Sistemas
Operacionais
ADIR KUHN
BACHAREL EM COMPUTAÇÃO
PÓS GRADUADO EM BANCO DE DADOS
PHP ENGINNER E SCRUM MASTER
Conteúdo


Introdução ao S.O



Gerenciamento de processos.



Gerenciamento de memória.



Dispositivos de Entrada/Sa...
Definição do problema


Um sistema de computação consiste de diversos
dispositivos.



Todos os dispositivos são complex...
Como solucionar o
problema?


Utilizar uma camada de software chamada
sistema operacional.



Ele gerencia todos esses d...
O que é um Sistema
Operacional?


É um software que realiza duas funções:


Estende a máquina, isto é, esconde do
progra...
Exemplo de acesso ao
hardware


Queremos gravar dados em um disquete sem um
S.O:


O controlador do disquete tem 16 funç...
Resumindo...


Sistema operacional é um software
utilizado para facilitar a utilização do
hardware, fornecendo ao usuário...
Estrutura de um
computador moderno
Estrutura de um
computador moderno


Dispositivos físicos: circuitos, unidades de disco
etc.



Microprogramação: consti...
Estrutura de um
computador moderno


Linguagem de máquina: instruções que movem
os dados pela maquina efetuando operações...
Estrutura de um
computador moderno


Utilitários: compiladores, editores texto,
interpretador de comando.



Aplicativos...
Evolução dos S.O
(MINIX) WINDOWS, MAC, LINUX


Os sistemas operacionais evoluíram com o passar
dos anos, acompanhando a arquitetura dos
computadores que executavam.
1ª geração (1940 – 1955)


Foi marcada pelo invento das válvulas.



Computadores eram formados por milhares de
válvulas...
1ª geração (1940 – 1955)
(cont.)

Computador baseado em válvulas

Computador ENIAC
2ª geração (1955 – 1965)


Marcada por três avanços:


Utilização dos transistores em grande quantidade.



Sistema de ...
2ª geração (1955 – 1965)


Processamento em batch:


Programas eram gravados em cartões perfurados.
Após a leitura, eles...
2ª geração (1955 – 1965)
(cont.)

Sistema de processamento batch
3ª geração (1965 – 1980)


Surgimento dos circuitos integrados.



Surgimento das técnicas de:


Multiprogramação: exec...
4ª geração (1980 – 1990)


Surgimentos dos PCs (personal computers).



Surgimento dos sistemas operacionais mais
modern...
5ª geração (1990 – ...)


Surgimento da computação distribuída


Um programa em execução que pode ser dividido
em subpro...
Conceitos básicos de
S.O
Monotarefa


Os primeiros S.O executavam um programa de
cada vez.



Os outros programas deveriam esperar o termino
para...
Multitarefa


Suporta a execução concorrente de vários
programas, dividindo os recursos.



Classificado como:




Mon...
Processos


É uma abstração de um programa em
execução.



Cada programa tem ao menos um processo
concorrendo os recurso...
Multiprocessamento


Sistemas com múltiplos processadores.



Compartilham a mesma memória e dispositivos
de entrada.

...
Interpretador de
comandos (Shell)


Interface entre o usuário e o sistema operacional.



É onde o usuário solicita a ex...
Chamadas do sistema
(System Calls)


Interface entre softwares aplicativos e o sistema
operacional.



Exemplo:


Criar...
Sistemas Operacionais e
suas Características
Gerenciamento de
processos
Processos


Um processo é tudo aquilo que o processador
executa.



E a entidade pela qual a utilização da memória
de um...
Processos


Exemplo

João

vai fazer um bolo. Ele
vai utilizar uma receita para
saber quais ingredientes e
saber como pr...
Processos


Todo software executável em um computador
moderno, até mesmo o sistema operacional, é
organizado em processos...
Troca de processos


Como funciona a troca de processos?


Salvar o conteúdo atual dos registradores da CPU
referentes a...
Troca de processos
Processos


Principais eventos que levam à criação de
processos


inicialização do sistema



execução de chamada ao si...
Processos


Condições que levam ao término de processos


saída normal (voluntária)



saída por erro (voluntária)



...
Estados do processo


O processador não pode ser ocupado por todos
os processos ao mesmo tempo.



Existe uma competição...
Estados do processo


Pronto (aguardando na fila de processos)



Execução (esta no processador)



Bloqueado (aguardan...
Subprocessos


Uma aplicação pode ser dividida em partes que
trabalham concorrentemente.



Consiste em particionar o pr...
Subprocessos
Subprocessos


Conforme aumenta-se a utilização de
subprocessos, há um desperdício de tempo para
criar e destruir estes.
...
Threads


São consideradas processos mais leves.



Enquanto os processos são usados para agrupar
recursos, as threads s...
Threads
Exemplo Threads


Aplicação: Processador de textos



Uso: 3 threads


Interação com o usuário (teclado)



Formatação...
Exemplo Threads
Escalonamento


Vimos que o estado de pronto possui uma fila
de processos aguardando a liberação da CPU.



O componente...
Escalonamento


Categorias de algoritmos


Não-preemptivos



Preemptivos
Algoritmos de
escalonamento


First In First Out (FIFO)


Constitui-se no esquema mais simples de
escalonamento em que o...
Algoritmos de
escalonamento


Round Robin – Alternância Circular


Processos são executados na ordem FIFO, mas com
um in...
Algoritmos de
escalonamento


Round Robin – Alternância Circular


Exemplo: quantum de 20 ms

Processo

Tempo de Uso da ...
Algoritmos de
escalonamento


Shortest Job First – Processo mais curto primeiro


Processos menores são executados prime...
Algoritmos de
escalonamento


Shortest Job First – Processo mais curto primeiro


Exemplo:

Processo

Tempo de Uso da CP...
Concorrência


Os processo concorrem pelos recursos do
sistema.



Exemplo: fila de impressão
Deadlock


Acontece quando dois ou mais processos estão
disputando recursos e nenhum deles consegue
seguir a execução por...
Exclusão Mútua
Evitar que mais de um processo utilize um recurso
compartilhado.
 Condições para exclusão mútua:


1.

