáveis, vários programas podem estar residentes em memória, concorrendo pela utilização da UCP. Dessa forma, quando um programa solicita uma operação de entrada/saída, outros programas poderão estar disponíveis para utilizar o processador. Nesse caso, a UCP permanece menos tempo ociosa e a memória principal é utilizada de forma mais eficiente, pois existem vários programas residentes se revezando na utilização do processador.
A utilização concorrente da UCP deve ser implementada de maneira que, quando um programa perde o uso do processador e depois retorna para continuar o processamento, seu estado deve ser idêntico ao do momento em que foi interrompido. O programa deverá continuar sua execução exatamente na instrução seguinte àquela em que havia parado, aparentando ao usuário que nada aconteceu. Em sistemas de tempo compartilhado, existe a impressão de que o computador está inteiramente dedicado ao usuário, ficando todo esse mecanismo transparente para ele.
No caso de periféricos, é comum termos, em sistemas monoprogramáveis, impressoras paradas por um grande período de tempo e discos com acesso restrito a um único usuário. Esses problemas são solucionados em sistemas multiprogramáveis, onde é possível compartilhar impressoras entre vários usuários e realizar acesso concorrente a discos por diversos programas.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 27 - Sistema monoprogramável X multiprogramável.
As vantagens de periféricos pela multiprogramação podem ser percebidas segundo o exemplo descrito a seguir, onde consideramos um computador de 256 Kb de memória, com um disco , um terminal e uma impressora. Nesta configuração serão executadas três programas (Prog1, Prog2, e Prog3), que possuem características de processamento descritas na REF _Ref426709585 \h Tabela 6. Nesta tabela, podemos notar que o Prog1 não realiza operações de E/S, enquanto o Prog2 e o Prog3 realizam muitos acessos a periféricos.
CaracterísticasProg1Prog2Prog3Utilização da UCPGrandeBaixaBaixaOperações de E/SPoucasMuitasMuitasTempo para execução5 min.15 min.10 min.Espaço da memória utilizado50 Kb100Kb80KbUtiliza discoNãoNãoNãoUtiliza terminalNãoSimNãoUtiliza impressoraNãoNãoSimTabela SEQ Tabela \* ARABIC 6 - Características dos programas exemplos
Em um ambiente monoprogramável, os programas são executados sequencialmente. Sendo assim, o Prog1 completa em cinco minutos e o Prog2 deve esperar cinco minutos para começar sua execução, que leva 15 minutos. Finalmente, o Prog3 inicia sua execução após 20 minutos e completa seu processamento em 10 minutos, perfazendo um total de 30 minutos para a execução dos programas.
No caso de os programas serem executados concorrentemente, em um sistema multiprogramável, o ganho na utilização do processador, memória, periféricos e no tempo de reposta é considerável, como mostra a REF _Ref426709813 \h Tabela 7.
MonoprogramaçãoMultiprogramaçãoUtilização da UCP17 %33%Utilização da memória30 %67%Utilização do disco33 %67%Utilização da impressora33 %67 %Tempo total para execução dos programas30 min.15 min.Taxa de execução de programas6 prog./hora12 prog./horaTabela SEQ Tabela \* ARABIC 7 - Comparação entre monoprogramação x multiprogramação
Interrupção e Exceção
Durante a execução de um programa, alguns eventos podem ocorrer durante seu processamento, obrigando a intervenção do sistema operacional. Esse tipo de intervenção é chamado interrupção ou exceção e pode ser resultado da execução de instruções do próprio programa, gerado pelo sistema operacional ou por algum dispositivo de hardware. Nestas situações o fluxo de execução do programa é desviado para uma rotina especial de tratamento. O que diferencia uma interrupção de uma exceção é o tipo de evento que gera esta condição.
Uma interrupção é gerada pelo sistema operacional ou por algum dispositivo e, neste caso, independe do programa que está sendo executado. Um exemplo é quando um periférico avisa à UCP que está pronto para transmitir algum dado. Neste caso, a UCP deve interromper o programa para atender a solicitação do dispositivo.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 28 - Mecanismo de interrupção.
