Sistemas Operacionais - (01) Introdução a Sistemas Operacionais

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Nesta disciplina iremos estudar como funciona um sistema operacional identificando seus componentes, problemas e características nos sistemas modernos. …

Nesta disciplina iremos estudar como funciona um sistema operacional identificando seus componentes, problemas e características nos sistemas modernos.
Serão abordados os fundamentos de sistemas operacionais relacionando-os a tarefas e problemas conhecidos nas implementações mais usuais. Essa abordagem possibilita a solução de problemas com fundamentação teórica e um bom uso das características de cada sistema.
Fornece ainda um grau de conhecimento que diferencia profissionais com uma formação adequada dos demais.

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  • 1. Sistemas Operacionais Introdução a Sistemas Operacionais Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 117/8/2013
  • 2. Objetivos  Identificar as funções e os componentes de um Sistema Operacional;  Diferenciar os tipos de Sistemas Operacionais existentes;  Identificar os modelos de estruturas existentes de Sistemas Operacionais;  Compreender os modos de acesso e o funcionamento de uma chamada ao sistema ("system call");  Compreender a importância e o funcionamento dos mecanismos de interrupção;  Compreender os fundamentos de sistemas concorrentes. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 217/8/2013
  • 3. Introdução Nesta aula, conheceremos as características de um Sistema Operacional e a importância desse sistema em um ambiente computacional. Para isso, trataremos de dois conceitos muito importantes para o entendimento dos sistemas modernos: interrupções e chamadas ao sistema. Serão abordados, também, os principais tipos de Sistemas Operacionais e suas características.  Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais;  Classificação de Sistemas Operacionais;  Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos;  Interrupções;  Conceitos de Concorrência. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 317/8/2013
  • 4. Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais Sistema Operacional é um conjunto de programas (software) responsável por:  fazer a interface com os usuários;  gerenciar recursos;  fazer a interface com o hardware. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 417/8/2013 Funções adicionais: contabilização de uso, segurança de acesso, auditoria.
  • 5. Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 517/8/2013 O Sistema Operacional é o intermédio entre o usuário e o hardware
  • 6. Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais Cada parte (módulo ou função) de um Sistema Operacional é responsável pelo gerenciamento de um recurso específico. Esses recursos são:  Tempo de CPU;  Espaço em memória;  Espaço em disco;  Acesso aos dispositivos de comunicação;  Bibliotecas de software. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 617/8/2013
  • 7. Conceitos Fundamentais de Sistemas Operacionais Gerenciar recursos é garantir a utilização compartilhada do recurso sem que ocorram erros que possam gerar instabilidade ou falha no sistema. Na visão do usuário, o Sistema Operacional fornece:  Acesso ao sistema;  Possibilidade de criar e gerir arquivos e diretórios;  Ambiente para execução de programas;  Acesso aos dispositivos de E/S;  Acesso ao conteúdo de arquivos;  Detecção de erros. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 717/8/2013
  • 8. Classificação de Sistemas Operacionais A classificação é utilizada como uma forma sintética de apresentar, em poucas palavras, as características de um Sistema Operacional. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 817/8/2013 Sistemas Monotarefa x Sistemas Multitarefa Sistemas Monousuário x Sistemas Multiusuário Sistemas Monoprocessados x Sistemas Multiprocessados
  • 9. Classificação de Sistemas Operacionais Definem a capacidade de gerenciar mais de uma tarefa ao mesmo tempo. Monotarefa: Admite e gerencia apenas uma tarefa em execução por vez. Exemplo: DOS. Multitarefa: Admite e gerencia várias tarefas em processamento concorrente. Exemplo: Windows XP, Windows 7, Linux, MacOS. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 917/8/2013 Sistemas Monotarefa x Sistemas Multitarefa
  • 10. Classificação de Sistemas Operacionais Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1017/8/2013 Executa Espera Executa Espera Monotarefa Executa Espera Executa Espera Espera Executa Espera Executa Multitarefa Programa A Programa B
  • 11. Classificação de Sistemas Operacionais Definem a capacidade de gerenciar mais de um usuário ao mesmo tempo, compartilhando os mesmo recursos de software e hardware. Monousuário: Admite e gerencia apenas um usuário – não permite que mais de um usuário esteja "logado" simultaneamente. Exemplo: Windows XP, Windows NT (exceto versão com Terminal Server). Multiusuário: Admite e gerencia vários usuários – permite que mais de um usuário esteja "logado" simultaneamente. Exemplo: Linux, VMS. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1117/8/2013 Sistemas Monousuário x Sistemas Multiusuário
  • 12. Classificação de Sistemas Operacionais Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1217/8/2013 Atenção: Todo Sistema Operacional Multiusuário é, obrigatoriamente, Multitarefa, pois cada usuário representa, no mínimo, uma tarefa para ser executada.