2....
Exclusão mútua com
espera ocupada


Se um processo está acessando uma região
crítica, ou seja, esta em execução, todos os...
Desabilitar interrupções


Desabilitar todas as interrupções, inclusive as do
sistema operacional, quando uma região crít...
Variável Lock


Esta solução utiliza um algoritmo em que cada
recurso compartilhado possui uma variável global
chamada lo...
Variável Turn


Se a variável turn for igual a i, o processo de
número i executará a região crítica até terminar.



Ao ...
Solução de Peterson


Combina as variáveis lock e turn solucionando os
problemas individuais de cada uma delas.
Instrução TSL


É uma instrução utilizada em muitos
processadores que permite a implementação de
variáveis lock.



A va...
Gerenciamento de
memória
Gerenciamento de
memória


Na memória principal ficam todos os programas
e os dados que serão executados pelo
processador...
Gerenciamento de
memória


Tarefas do gerenciador de memória:


Monitorar quais partes da memória estão utilizadas
e qua...
Gerenciamento de
memória


Esquemas de gerenciamento de memória:


Mantém os processo fixos na memória principal.
monopr...
Gerenciamento sem
paginação


Foram utilizadas nos sistemas mais antigos.



A memória era compartilhada entre o S.O e o...
Gerenciamento sem
paginação

Três maneiras simples de organizar memória com um sistema operacional e com
processos.
Gerenciamento de memória
com partições fixas


Em direção à multiprogramação foram criadas
partições fixas com tamanhos d...
Partições fixas

Partições fixas de memória com filas separadas para cada partição
Gerenciamento de memória
com partições fixas


Surge um problema quando partições grandes
está com a fila vazia e uma fil...
Gerenciamento de memória
com partições fixas – fila
única

Partições fixas de memória com fila única.
Troca de processos


Nem sempre existe memória principal para todos
os processos.



Alguns processos devem ser mantidos...
Swapping


Consiste em trazer o processo inteiro do disco
para a memória, executá-lo e devolve-lo para o
disco.



Os pr...
Swapping


Vantagem em relação às partições fixas:


Número, posição e tamanho das partições variam
dinamicamente.



C...
Swapping
Swapping


É provável que a área de dados (heap e pilha)
do processo cresça durante a execução.



Se houver espaço adja...
Swapping
Memória virtual


Divide-se o programa em módulos chamados overlays
(sobreposição).



No princípio, o programador dever...
Memória virtual


Um programa de 32 MB pode ser executado em
uma máquina com apenas 8 MB, por meio de
uma escolha cuidado...
Paginação


No sistemas com memória virtual, o endereço
virtual e físico não são os mesmos.



Quem realiza o mapeamento...
Paginação
Paginação


Como exemplo, nosso computador possui 32 KB
de memória física.



Queremos executar um programa de 64 KB.

...
Paginação
Paginação


Neste caso, as páginas marcadas com um X não
estão mapeadas no momento.



Se o programa tentar utilizar, oc...
Algoritmos de substituição
de páginas


Algoritmo FIFO


Baixo custo.



Mantém uma lista de todas as páginas, com a
pá...
Algoritmos de substituição
de páginas


Algoritmo FIFO
Algoritmos de substituição
de páginas


Relógio


Utiliza um bit (R) - referenciada



Assim o SO sabe qual página é ma...
Algoritmos de substituição
de páginas


Relógio
Algoritmos de substituição
de páginas


Algoritmo LRU (least recently used)


Baseia-se na idéia de que uma página utili...
Algoritmos de substituição
de páginas


Algoritmo LRU (least recently used)
Sistemas de
entrada/saída
Sistemas de
entrada/saída


Os dispositivos de E/S são a comunicação do
sistema operacional com o mundo externo.



Os d...
Sistemas de
entrada/saída
Sistemas de
entrada/saída


Para que o sistema operacional controle um
dispositivo de E/S é necessário que interaja com
u...
Sistemas de
entrada/saída


Exemplo: Mouse



O componente eletrônico seria o circuito que
interpreta as coordenadas X e...
Sistemas de
entrada/saída


Drivers de dispositivo são os programas que
possibilitam a comunicação entre o S.O e o
dispos...
Sistemas de
entrada/saída


Buffers:


Região de memória temporária utilizada para
escrita e leitura de dados.



São u...
Sistemas de
entrada/saída


Maneiras que as operações de E/S são feitas:


E/S programada.



E/S orientada por interru...
Sistemas de
entrada/saída


E/S programada:


Consiste em ter o processador dedicando-se
totalmente ao periférico enquan...
Sistemas de
entrada/saída


E/S orientada por interrupção:


Quando um dispositivo de E/S finaliza o seu
trabalho gera u...
Sistemas de
entrada/saída
Como acontece a interrupção
Sistemas de
entrada/saída


E/S por DMA (Direct Memory Access)


O controlador de DMA faz todo o trabalho de
transferênc...
Sistemas de
entrada/saída
Sistemas de
entrada/saída


A transferência dos dados ocorrem de duas
maneiras:


Blocos de informação:




Dados são ...
Sistemas de
entrada/saída


Disco rígido (HD):


São considerados os repositórios de dados mais
populares.



Constituí...
Sistemas de
entrada/saída
Sistemas de
entrada/saída


Para calcular a capacidade do disco:



Capacidade Real = cabeças x cilindros x setores
x 51...
Sistemas de
entrada/saída


Disco rígido (HD):


O tempo para ler/gravar é dado por:


Tempo de posicionamento (tempo n...
Sistemas de
entrada/saída


RAID (redundant array of inexpensive* disks):


Conjunto de discos redundantes e independent...
Sistemas de
entrada/saída


RAID 0 – espalhamento de dados



RAID 1 – espelhamento de dados
Sistemas de
entrada/saída


RAID 2 - Igual ao RAID 0, porém com esquema de
detecção de erros.



RAID 3 – Versão simplif...
Sistemas de
entrada/saída


RAID 4 – similar ao RAID 3, só que mais rápido por
usar blocos de dados.