Não existe apenas um único tipo de interrupção e sim diferentes tipos que devem ser atendidos por diversas rotinas de tratamento. No momento que uma interrupção acontece, a UCP deve saber para qual rotina de tratamento deverá ser desviado o fluxo de execução. Essa informação está em uma estrutura do sistema chamada vetor de interrupção, que contém a relação de todas as rotinas de tratamento existentes, associadas a cada tipo de interrupção.
A interrupção é o mecanismo que tornou possível a implementação da concorrência nos computadores, sendo o fundamento básico dos sistemas multiprogramáveis. É em função desse mecanismo que o sistema operacional sincroniza a execução de todas as suas rotinas e dos programas dos usuários, além de controlar os periféricos e dispositivos do sistema.
Inicialmente os sistemas operacionais apenas implementavam o mecanismo de interrupção. Com a evolução dos sistemas foi introduzido o conceito de exceção. Uma exceção é resultado direto da execução de uma instrução do próprio programa. Situações como a divisão de um número por zero ou a ocorrência de um overflow caracterizavam essa situação.
A diferença fundamental entre exceção e interrupção é que a primeira é gerada por um evento síncrono, enquanto a segunda é gerada por eventos assíncronos. Um evento é síncrono quando é resultado direto da execução do programa corrente. Tais eventos são previsíveis e, por definição só podem ocorrer um de cada vez. Se um programa que causa esse tipo de evento for reexecutado, com a mesma entrada de dados, a exceção ocorrerá sempre na mesma instrução.
Um evento é dito assíncrono quando ocorre independentemente da execução do programa corrente. Esses eventos, por serem imprevisíveis, podem ocorrer múltiplas vezes simultaneamente, como no caso de diversos dispositivos de E/S informarem à UCP que estão prontos para receber ou transmitir dados.
Operações de Entrada/Saída
Em sistemas mais primitivos, a comunicação entre a UCP e os periféricos era controlada por um conjunto de instruções especiais, denominadas instruções de entrada / saída, executadas pela própria UCP. Essas instruções continham detalhes específicos de cada periférico, como quais trilhas e setores de um disco deveriam ser lidos ou gravados em determinado bloco de dados. Esse tipo de instrução limitava a comunicação do processador a um grupo particular de dispositivos.
A implementação de um dispositivo chamado controlador ou interface permitiu à UCP agir de maneira independente dos dispositivos de E/S. Com esse novo elemento, a UCP não se comunicava mais diretamente com os periféricos, mas sim através do controlador. Isso significa as instruções de E/S, por não ser mais preciso especificar detalhes de operação dos periféricos, tarefa esta realizada pelo controlador.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 29 - Controlador.
Com a implementação do mecanismo de interrupção no hardware dos computadores, as operações de E/S puderam ser realizadas de uma forma mais eficiente. Em vez de o sistema periodicamente verificar o estado de uma operação pendente, o próprio controlador interrompia a UCP para avisar do término da operação. Com esse mecanismo, denominado E/S controlada por interrupção, a UCP, após a execução de um comando de leitura ou gravação, fica livre para o processamento de outras tarefas. O controlador por sua vez, ao receber, por exemplo, um sinal de leitura, fica encarregado de ler os blocos dos disco e armazená-los em memória ou registradores próprios. Em seguida, o controlador, através de uma linha de controle, sinaliza uma interrupção ao processador. Quando a UCP atende a interrupção, a rotina responsável pelo tratamento desse tipo de interrupção transfere os dados dos registradores do controlador para a memória principal. Ao término da transferência, a UCP volta a executar o programa interrompido e o controlador fica novamente disponível para outra operação.
A operação de E/S controlada por interrupção é muito mais eficiente que a operação de E/S controlada por programa, já que elimina a necessidade de a UCP esperar pelo término da operação, além de permitir que várias operações de E/S sejam executadas simultaneamente. Apesar disso, essa implementação ainda sobrecarregava a UCP, uma vez que toda transferência de dados entre memória e periféricos exigia a intervenção da UCP. A solução desse problema foi a implementação, por parte do controlador, de uma técnica de transferência de dados denominada DMA (Direct Memory Access).