  • 13. Classificação de Sistemas Operacionais Possuem a capacidade de reconhecer e gerenciar computadores com mais de um processador. Monoprocessado: Somente reconhece e utiliza um processador. Exemplo: Windows 98. Multiprocessado: Reconhece e utiliza mais de um processador. Exemplo: Windows XP, Windows 7, Linux. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1317/8/2013 Sistemas Monoprocessados x Sistemas Multiprocessados
  • 14. Classificação de Sistemas Operacionais Sistemas em Tempo Real Sistemas que possuem um forte vínculo com o tempo. O resultado só é considerado correto se a execução acontecer no tempo previsto. O sistema deve garantir que uma tarefa possua todos os recursos necessários para sua execução em um intervalo de tempo pré-definido. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1417/8/2013 Outros sistemas com finalidades específicas Atenção: Não se trata de velocidade de processamento, e sim de garantia de tempo de resposta.
  • 15. Classificação de Sistemas Operacionais Sistemas Embarcados Sistemas inseridos em produtos com funções específicas, como telefones celulares. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1517/8/2013 Outros sistemas com finalidades específicas Atenção: Nem todo dispositivo eletrônico possui um microcontrolador, e nem todo aparelho com microcontrolador possui um Sistema Operacional.
  • 16. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Um velho conhecido pelos usuários de microcomputadores é a famosa "tela azul". Quem já utilizou sistemas operacionais antigos, como o Windows 95, certamente já se deparou com este problema. A "tela azul" era de fato uma violação de acesso que tornava o sistema instável. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1617/8/2013
  • 17. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos A partir do 80386, esse problema foi solucionado em termos de hardware através da possibilidade de 2 modos de execução: o modo protegido e o modo real. Ficava a cargo do sistema operacional a comutação entre esses dois modos por questões de compatibilidade. A instabilidade evidenciada pela "tela azul" tem razões históricas. Os primeiros processadores da linha x86 possuíam um único modo de operação: o modo real. Dessa forma, todas as operações poderiam ser executadas diretamente pelas aplicações que, ao produzir erros, geravam panes no sistema. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1717/8/2013
  • 18. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos As aplicações são executadas em modo usuário, ou seja, modo que não possui privilégios para operações que coloquem o sistema em risco, tais como, escrever no disco, criar novas tarefas, etc. Quando essas aplicações precisam executar tarefas críticas, é necessário que haja uma mudança para modo Kernel (núcleo do Sistema Operacional, responsável pelas tarefas críticas do sistema). Essa mudança ocorre através de uma "system call" (chamada ao sistema). Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1817/8/2013 Modo Usuário x Modo Kernel System Call (Chamada ao Sistema): Mecanismo responsável pela mudança de modo usuário para modo kernel. Ao invés de executar diretamente funções no kernel, a aplicação executa uma função intermediária, que verifica se o acesso ao kernel é seguro e, só então, completa a operação.