RAID 5 - Similar...
RAID


Para saber mais sobre RAID acesse:

http://www.clubedohardware.com.br/artig
os/651
http://pt.wikipedia.org/wiki/RA...
Sistemas de
entrada/saída


Disco ótico:


A informação gravada em um CD-Rom é lida por
um feixe de laser de baixa inten...
Sistemas de
entrada/saída
Sistemas de
entrada/saída


Gravação do CD-Rom


É utilizado um laser de alta potência para criar
pontos negros na camad...
Sistemas de
entrada/saída


Relógios:


Os relógios são considerados essenciais, pois
mantêm a hora atualizada e evitam ...
Sistemas de
entrada/saída


Gerenciamento de energia:


É função do S.O fazer o gerenciamento de energia.



Duas abord...
Sistemas de
entrada/saída

Consumo de energia de várias partes de um laptop
Sistemas de
entrada/saída


Monitor:


O S.O coloca o monitor em um estado de
“dormindo”.



Qualquer toque no teclado ...
Sistemas de
entrada/saída


Disco rígido (HD):


Consome muita energia para manter o disco
girando mesmo quando não há a...
Sistemas de
entrada/saída


CPU:




Sempre que a CPU se torna ociosa o S.O reduz a
voltagem dela.

Memória:


A memór...
Sistemas de arquivos
Sistemas de arquivos


Todos os programas precisam armazenar e
recuperar dados.



Os processos não podem armazenar gran...
Sistemas de arquivos


A solução é utilizar um meio de armazenamento
chamado arquivos.



Para criar arquivos é preciso ...
Sistemas de arquivos


Estrutura dos arquivos:


Sequência de bytes





O S.O não se importa com o conteúdo do arqui...
Sistemas de arquivos


Árvore de registros:


Cada registro contém um campo chave.



A árvore é ordenada pelo campo ch...
Sistemas de arquivos
Sistemas de arquivos


Além do arquivo guardar o nome e os dados, ele
pode associar informações como:





Data e hora...
Sistemas de arquivos
Sistemas de arquivos


Diretórios:


Pode conter centenas de arquivos ou nenhum
arquivo.



Pode conter outros diretóri...
Sistemas de arquivos
Sistemas de arquivos


Nomes de caminhos:


Caminho absoluto:




Formado pelo caminho entre o diretório raiz e o
arqu...
Sistemas de arquivos


Sistema de arquivos:


Um disco rígido pode ser dividido em uma ou mais
partições.



Todo disco...
Sistemas de arquivos


Esquema de partição de disco:


Superbloco: fornece informações tais como:
identificação do siste...
Sistemas de arquivos

Estrutura geral de uma partição do disco.
Sistemas de arquivos


Questão:


Como é feito o controle de quais blocos do disco
estão relacionados com quais arquivos...
Sistemas de arquivos


Alocação contínua:


Consiste em armazenar cada arquivo em blocos
contíguos.



Implementação si...
Sistemas de arquivos
Sistemas de arquivos


Alocação por lista encadeada:


Os arquivos são armazenados em blocos lincados.



Os primeiros ...
Tabela de
alocação
Sistemas de arquivos


I-node


Estrutura de dados (pequena tabela) que mantém
informações e os endereços de disco dos b...
Sistemas de arquivos

Esquema de um I-node
Sistemas de arquivos


Confiabilidade dos sistemas de arquivos:


O sistema de arquivos pode ser danificados por
vários ...
Sistemas de arquivos


Exemplos de sistemas de arquivos:


CD-Rom:


ISO 9660: produzido com limitações para atender
al...
Sistemas de arquivos


Exemplos de sistemas de arquivos:




Windows:

NTFS: até 16 TB.
Sistemas de arquivos


Exemplos de sistemas de arquivos:


Linux:



ext-3: 16 TB com journaling.



ReiserFS: 16 TB ...
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Sistemas Operacionais