A técnica de DMA permite que bloco de dados seja transferido entre memória e periféricos, sem a intervenção da UCP, exceto no início e no final da transferência. Quando o sistema deseja ler ou gravar um bloco de dados, são passadas da UCP para o controlador informações como: onde o dado está localizado, qual o dispositivo de E/S envolvido na operação, posição inicial da memória de onde os dados serão lidos ou gravados e o tamanho do bloco de dados. Com estas informações, o controlador realiza a transferência entre o periférico e a memória principal, e a UCP é somente interrompida no final da operação. A área de memória utilizada pelo controlador na técnica de DMA é chamada buffer, sendo reservada exclusivamente para este propósito.
No momento em que a transferência de DMA é realizada, o controlador deve assumir, momentaneamente, o controle do barramento. Como a utilização do barramento é exclusiva de um dispositivo, a UCP deve suspender o acesso ao bus, temporariamente, durante a operação de transferência. Este procedimento não gera uma interrupção, e a UCP pode realizar tarefas, desde que sem a utilização do barramento, como, por exemplo, um acesso à memória cache.
A extensão do conceito do DMA possibilitou o surgimento dos canais de E/S, ou somente canais, introduzidos pela IBM no Sistema 7094. O canal de E/S é um processador com capacidade de executar programas de E/S, permitindo o controle total sobre operações de entrada e saída. As instruções de E/S são armazenadas na memória principal pela UCP, porém o canal é responsável pela sua execução. Assim, a UCP realiza uma operação de E/S, instruindo o canal para executar um programa localizado na memória (programa de canal). Este programa especifica os dispositivos para transferência, buffers e ações a serem tomadas em caso de erros. O canal de E/S realiza a transferência e, ao final gera uma interrupção, avisando do término da operação.
Um canal de E/S pode controlar múltiplos dispositivos através de diversos controladores. Cada dispositivo, ou conjunto de dispositivos, é manipulado por um único controlador. O canal atua como um elo de ligação entre a UCP e o controlador.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 30 - Canal de E/S
Buffering
A técnica de buffering consiste na utilização de uma área de memória para a transferência de dados entre os periféricos e a memória principal denominada buffer. O buffering veio permitir que, quando um dado fosse transferido para o buffer após uma operação de leitura, o dispositivo de entrada pudesse iniciar uma nova leitura. Neste caso, enquanto a UCP manipula o dado localizado no buffer, o dispositivo de entrada pudesse iniciar uma nova leitura. Neste caso, enquanto a UCP manipula o dado localizado no buffer, o dispositivo realiza outra operação de leitura no mesmo instante. O mesmo raciocínio pode ser aplicado para operações de gravação, onde a UCP coloca o dado no buffer para um dispositivo de saída manipular.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 31 - Operações utilizando buffer.
O buffering é outra implementação para minimizar o problema da disparidade da velocidade de processamento existente entre a UCP e os dispositivos de E/S. O objetivo do buffering é manter, na maior parte do tempo, UCP e dispositivos de E/S ocupados.
A unidade de transferência usada no mecanismo de buffering é o registro. O tamanho do registro pode ser especificado em função da natureza do dispositivo ( como uma linha gerada por uma impressora ou um caracter de um teclado) ou da aplicação ( como um registro lógico definido em um arquivo).
O buffer deve possuir a capacidade de armazenar diversos registros, de forma a permitir que existam dados lidos no buffer, mas ainda não processados (operações de leitura), ou processados, mas ainda não gravados (operação de gravação). Desta forma, o dispositivo de entrada poderá ler diversos registros antes que a UCP os processe, ou a UCP poderá processar diversos registros antes de o dispositivo de saída realizar a gravação. Isso é extremamente eficiente, pois, dessa maneira, é possível compatibilizar a diferença existente entre o tempo em que a UCP processa os dados e o tempo em que o dispositivo de E/S realiza as operações de leitura e gravação.