  • 19. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Voltando à "tela azul"... As aplicações podiam executar diretamente as funções do kernel sem a proteção da mudança de modo, ou seja, o erro acontecia após a execução de uma função do kernel. Com a mudança de modo, se a execução não for segura, a aplicação será impedida de continuar a execução e o sistema permanecerá estável. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 1917/8/2013
  • 20. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2017/8/2013 Exemplo do Linux de uma chamada ao sistema
  • 21. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2117/8/2013 Exemplo do Linux de uma chamada ao sistema setitimer(ITIMER_VIRTUAL, &timer, NULL); _syscall1(unsigned int, alarm, unsigned int, seconds) _system_cal() unsigned int alarm(unsigned int seconds) Invocação Wrapper Handler Rotina de serviço Mudança de Modo
  • 22. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Os sistemas são classificados em relação às atribuições do kernel e a relação entre seus módulos em monolíticos, camadas e microkernel. Os sistemas modernos são divididos em dois grandes grupos:  Arquitetura monolítica;  Microkernel. A diferença entre elas está nas atribuições do núcleo do Sistema Operacional, denominado KERNEL. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2217/8/2013 Tipos de Estrutura
  • 23. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Essa característica é muito importante no projeto de um Sistema Operacional e foi alvo de discussão entre dois grandes nomes da computação: Andrew Tanenbaum e Linus Torvalds. De um lado, Torvalds defendia um kernel monolítico por ser mais rápido e, de outro, Tanenbaum defendia o microkernel pela elegância e facilidade de adaptação e substituição de módulos. Quem ganhou? Os dois. Link: http://oreilly.com/catalog/opensources/book/appa.html Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2317/8/2013 Tipos de Estrutura
  • 24. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Todo o kernel é compilado e "linkado" em um único bloco, tornando o código eficiente, porém de difícil manutenção. A inclusão ou exclusão de um módulo requer que todo o kernel seja recriado. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2417/8/2013 Arquitetura Monolítica Nota: O kernel do Linux incorporou características modulares.
  • 25. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2517/8/2013 Arquitetura Monolítica
  • 26. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Somente as funções críticas fazem realmente parte do kernel. Demais funções são tratadas como tarefas e executam em modo usuário, fazendo chamadas ao kernel quando necessário. Essa arquitetura simplifica a manutenção, inclusão e exclusão de módulos do Sistema Operacional, não sendo necessário gerar um novo kernel a cada modificação e nem mesmo reiniciar o computador para ativação e desativação do módulo. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2617/8/2013 Arquitetura Microkernel
  • 27. Estruturas dos Sistemas Operacionais Modernos Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2717/8/2013 Arquitetura Microkernel
  • 28. Interrupções São sinais de hardware fundamentais para a existência de sistemas multitarefa, pois provocam a suspensão da tarefa em execução pela ocorrência de um evento externo, permitindo que outras tarefas compartilhem o tempo de uso do processador. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2817/8/2013 ATENÇÃO: Neste caso, o que está sendo compartilhado é o TEMPO DE USO do processador e NÃO o processador em si. Cada tarefa utiliza 100% do processador.
  • 29. Interrupções Parte do mecanismo é executada pelo hardware (identificação do dispositivo, empilhamento dos registradores de sistema) e parte é feita por software através da Rotina de Tratamento da Interrupção (interrupt handler). Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 2917/8/2013
  • 30. Interrupções As interrupções são geradas por dispositivos de hardware e podem ocorrer de forma síncrona ou assíncrona. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3017/8/2013 Relógio (temporizador)  síncrona Dispositivos de E/S (sinalização de conclusão)  assíncrona Falha de hardware (paridade de memória, erro de disco, etc.)  assíncrona
  • 31. Interrupções O termo interrupção é muitas vezes utilizado para qualquer atividade que suspenda a execução de uma tarefa, mesmo que seja solicitada pelo próprio programa. Utilizaremos, para este fim, o termo "estado de exceção". Estados de exceção: são provocados pela própria aplicação.  Estouro aritmético;  Divisão por zero;  Instrução ilegal;  Acesso não permitido;  Chamadas ao sistema. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3117/8/2013
  • 32. Interrupções Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3217/8/2013 ATENÇÃO: Mascaramento de interrupções: Capacidade de inibir a ação de uma interrupção. As interrupções de segurança não podem ser mascaradas.