  1. 1. Sistemas Operacionais ADIR KUHN BACHAREL EM COMPUTAÇÃO PÓS GRADUADO EM BANCO DE DADOS PHP ENGINNER E SCRUM MASTER
  2. 2. Conteúdo  Introdução ao S.O  Gerenciamento de processos.  Gerenciamento de memória.  Dispositivos de Entrada/Saída.  Sistemas de arquivos.
  3. 3. Definição do problema  Um sistema de computação consiste de diversos dispositivos.  Todos os dispositivos são complexos de manipular.  Escrever programas que fazem usos desses dispositivos é uma tarefa difícil.
  4. 4. Como solucionar o problema?  Utilizar uma camada de software chamada sistema operacional.  Ele gerencia todos esses dispositivos e fornece uma interface de mais alto nível para acesso ao hardware.
  5. 5. O que é um Sistema Operacional?  É um software que realiza duas funções:  Estende a máquina, isto é, esconde do programador a “verdade” sobre a programação do hardware e apresenta uma forma mais simples de acessar o hardware.  Gerencia recursos, isto é, controla todo o hardware e controla a concorrência entre os diversos processos que tentam usar esse hardware.
  6. 6. Exemplo de acesso ao hardware  Queremos gravar dados em um disquete sem um S.O:  O controlador do disquete tem 16 funções de baixo nível;  Funções de leitura/escrita têm 13 parâmetros;  Retornam 23 informações de status.  É preciso verificar o status do motor.
  7. 7. Resumindo...  Sistema operacional é um software utilizado para facilitar a utilização do hardware, fornecendo ao usuário uma abstração maior, evitando que o programador acesse as instruções de hardware.  O SO gerencia os recursos de hardware, como por exemplo: endereçamento de memória, fila de processos para execução, concorrência entre processos.
  8. 8. Estrutura de um computador moderno
  9. 9. Estrutura de um computador moderno  Dispositivos físicos: circuitos, unidades de disco etc.  Microprogramação: constituída por softwares capaz de interpretar e executar as instruções de máquina recebidas da camada superior.
  10. 10. Estrutura de um computador moderno  Linguagem de máquina: instruções que movem os dados pela maquina efetuando operações lógicas e aritméticas.  Sistema operacional: esconde a complexidade do hardware e gerencia os recursos compartilhados.
  11. 11. Estrutura de um computador moderno  Utilitários: compiladores, editores texto, interpretador de comando.  Aplicativos: navegador web, bate-papo etc.
  12. 12. Evolução dos S.O (MINIX) WINDOWS, MAC, LINUX
  13. 13.  Os sistemas operacionais evoluíram com o passar dos anos, acompanhando a arquitetura dos computadores que executavam.
  14. 14. 1ª geração (1940 – 1955)  Foi marcada pelo invento das válvulas.  Computadores eram formados por milhares de válvulas ocupando salas imensas.  Não havia conceito de sistema operacional.  O acesso era feito diretamente nos painéis do equipamento, onde o usuário programa seus cálculos.  Surge o ENIAC, onde a programação era por fios e pinos.
  15. 15. 1ª geração (1940 – 1955) (cont.) Computador baseado em válvulas Computador ENIAC
  16. 16. 2ª geração (1955 – 1965)  Marcada por três avanços:  Utilização dos transistores em grande quantidade.  Sistema de processamento em batch.  Surgimento de linguagens de programação de alto nível (Fortran, Algol e Cobol).  Criação de mainframes.  Programas deixam de ter relação direta com o hardware.
  17. 17. 2ª geração (1955 – 1965)  Processamento em batch:  Programas eram gravados em cartões perfurados. Após a leitura, eles eram salvos em uma fita magnética de entrada.  A fita de entrada era colocada no computador de grande porte (IBM 7094). Ao final do processamento, gravava o resultado em uma segunda fita (de saída).  A segunda fita (de saída) era colocada em um computador (IBM 1401) que lia a fita de saída e imprimia seu conteúdo.
  18. 18. 2ª geração (1955 – 1965) (cont.) Sistema de processamento batch
  19. 19. 3ª geração (1965 – 1980)  Surgimento dos circuitos integrados.  Surgimento das técnicas de:  Multiprogramação: execução de vários programas por meio da divisão de memória em partes.  Timesharing: divide o tempo de uso do processador entre todos os programas.
  20. 20. 4ª geração (1980 – 1990)  Surgimentos dos PCs (personal computers).  Surgimento dos sistemas operacionais mais modernos:  MS-DOS: linha de comando.  Novel network : sistemas operacional de rede.  Macintosh: baseado em janelas.
  21. 21. 5ª geração (1990 – ...)  Surgimento da computação distribuída  Um programa em execução que pode ser dividido em subprocessos para serem executados em outros computadores na rede.  Surgimento do protocolo TCP/IP, padrão Ethernet e o modelo cliente/servidor.  Surgimento da computação ubíqua.
  22. 22. Conceitos básicos de S.O
  23. 23. Monotarefa  Os primeiros S.O executavam um programa de cada vez.  Os outros programas deveriam esperar o termino para poder executar.  Todos os recursos ficavam dedicados a uma única tarefa.
  24. 24. Multitarefa  Suporta a execução concorrente de vários programas, dividindo os recursos.  Classificado como:   Monousuário e Multiusuário. Pode ser:  Cooperativo: o processo libera a CPU voluntariamente (i.e não há interrupções)  Preemptivo: quando o sistema gera uma interrupção e dá lugar a outro processo na CPU.
  25. 25. Processos  É uma abstração de um programa em execução.  Cada programa tem ao menos um processo concorrendo os recursos de sistema.  Possui um espaço de endereçamento na memória.  Pode assumir três estados:  Execução  Bloqueado  Pronto
  26. 26. Multiprocessamento  Sistemas com múltiplos processadores.  Compartilham a mesma memória e dispositivos de entrada.  Aumentam a capacidade computacional.
  27. 27. Interpretador de comandos (Shell)  Interface entre o usuário e o sistema operacional.  É onde o usuário solicita a execução de programas.
  28. 28. Chamadas do sistema (System Calls)  Interface entre softwares aplicativos e o sistema operacional.  Exemplo:  Criar arquivos.  Acessar drive de disquete, CD-Rom etc.
  29. 29. Sistemas Operacionais e suas Características
  30. 30. Gerenciamento de processos
  31. 31. Processos  Um processo é tudo aquilo que o processador executa.  E a entidade pela qual a utilização da memória de um programa, tempo de processador e recursos de E/S podem ser gerenciados e monitorados pelo sistema operacional.  O processo pode ser visto como a abstração de um programa em execução.