Spooling
A técnica de spooling (simultaneous peripheral operation on-line) foi introduzida no final dos anos 50 para aumentar a produtividade e a eficiência dos sistemas operacionais.
Naquela época, os programas dos usuários eram submetidos um a um para processamento pelo operador. Como a velocidade de operação dos dispositivos de entrada/saída é muito lenta se comparada à do processador, era comum que a UCP ficasse ociosa à espera de programas e dados de entrada ou pelo término de uma impressão.
A solução foi armazenar os vários programas e seus dados, também chamados de jobs, em uma fita magnética e, em seguida, submetê-los a processamento. Desta forma, a UCP poderia processar seqüencialmente cada job, diminuindo o tempo de execução dos jobs e o tempo de transição entre eles. Da mesma forma, em vez de um job gravar suas saídas diretamente na impressora, poderia direcioná-las para uma outra fita, que depois seria impressa integralmente. Esta forma de processamento é chamada de spooling e foi a base dos sistemas batch.
A utilização de fitas magnéticas obrigava o processamento a ser estritamente seqüência, ou seja, o primeiro job a ser gravado era o primeiro a ser processado. Assim, se um job que levasse várias horas antecedesse pequenos jobs, seus tempos de resposta ficariam seriamente comprometidos. Com o surgimento de dispositivos de acesso direto, como discos, foi possível tornar o spooling muito mais eficiente, e principalmente, permitir a eliminação do processamento estritamente seqüencial, com a atribuição de prioridade aos jobs.
A técnica de buffering, como já apresentamos, permite que um job utilize um buffer concorrentemente com um dispositivo de E/S. O spooling, basicamente, utiliza o disco como um grande buffer, permitindo que dados sejam lidos e gravados em disco, enquanto outros jobs são processados.
Um exemplo dessa técnica está presente quanto impressora são utilizadas. No momento em que um comando de impressão é executado por um programa, as informações que serão impressas são gravadas em um arquivo em disco (arquivo de spool), para ser impresso posteriormente pelo sistema REF _Ref426710236 \h Figura 32. Dessa forma, situações como a de um programa reservar a impressora, imprimir uma linha e ficar horas para continuar a impressão não acontecerão. Essa implementação permite maior grau de conpartilhamento na utilização de impressoras.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 32 - Técnico de spooling.
Atualmente, a técnica de spooling é implementada na maioria dos sistemas operacionais. Fazendo com que tanto a UCP quanto os dispositivos de E/S seja aproveitados de forma mais eficiente.
Reentrância
É comum, em sistemas multiprogramáveis, vários usuários executarem os mesmos utilitários do sistema operacional simultaneamente, como, por exemplo, um editor de textos. Se cada usuário que utilizasse o editor trouxesse o código do utilitário para a memória, haveria diversas cópias de um mesmo programa na memória principal, o que ocasionaria um desperdício de espaço.
Reentrância é a capacidade de um código de programa (código reentrante) poder ser compartilhado por diversos usuários, exigindo que apenas uma cópia do programa esteja na memória. Uma característica da reentrância é que o código não pode ser modificado por nenhum usuário no momento em que está sendo executado.
A reentrância permite que cada usuário possa estar em um ponto diferente do código reentrante, manipulando dados próprios, exclusivos de cada usuários.
Proteção do Sistema
Nos sistemas multiprogramáveis, onde diversos usuários compartilham os mesmo recursos, deve existir uma preocupação, por parte do sistema operacional, de garantir a integridade dos dados pertencentes a cada usuário. Problemas como um programa acessar (acidentalmente ou não) a área de memória pertencente a outro programa ou ao próprio sistema operacional tornaria o sistema pouco confiável. Para isso, todo sistema implementa algum tipo de proteção aos diversos recursos que são compartilhados, como memória, dispositivos de E/S e UCP.
Com vários programas ocupam a memória simultaneamente e cada usuário possui uma área onde dados e código são armazenados, os sistema operacional deve possuir mecanismos de proteção à memória, de forma a preservar as informações. Caso um programa tente acessar uma posição de memória fora da sua área, um erro do tipo violação de acesso ocorre e o programa é encerrado. O mecanismo para o controle de acesso à memória varia em função do tipo de gerência de memória implementado pelo sistema.