  • 33. Interrupções As interrupções podem acontecer de forma sequencial ou em cascata. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3317/8/2013 Tipos de Interrupções
  • 34. Interrupções Uma interrupção só poderá ser atendida se nenhuma outra estiver em atendimento.  A Rotina de Serviço desabilita as interrupções;  Uma nova interrupção só é tratada após o retorno;  A interrupção pode demorar a ser tratada, o que pode eventualmente ocasionar uma perda de dados;  Finalizada a Rotina de Serviço de Interrupção, o processador verifica por interrupções adicionais. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3417/8/2013 Interrupção Sequencial
  • 35. Interrupções Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3517/8/2013 Interrupção Sequencial
  • 36. Interrupções Uma interrupção pode interromper a ação de uma rotina de tratamento de outra interrupção.  Interrupções têm prioridade;  Interrupções com alta prioridade interrompem Rotinas de Serviço de Interrupções de menor prioridade. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3617/8/2013 Interrupção em Cascata
  • 37. Interrupções Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3717/8/2013 Interrupção em Cascata
  • 38. Concorrência Compartilhar recursos significa que diferentes usuários ou programas usam os recursos de forma concorrente. Os recursos são limitados e, assim, o uso dos mesmos pelos diferentes programas ou usuários precisa ser controlado e administrado de forma a evitar possíveis conflitos ou uma alocação por tempo indeterminado de algum recurso. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3817/8/2013
  • 39. Concorrência Concorrência é a capacidade de execução concorrente de tarefas, permitindo um melhor aproveitamento de recursos.  Uma tarefa pode deixar a CPU por vontade própria, quando precisa aguardar por um recurso, ou por uma interrupção.  Em particular, uma interrupção de temporizador provoca a substituição da tarefa em execução, criando uma alternância entre as tarefas. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 3917/8/2013
  • 40. Concorrência Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4017/8/2013 ATENÇÃO: A alternância entre as tarefas pode dar a impressão de execução simultânea de tarefas, mas não é o que ocorre.
  • 41. Introdução a Sistemas Operacionais Exercícios de Fixação Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4117/8/2013
  • 42. Exercícios de Fixação 1. São funções do Sistema Operacional: a) Gerenciar recursos de hardware e fornecer um aplicativo para navegação na Internet. b) Gerenciar recursos de hardware e interface com o usuário. c) Interface com o usuário e correção ortográfica. d) Gerenciar recursos de software e interromper uma tarefa em execução. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4217/8/2013
  • 43. Exercícios de Fixação 1. São funções do Sistema Operacional: a) Gerenciar recursos de hardware e fornecer um aplicativo para navegação na Internet. b) Gerenciar recursos de hardware e interface com o usuário. c) Interface com o usuário e correção ortográfica. d) Gerenciar recursos de software e interromper uma tarefa em execução. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4317/8/2013
  • 44. Exercícios de Fixação 2. Para que uma aplicação execute instruções privilegiadas deverá executar um(a): a) Arquivo específico para gerenciamento de hardware. b) Interrupção de hardware. c) Solicitação ao administrador do sistema. d) Chamada ao sistema. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4417/8/2013
  • 45. Exercícios de Fixação 2. Para que uma aplicação execute instruções privilegiadas deverá executar um(a): a) Arquivo específico para gerenciamento de hardware. b) Interrupção de hardware. c) Solicitação ao administrador do sistema. d) Chamada ao sistema. Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4517/8/2013
  • 46. Exercícios de Fixação 3. O uso de interrupções permite a utilização de: a) Sistemas concorrentes. b) Comunicação de dados. c) Dispositivos de hardware como, teclado e mouse. d) Bibliotecas de software Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4617/8/2013
  • 47. Exercícios de Fixação 3. O uso de interrupções permite a utilização de: a) Sistemas concorrentes. b) Comunicação de dados. c) Dispositivos de hardware como, teclado e mouse. d) Bibliotecas de software Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4717/8/2013
  • 48. Introdução a Sistemas Operacionais Extras Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4817/8/2013
  • 49. Links  Navegando pelo kernel do Linux - http://lxr.linux.no/ Fagner S. de Lima - Sistemas Operacionais 4917/8/2013