  32. 32. Processos  Exemplo João vai fazer um bolo. Ele vai utilizar uma receita para saber quais ingredientes e saber como preparar tudo.  Quem é o processador?  Quem é o programa?  Quem é o processo?
  33. 33. Processos  Todo software executável em um computador moderno, até mesmo o sistema operacional, é organizado em processos.  Os sistemas atuais permitem ao usuário a chaveamento de vários processos.  Esse chaveamento nos dá a sensação de que os programas são executados paralelamente.
  34. 34. Troca de processos  Como funciona a troca de processos?  Salvar o conteúdo atual dos registradores da CPU referentes a um processo que esta deixando o processador.  Carregar os registradores com o conteúdo do processo que esta ganhando a CPU.
  35. 35. Troca de processos
  36. 36. Processos  Principais eventos que levam à criação de processos  inicialização do sistema  execução de chamada ao sistema de criação de processos  solicitação do usuário para criar um novo processo
  37. 37. Processos  Condições que levam ao término de processos  saída normal (voluntária)  saída por erro (voluntária)  erro fatal (involuntário)  cancelamento por um outro processo (involuntário)
  38. 38. Estados do processo  O processador não pode ser ocupado por todos os processos ao mesmo tempo.  Existe uma competição entre os processos para entrar em execução.  O sistema operacional deve controlar essa competição.
  39. 39. Estados do processo  Pronto (aguardando na fila de processos)  Execução (esta no processador)  Bloqueado (aguardando E/S)
  40. 40. Subprocessos  Uma aplicação pode ser dividida em partes que trabalham concorrentemente.  Consiste em particionar o processo gerado para controlar a aplicação (processo pai) em outros subprocessos subordinados a este que são chamados de processos filhos, ou apenas subprocessos
  41. 41. Subprocessos
  42. 42. Subprocessos  Conforme aumenta-se a utilização de subprocessos, há um desperdício de tempo para criar e destruir estes.  Para resolver este problema, criou-se o conceito de threads.
  43. 43. Threads  São consideradas processos mais leves.  Enquanto os processos são usados para agrupar recursos, as threads são as entidades escalonadas para a execução na CPU.  Um processo possui pelo menos uma thread (linha de controle).
  44. 44. Threads
  45. 45. Exemplo Threads  Aplicação: Processador de textos  Uso: 3 threads  Interação com o usuário (teclado)  Formatação de texto  Gravando o documento
  46. 46. Exemplo Threads
  47. 47. Escalonamento  Vimos que o estado de pronto possui uma fila de processos aguardando a liberação da CPU.  O componente que tenta manter o processador ocupado o tempo todo, escolhendo que será o próximo processo a ser executado é o escalonador.
  48. 48. Escalonamento  Categorias de algoritmos  Não-preemptivos  Preemptivos
  49. 49. Algoritmos de escalonamento  First In First Out (FIFO)  Constitui-se no esquema mais simples de escalonamento em que os processos são executados do início até o fim, na ordem de chegada.
  50. 50. Algoritmos de escalonamento  Round Robin – Alternância Circular  Processos são executados na ordem FIFO, mas com um intervalo chamado quantum.  Ao final de seu quantum, se o processo ainda estiver em execução, é interrompido (preempção) e voltará para o estado de pronto (final da fila) e o próximo processo da fila será alocado para ocupar a CPU.  Se o processo terminar antes de finalizar o seu quantum, a CPU será liberada.
  51. 51. Algoritmos de escalonamento  Round Robin – Alternância Circular  Exemplo: quantum de 20 ms Processo Tempo de Uso da CPU em ms (milissegundos) P1 P2 P3 P4 50 14 65 21
  52. 52. Algoritmos de escalonamento  Shortest Job First – Processo mais curto primeiro  Processos menores são executados primeiro.  Processos curtos são favorecidos.  Processo maiores são prejudicados.  Pouco utilizado na prática.
  53. 53. Algoritmos de escalonamento  Shortest Job First – Processo mais curto primeiro  Exemplo: Processo Tempo de Uso da CPU em ms (milissegundos) Chegad a P1 7 0 P2 4 2 P3 1 4 P4 4 5
  54. 54. Concorrência  Os processo concorrem pelos recursos do sistema.  Exemplo: fila de impressão
  55. 55. Deadlock  Acontece quando dois ou mais processos estão disputando recursos e nenhum deles consegue seguir a execução porque ambos estão bloqueando uns aos outros.  Exemplo:  Dois processos querem gravar um CD.  Processo P1 aloca o Gravador.  Processo P2 aloca o HD.  P1 espera P2 terminar de usar o HD.  P2 espera P1 terminar de usar o gravador.
  56. 56. Exclusão Mútua Evitar que mais de um processo utilize um recurso compartilhado.  Condições para exclusão mútua:  1. 2. 3. 4. Dois processos não podem estar dentro de suas regiões críticas ao mesmo tempo, compartilhando o mesmo recurso. A exclusão mútua dos processos deve ser independente da velocidade dos processos ou o número de CPUs. Um processo executado fora da região crítica não pode bloquear outros processos. Nenhum processo esperará para sempre para entrar em sua região crítica.
  57. 57. Exclusão mútua com espera ocupada  Se um processo está acessando uma região crítica, ou seja, esta em execução, todos os outros processos que precisarem acessar esta região deverão entrar em estado de espera ocupada.  Esta espera se refere apenas à região crítica.  Desabilitar interrupções.  Variável Lock.  Variável Turn.  Peterson.  Instrução TSL.
  58. 58. Desabilitar interrupções  Desabilitar todas as interrupções, inclusive as do sistema operacional, quando uma região crítica está sendo acessada, garantindo que o processo em execução termine de executar a região crítica sem a intervenção de outros processos.
  59. 59. Variável Lock  Esta solução utiliza um algoritmo em que cada recurso compartilhado possui uma variável global chamada lock, com valor inicial igual a 0.  O algoritmo controla o acesso à região crítica por meio da variável lock. Ao consultar, se o seu valor for 0, o processo executará a região crítica; e se for 1, o processo aguardará até que a variável lock se torne 0.