Há outro problema quando um programa reserva um periférico para realizar alguma operação. Neste situação, como, por exemplo, na utilização de uma impressora, nenhum outro programa deve interferir até que o programa libere. O compartilhamento de dispositivos de E/S deve ser controlado de forma centralizada pelo sistema operacional.
Para solucionar esses diversos problemas, o sistema operacional deve implementar mecanismos de proteção que controlem o acesso concorrente aos diversos recursos do sistema. Esse mecanismo de proteção, implementado na maioria dos sistemas multiprogramáveis, é denominado modos de acesso.
Estrutura dos Sistemas Operacionais
Existe uma grande dificuldade em compreender a estrutura e o funcionamento de um sistema operacional, pois ele não é executado como uma aplicação tipicamente seqüencial, com início, meio e fim. As rotinas do sistema são executadas sem uma ordem predefinida, baseada em eventos dissociados do tempo (eventos assíncronos). Muitos desses eventos estão relacionados ao hardware e tarefas internas do próprio sistema operacional.
O sistema operacional é formado por um conjunto de rotinas (procedimentos) que oferecem serviços aos usuários do sistema e suas aplicações, bem como a outras rotinas do próprio sistema. Esse conjunto de rotinas é chamado núcleo do sistema ou Kernel (cérebro). As principais funções do núcleo são:
tratamento de interrupções;
criação e eliminação de processos;
sincronização e comunicação de processos;
escalonamento e controle dos processos;
gerência de memória;
gerência do sistema de arquivos;
operações de entrada e saída;
contabilização e segurança do sistema.
System Calls
Uma preocupação que surge na grande maioria dos projetos de sistemas operacionais é a implementação de mecanismos de proteção ao núcleo do sistema e de acesso aos seus serviços. Caso uma aplicação, que tenha acesso ao núcleo, realize uma operação que o danifique, todo o sistema poderá ficar comprometido e inoperante.
O usuário (ou aplicação), quando deseja solicitar algum serviço do sistema, realiza uma chamada a uma de suas rotinas ( ou serviços) através de system calls (chamadas ao sistema), que são a porta de entrada para se ter acesso ao núcleo do sistema operacional. Para cada serviço existe uma system call associada e cada sistema operacional tem o seu próprio conjunto (biblioteca) de chamadas, com nomes, parâmetros e formas de ativação específicos ( REF _Ref426711006 \h Figura 33).
Figura SEQ Figura \* ARABIC 33 - System Call
Através dos parâmetros fornecidos na system call, a solicitação é processada e uma resposta é retornada à aplicação, em um dos parâmetros fornecidos na chamada. O mecanismo de ativação e comunicação entre a aplicação e o sistema é semelhante ao mecanismo implementado quando um programa modularizado ativa um dos seus procedimentos ou funções.
As system call podem ser divididas em grupos de função:
* Gerência de processos
Criação e eliminação de processos
Alteração das características do processo
Sincronização e comunicação entre processos
* Gerência de memória
Alocação e desalocação de memória
*Gerência de entrada/saída
Operações de entrada/saída
Manipulação de arquivos e diretórios
Modos de Acesso
Existem certas instruções que não podem ser colocadas diretamente à disposição das aplicações, pois a sua utilização indevida ocasionaria sérios problemas à integridade do sistema. Suponha que uma aplicação deseja atualizar um arquivo em disco. O programa, por si só, não pode especificar diretamente as instruções que acessam seus dados. Como o disco é um recurso compartilhado, sua utilização deverá ser realizada unicamente pelo sistema operacional, evitando que a aplicação possa ter acesso a qualquer a qualquer área do disco indiscriminadamente, o que poderia comprometer a segurança do sistema.