  60. 60. Variável Turn  Se a variável turn for igual a i, o processo de número i executará a região crítica até terminar.  Ao sair, o processo altera o valor de turn para i+1 para que o próximo processo, ao executar, tenha acesso à região crítica.
  61. 61. Solução de Peterson  Combina as variáveis lock e turn solucionando os problemas individuais de cada uma delas.
  62. 62. Instrução TSL  É uma instrução utilizada em muitos processadores que permite a implementação de variáveis lock.  A vantagem é que nem mesmo uma interrupção de hardware pode interromper a execução.
  63. 63. Gerenciamento de memória
  64. 64. Gerenciamento de memória  Na memória principal ficam todos os programas e os dados que serão executados pelo processador.  Possui menor capacidade e custo maior.  S.O buscam minimizar a ocupação da memória e otimizar sua utilização.  Componente é o gerenciador de memória.
  65. 65. Gerenciamento de memória  Tarefas do gerenciador de memória:  Monitorar quais partes da memória estão utilizadas e quais estão disponíveis.  Realizar alocação e liberação da memória para os processos.  Gerenciamento do swapping (troca) entre a memória principal e a secundária.
  66. 66. Gerenciamento de memória  Esquemas de gerenciamento de memória:  Mantém os processo fixos na memória principal. monoprogramação  Movem os processos entre a memória principal e secundária (swapping e paginação). multiprogramação
  67. 67. Gerenciamento sem paginação  Foram utilizadas nos sistemas mais antigos.  A memória era compartilhada entre o S.O e os programas.  Chamada de monousuário ou monoprogramação.  Somente um processo pode ser executado a cada instante.
  68. 68. Gerenciamento sem paginação Três maneiras simples de organizar memória com um sistema operacional e com processos.
  69. 69. Gerenciamento de memória com partições fixas  Em direção à multiprogramação foram criadas partições fixas com tamanhos diferentes na memória principal.  A idéia é utilizar sempre o menor espaço possível.  Com tamanho fixo das partições, todo espaço naquela partição que não era utilizado pelo processo era perdido.  Funciona bem quando as tarefas são do mesmo tamanho ou quando os tamanhos são conhecidos previamente.
  70. 70. Partições fixas Partições fixas de memória com filas separadas para cada partição
  71. 71. Gerenciamento de memória com partições fixas  Surge um problema quando partições grandes está com a fila vazia e uma fila para partição pequena está com a fila cheia.  Solução: utilizar uma única fila.  O processo mais próximo do início da fila que se ajusta na partição vazia poderia ser carregado.
  72. 72. Gerenciamento de memória com partições fixas – fila única Partições fixas de memória com fila única.
  73. 73. Troca de processos  Nem sempre existe memória principal para todos os processos.  Alguns processos devem ser mantidos no disco (memória secundária).  Técnicas:  Swapping.  Memória virtual.
  74. 74. Swapping  Consiste em trazer o processo inteiro do disco para a memória, executá-lo e devolve-lo para o disco.  Os processos que estão sobrando ficam na memória secundária e trazidos de lá dinamicamente.
  75. 75. Swapping  Vantagem em relação às partições fixas:  Número, posição e tamanho das partições variam dinamicamente.  Com o tempo são criadas lacunas na memória principal.  Técnica de compactação de memória para mover os dados para baixo.
  76. 76. Swapping
  77. 77. Swapping  É provável que a área de dados (heap e pilha) do processo cresça durante a execução.  Se houver espaço adjacente ele será alocado para o processo.  Se não houver espaço adjacente o processo inteiro deverá ser movido para outra área da memória principal.  Pode-se alocar uma memória extra sempre que fizer a troca ou mover um processo.
  78. 78. Swapping
  79. 79. Memória virtual  Divide-se o programa em módulos chamados overlays (sobreposição).  No princípio, o programador deveria fazer a divisão do programa em módulos.  Mais tarde, essa tarefa passou para o S.O.  Assim, um programa grande que excedesse a memória física do computador poderia ser executado.
  80. 80. Memória virtual  Um programa de 32 MB pode ser executado em uma máquina com apenas 8 MB, por meio de uma escolha cuidadosa feita pelo sistema operacional em que 8 MB será mantido ativo na memória em cada instante, dinamicamente, dando a ilusão de que o programa inteiro está na memória.  Essa troca de módulos é a técnica de paginação.
  81. 81. Paginação  No sistemas com memória virtual, o endereço virtual e físico não são os mesmos.  Quem realiza o mapeamento dos endereços virtuais para o endereço físico é a unidade MMU (memory management unity).
  82. 82. Paginação
  83. 83. Paginação  Como exemplo, nosso computador possui 32 KB de memória física.  Queremos executar um programa de 64 KB.  O programa não pode ser carregado totalmente na memória.  Assim, partes do programa serão carregadas quando necessário.
  84. 84. Paginação
  85. 85. Paginação  Neste caso, as páginas marcadas com um X não estão mapeadas no momento.  Se o programa tentar utilizar, ocorrerá o pagefault.  Ele deverá escolher uma página pouco utilizada, colocá-la em disco e carregar a pagina desejada.
  86. 86. Algoritmos de substituição de páginas  Algoritmo FIFO  Baixo custo.  Mantém uma lista de todas as páginas, com a página mais velha no inicio e a mais nova no fim.  Quando recebe um page-fault a primeira página a sair é a mais velha (início da fila).  Pouco utilizado porque pode ser removida páginas muito utilizadas
  87. 87. Algoritmos de substituição de páginas  Algoritmo FIFO
  88. 88. Algoritmos de substituição de páginas  Relógio  Utiliza um bit (R) - referenciada  Assim o SO sabe qual página é mais ou menos utilizada.  As páginas são mantidas em lista circular.  Um ponteiro aponta para a mais antiga. Se acontecer um page-fault verifica o bit (R). Se for 0 é porque não esta referenciada e substituirá. Se for 1, seta R = 0 e avança o ponteiro até encontrar uma pagina com R = 0.
  89. 89. Algoritmos de substituição de páginas  Relógio
  90. 90. Algoritmos de substituição de páginas  Algoritmo LRU (least recently used)  Baseia-se na idéia de que uma página utilizada recentemente pode ser utilizada novamente.  Portanto, páginas que não foram utilizadas recentemente provavelmente permanecerão nãoutilizadas durante mais tempo.  Assim, ele remove as páginas menos utilizadas recentemente.