Como visto, fica claro que existem certas instruções, como operações de entrada e saída, que só devem ser executadas pelo sistema operacional, para impedir a ocorrência de problemas de segurança e mesmo violação do sistema. As instruções que têm o poder de comprometer o sistema são conhecidas como instruções privilegiadas, enquanto as instruções não privilegiadas são as que não oferecem perigo ao sistema.
Para que uma aplicação possa executar uma instrução privilegiada, o processador implementa o mecanismo de modos de acesso. Existem basicamente dois modos de acesso implementados pelo processador: modo usuário e modo kernel. Quando um processador trabalha no modo usuário, uma aplicação só pode executar instruções não privilegiadas, tendo acesso a um número reduzido de instruções, enquanto no modo kernel a aplicação pode ter acesso ao conjunto total de instruções do processador.
O modo de acesso de uma aplicação é determinado por um conjunto de bits, localizado em um registrador especial da UCP, que indica o modo de acesso corrente. Através desse registrador, o hardware verifica se a instrução pode ou não ser executada pela aplicação.
A melhor maneira de controlar o acesso às instruções privilegiadas é permitir que apenas o sistema operacional tenha acesso a elas. Sempre que uma aplicação necessita de um serviço que incorra em risco para o sistema, a solicitação é feita através de uma system call. A system call altera o modo de acesso do processador para um modo mais privilegiado (modo kernel). Ao término da rotina do sistema, o modo de acesso é retornado para o modo usuário ( REF _Ref426713125 \h Figura 34). Caso um programa tente executar uma instrução privilegiada, sem o processador estar no modo kernel, uma execeção é gerada e o programa é encerrado.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 34 - Chamada a uma rotina do sistema
Tipos de Estrutura de Sistemas Operacionais
Vamos examinar quatro maneiras diferentes de se estruturar um sistema operacional, do modo a formar uma idéia a respeito do espectro de possibilidades
Sistemas Monolíticos
Apesar da estrutura monolítica ser de longe a mais utilizada, ela poderia muito bem ser chamada de “a grande confusão”. Simplesmente não há estruturação visível na organização monolítica. O sistema operacional é escrito como um conjunto de procedimentos, cada um dos quais podendo chamar qualquer dos demais sempre que necessário. Quando esta técnica é usada, cada procedimento do sistema deve ter uma interface bem definida em termos de parâmetros e de resultados, sendo, conforme mencionado anteriormente, cada procedimento livre para chamar qualquer outro se este último realizar algo de que o primeiro necessite.
Ex. MS-DOS, UNIX
Figura SEQ Figura \* ARABIC 35 - Sistemas monolíticos.
Sistemas em Camadas
Um sistema em camadas divide o sistema operacional em camadas sobrepostas. Cada módulo oferece um conjunto de funções que podem ser utilizadas por outros módulos. Módulos de uma camada podem fazer referência apenas a módulos das camadas inferiores.
O primeiro sistema com base nesta abordagem foi o sistema THE (Techinische Hogeschool Eindhoven), construído por Dijkstra na Holanda em 1968 e que utilizava seis camadas. Posteriormente, os sistemas MULTICS e VMS também implementaram o conceito de camadas, sendo estas concêntricas. Neste tipo de implementação, as camadas mais internas são mais privilegiadas que as mais externas.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 36 - Sistema MULTICS
A vantagem da estruturação em camadas é isolar as funções do sistema operacional facilitando sua alteração sua alteração e depuração, além de criar uma hierarquia de níveis de modos de acesso, protegendo as camadas mais internas.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 37 - Sistema VMS.
Máquinas Virtuais
Chamado originalmente de CP/CMS, agora denominado VM/370 (Seawright and MacKinnon, 1979), baseou-se numa astuta observação: um sistema de compartilhamento de tempo deve fornecer: (1) ambiente para multiprogramação e (2) uma máquina estendida com uma interface mais conveniente que o hardware. A essência do VM/370 é a separação completa destas duas funções.
O coração conhecido como monitor da máquina virtual, roda sobre o hardware, e implementa a multiprogramação, fornecendo não só uma, mas várias máquinas virtuais para o nível acima dele. Porém, ao contrário dos demais sistemas operacionais, estas máquinas não são máquinas estendidas, com sistemas de arquivos e outras características agradáveis e convenientes ao usuário. Em vez disso, elas são cópias fiéis do hardware, incluindo os modos kernel/usuário, entrada/saída, interrupções, e tudo o mais que uma máquina real possui.
Pelo fato de cada máquina virtual ser uma cópia exata do hardware, cada uma delas pode rodar um sistema operacional. Máquinas virtuais diferentes podem rodar sistemas operacionais diferentes. Algumas rodam sistemas sucessores do OS/360 para processamento batch, outras rodam um sistema monousuário, outras um sistema interativo denominado CMS (Conversational Monitor System) para usuários de sistemas de compartilhamento de tempo.
Quando um programa CMS executa uma chamada de sistema, a chamada é interceptada pelo sistema operacional de sua própria máquina virtual, não pelo VM/370, exatamente como se ele estivesse rodando numa máquina real, e não numa virtual. O CMS então executa as instruções necessárias para efetuar a chamada. Estas instruções são interceptadas pelo VM/370, que as executa como parte da simulação do hardware real. Através da completa separação das funções de fornecimento do ambiente de multiprogramação e do fornecimento de uma máquina virtual, cada um dos módulos é mais simples, mais flexível e mais fácil de manter.
Modelo Cliente Servidor
Uma tendência dos sistemas operacionais modernos é tornar o núcleo do sistema operacional o menor e mais simples possível. Para implementar esta idéia, o sistema é dividido em processos, sendo cada um responsável por oferecer um conjunto de serviços, como serviços de arquivos, serviços de criação de processos, serviços de memória, serviços de escalonamento, etc.
Sempre que uma aplicação deseja algum serviço, ela solicita ao processo responsável. Neste caso, a aplicação que solicita um serviço é chamada de cliente, enquanto o processo que responde à solicitação é chamado servidor. Um cliente, que pode ser uma aplicação de um usuário ou um outro componente do sistema operacional, solicita um serviço enviando uma mensagem para o servidor. O servidor responde ao cliente através de uma outra mensagem. É função do núcleo do sistema realizar a comunicação ou seja, a troca de mensagens entre o cliente e o servidor.
Figura SEQ Figura \* ARABIC 38 -Sistemas cliente-servidor.
A utilização deste modelo permite que os servidores executem em modo usuário, ou seja, não tenham acesso direto a certos componentes do sistema. Apenas o núcleo do sistema, responsável pela comunicação entre clientes e servidores, executa no modo kernel. Como conseqüência, se um erro ocorrer em um servidor, este servidor pode parar, mas o sistema não ficará inteiramente comprometido. Além disso, a implementação de sistemas cliente-servidor permite isolar as funções do sistema operacional por diversos processos (servidores) pequenos e dedicados a serviços específicos. Como conseqüência, os sistema operacional passa a ser de mais fácil manutenção.
Como os servidores se comunicam através de trocas de mensagens, não importa se os clientes e servidores estão sendo processados em um sistema com um único processador, com múltiplos processadores (fortemente acoplado) ou ainda em um ambiente de sistema distribuído (fracamente acoplado). A implementação de sistemas cliente-servidor em um ambiente distribuído permite que um cliente solicite um serviço e a resposta seja processada remotamente.
Apesar de todas as vantagens deste modelo, sua implementação, na prática, é muito difícil devido a certas funções do sistema operacional exigirem acesso direto ao hardware, como operações de entrada e saída. Na realidade, o que é implementado mais usualmente é uma combinação do modelo de camadas com o modelo cliente-servidor. O núcleo do sistema, além de ser responsável pela comunicação entre cliente e servidor, passa a incorporar outras funções críticas do sistema, como escalonamento e gerência de memória, além das funções dos device drivers.
- Bibliografia
Essa apostila foi retirada do livro:
- MACHADO, Francis Berenger e MAIA, Luiz Paulo. Arquitetura de Sistemas Operacionais, 2a. edição. Ed. LTC, 1997.
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Prof. Alessandro Zanini
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