  91. 91. Algoritmos de substituição de páginas  Algoritmo LRU (least recently used)
  92. 92. Sistemas de entrada/saída
  93. 93. Sistemas de entrada/saída  Os dispositivos de E/S são a comunicação do sistema operacional com o mundo externo.  Os dispositivos de entrada e saída são controlados pelos sistemas operacionais.  O S.O emite comandos para os dispositivos, realiza tratamento de erros e oferecer uma interface simples, que abranja todos os dispositivos do sistema.  Esses dispositivos apresentam uma grande variação de velocidades.
  94. 94. Sistemas de entrada/saída
  95. 95. Sistemas de entrada/saída  Para que o sistema operacional controle um dispositivo de E/S é necessário que interaja com um componente eletrônico chamado controlador de dispositivo e um dispositivo mecânico.  Controlador de dispositivo   Placa de circuito eletrônico. Dispositivo mecânico  É o dispositivo propriamente dito
  96. 96. Sistemas de entrada/saída  Exemplo: Mouse  O componente eletrônico seria o circuito que interpreta as coordenadas X e Y e envia para o SO posicionar o cursor na tela.  O componente mecânico seria a esfera ou o dispositivo ótico e os botões.
  97. 97. Sistemas de entrada/saída  Drivers de dispositivo são os programas que possibilitam a comunicação entre o S.O e o dispositivo.  São desenvolvidos pelo fabricante do dispositivo.  Cada S.O precisa do seus próprios drivers.  Além de controlar o dispositivo, o driver também trata os erros.
  98. 98. Sistemas de entrada/saída  Buffers:  Região de memória temporária utilizada para escrita e leitura de dados.  São utilizados quando existe uma diferença entre a taxa em que os dados são recebidos e a taxa em que eles podem ser processados.  Também são utilizados como armazenamento temporário (ex. buffer do HD).
  99. 99. Sistemas de entrada/saída  Maneiras que as operações de E/S são feitas:  E/S programada.  E/S orientada por interrupção.  E/S usando DMA.
  100. 100. Sistemas de entrada/saída  E/S programada:  Consiste em ter o processador dedicando-se totalmente ao periférico enquanto durar a comunicação.  O processador deve obter os dados do dispositivo E/S e transferi-los para memória.  Nesse tempo o processador nunca é interrompido.  Desvantagem: processador fica alocado enquanto não terminar a transferência.
  101. 101. Sistemas de entrada/saída  E/S orientada por interrupção:  Quando um dispositivo de E/S finaliza o seu trabalho gera uma interrupção que segue por meio do barramento, até o processador para ser atendido.  O sinal de interrupção faz com que o processador pare o que esta processando para atender essa interrupção.  Melhor do que a E/S programada, pois elimina ciclos de espera desnecessários, mas ainda o processador é usado em qualquer operação E/S.
  102. 102. Sistemas de entrada/saída Como acontece a interrupção
  103. 103. Sistemas de entrada/saída  E/S por DMA (Direct Memory Access)  O controlador de DMA faz todo o trabalho de transferência de dados de um dispositivo de E/S no lugar do processador principal.  A vantagem do DMA é diminuir as interrupções que chegam até o processador principal para que o sistema tenha um desempenho global melhor
  104. 104. Sistemas de entrada/saída
  105. 105. Sistemas de entrada/saída  A transferência dos dados ocorrem de duas maneiras:  Blocos de informação:   Dados são armazenados em blocos de tamanho fixo. Ex.: CD-Rom, HD. Caracteres:  Os caracteres são enviados e recebidos sem considerar qualquer estrutura. Ex.: Mouse, teclado, placa rede, impressora.
  106. 106. Sistemas de entrada/saída  Disco rígido (HD):  São considerados os repositórios de dados mais populares.  Constituídos por um ou vários discos sobrepostos unidos por um eixo central girando a uma velocidade constante. São organizados em cilindros, os quais contem trilhas. Essas trilhas sofrem outra divisão em setores com 512 bytes.
  107. 107. Sistemas de entrada/saída
  108. 108. Sistemas de entrada/saída  Para calcular a capacidade do disco:  Capacidade Real = cabeças x cilindros x setores x 512  Numero de cilindros = número de trilhas.
  109. 109. Sistemas de entrada/saída  Disco rígido (HD):  O tempo para ler/gravar é dado por:  Tempo de posicionamento (tempo necessário para mover o braço para o cilindro correto).  Atraso de rotação (tempo necessário para encontrar o setor correto sob o cabeçote de leitura/gravação).  Tempo de transferência real do dado.
  110. 110. Sistemas de entrada/saída  RAID (redundant array of inexpensive* disks):  Conjunto de discos redundantes e independentes que otimizam as operações de E/S e a segurança dos dados.  A estratégia é substituir um disco grande por vários discos menores.  Trabalha em cinco níveis*.
  111. 111. Sistemas de entrada/saída  RAID 0 – espalhamento de dados  RAID 1 – espelhamento de dados
  112. 112. Sistemas de entrada/saída  RAID 2 - Igual ao RAID 0, porém com esquema de detecção de erros.  RAID 3 – Versão simplificada do RAID 2, pois usa um disco rígido extra para armazenamento de informações de paridade
  113. 113. Sistemas de entrada/saída  RAID 4 – similar ao RAID 3, só que mais rápido por usar blocos de dados.  RAID 5 - Similar ao RAID 3 e 4, só que grava as informações de paridade dentro dos próprios discos.
  114. 114. RAID  Para saber mais sobre RAID acesse: http://www.clubedohardware.com.br/artig os/651 http://pt.wikipedia.org/wiki/RAID
  115. 115. Sistemas de entrada/saída  Disco ótico:  A informação gravada em um CD-Rom é lida por um feixe de laser de baixa intensidade.  O feixe de laser atravessa a cobertura de verniz, enquanto o motor gira o disco de resina plástica, e ao encontrar um sulco, a intensidade da luz refletiva muda. Essa intensidade é sentida por um foto-sensor que em seguida converte em um sinal digital.  Os CD-ROMs não têm cilindros concêntricos, como os discos magnéticos. Contem uma única espiral.
  116. 116. Sistemas de entrada/saída
  117. 117. Sistemas de entrada/saída  Gravação do CD-Rom  É utilizado um laser de alta potência para criar pontos negros na camada refletiva.  Onde o laser não atinge fica transparente.  Essa diferença simula a depressão e a superfície.
  118. 118. Sistemas de entrada/saída  Relógios:  Os relógios são considerados essenciais, pois mantêm a hora atualizada e evitam que um processo monopolize a CPU.  Gera interrupções.  Funções:  Manter a hora e o dia  Evitar que processos ocupem a CPU por muito tempo.  Contabilizar o uso da CPU, isto é, saber quanto tempo um processo esteve em execução.
  119. 119. Sistemas de entrada/saída  Gerenciamento de energia:  É função do S.O fazer o gerenciamento de energia.  Duas abordagens:  S.O desliga os componentes  S.O diminui a energia, causando perda de desempenho.
  120. 120. Sistemas de entrada/saída Consumo de energia de várias partes de um laptop
  121. 121. Sistemas de entrada/saída  Monitor:  O S.O coloca o monitor em um estado de “dormindo”.  Qualquer toque no teclado ou movimento no mouse o S.O “acorda” o monitor.
  122. 122. Sistemas de entrada/saída  Disco rígido (HD):  Consome muita energia para manter o disco girando mesmo quando não há atividade.  O S.O pode cortar totalmente a energia e qualquer atividade faz o disco voltar a funcionar.  Pode causar atrasos consideráveis.
  123. 123. Sistemas de entrada/saída  CPU:   Sempre que a CPU se torna ociosa o S.O reduz a voltagem dela. Memória:  A memória pode ser desligada.  Antes, todo o conteúdo é copiado para o disco rígido.
  124. 124. Sistemas de arquivos
  125. 125. Sistemas de arquivos  Todos os programas precisam armazenar e recuperar dados.  Os processos não podem armazenar grande quantidade de dados no seu espaço de endereçamento.  Quando o processo chega ao final os dados no seu espaço se perdem.  Precisamos que vários processos acessem os mesmos dados.
  126. 126. Sistemas de arquivos  A solução é utilizar um meio de armazenamento chamado arquivos.  Para criar arquivos é preciso informar um nome:  No MS-DOS os nomes eram limitados a 8 caracteres.  Nos S.O atuais podem ter até 255 caracteres.
  127. 127. Sistemas de arquivos  Estrutura dos arquivos:  Sequência de bytes    O S.O não se importa com o conteúdo do arquivo. O significado deve ser dado pelo programa do usuário. Sequência de registros  Arquivos são uma sequência de registros.  Esses registros possuem tamanho fixo.  Operação de leitura/escrita sobrepõe ou anexa um registro.
  128. 128. Sistemas de arquivos  Árvore de registros:  Cada registro contém um campo chave.  A árvore é ordenada pelo campo chave.  Facilita a busca por um registro dentro do arquivo.
  129. 129. Sistemas de arquivos
  130. 130. Sistemas de arquivos  Além do arquivo guardar o nome e os dados, ele pode associar informações como:    Data e hora de criação. Tamanho do arquivo. Esses itens são chamados atributos.
  131. 131. Sistemas de arquivos
  132. 132. Sistemas de arquivos  Diretórios:  Pode conter centenas de arquivos ou nenhum arquivo.  Pode conter outros diretórios.  A diferença do arquivo é que ele mantém uma tabela de ponteiros para outros arquivos/diretórios.
  133. 133. Sistemas de arquivos
  134. 134. Sistemas de arquivos  Nomes de caminhos:  Caminho absoluto:   Formado pelo caminho entre o diretório raiz e o arquivo. Caminho relativo:  Formado pelo caminho entre o diretório atual e o arquivo.
  135. 135. Sistemas de arquivos  Sistema de arquivos:  Um disco rígido pode ser dividido em uma ou mais partições.  Todo disco possui um setor 0 que chamamos de MBR (master boot record), que é utilizado para iniciar o computador.  O BIOS lê e executa o setor 0 do disco em busca de uma partição ativa.
  136. 136. Sistemas de arquivos  Esquema de partição de disco:  Superbloco: fornece informações tais como: identificação do sistema de arquivos, número de blocos do sistema de arquivos etc.  Blocos livres: informa a quantidade de blocos livres no sistema.  I-nodes: uma estrutura de dados com informações sobre os arquivos.  Diretório raiz: contem o topo da árvore de diretórios.  Arquivos e pastas: conteúdo propriamente dito.
  137. 137. Sistemas de arquivos Estrutura geral de uma partição do disco.
  138. 138. Sistemas de arquivos  Questão:  Como é feito o controle de quais blocos do disco estão relacionados com quais arquivos?  Em outras palavras, como os arquivos são gravados e distribuídos entre os blocos?  Métodos de gravação:  Alocação contínua.  Alocação por lista encadeada.  I-nodes
  139. 139. Sistemas de arquivos  Alocação contínua:  Consiste em armazenar cada arquivo em blocos contíguos.  Implementação simples.  Para localizar um arquivo basta saber o endereço do primeiro bloco e o número de blocos do arquivo.  Bom desempenho para leitura.  Desvantagem que o disco fica fragmentado.
  140. 140. Sistemas de arquivos
  141. 141. Sistemas de arquivos  Alocação por lista encadeada:  Os arquivos são armazenados em blocos lincados.  Os primeiros bits de cada bloco é o ponteiro para o próximo bloco.  Não acontece fragmentação.  Acesso aleatório lento, pois os blocos tem que ser lidos um de cada vez até chegar no arquivo desejado.
  142. 142. Tabela de alocação
  143. 143. Sistemas de arquivos  I-node  Estrutura de dados (pequena tabela) que mantém informações e os endereços de disco dos blocos do arquivo.  A principal diferença da tabela de alocação é que apenas o i-node fica na memória apenas quando o arquivo está em uso.
  144. 144. Sistemas de arquivos Esquema de um I-node
  145. 145. Sistemas de arquivos  Confiabilidade dos sistemas de arquivos:  O sistema de arquivos pode ser danificados por vários motivos:   HD defeituoso.   Queda de energia. Erro de software. Deve-se possuir copias de segurança.  Cópia física.  Cópia lógica.
  146. 146. Sistemas de arquivos  Exemplos de sistemas de arquivos:  CD-Rom:  ISO 9660: produzido com limitações para atender alguns sistemas operacionais (MS-DOS)  Estendido para Joliet :  Nome de arquivos longos.  Conjuntos de caracteres Unicode.  Diretório com profundidade maior que 8 níveis.
  147. 147. Sistemas de arquivos  Exemplos de sistemas de arquivos:   Windows: NTFS: até 16 TB.
  148. 148. Sistemas de arquivos  Exemplos de sistemas de arquivos:  Linux:   ext-3: 16 TB com journaling.  ReiserFS: 16 TB com journaling.  JFS: 4 PT (petabytes) com journaling.   ext-2: 16 TB XFS: 16 EX (exabytes) com journaling. Journaling: é um log que o SO faz antes de escrever qualquer dado no disco.

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