Sistemas operacionais, Notas de estudo de Informática

Baixe Sistemas operacionais e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity! 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 Sistema Operacional 1. Conceitos Básicos 1.1. 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: 1.1.1.. 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 (). 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. 1.1.2.. 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 - Visão do sistema operacional como interface entre os usuários e os recursos do sistema. 1.2. 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 2 Prof. Alessandro Zanini 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. 1.3.2.. 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 - Processamento batch Inicialmente, os programas passaram a ser perfurados em cartões, que, submetidos a uma leitora, eram gravados em uma fita de entrada (a). A fita, então, era lida pelo computador, que executava um programa de cada vez, gravando o resultado do processamento em uma fita de saída (b). Ao terminar de todos os programas, a fita de saída era lida e impressa (c). 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. 1.3.3.. 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. 5 Prof. Alessandro Zanini 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). 1.3.4.. 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. 1.3.5.. 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). 6 Prof. Alessandro Zanini 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. Fase Primeira (1945-1955) Segunda (1956-1965) Terceira (1966-1980) Quarta (1981-1990) Quinta (1991- ) Computad ores ENIAC EDVAC UNIVAK NCR 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 Hardware Válvulas 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 Software Linguagem 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 Telecomuni cações Telefone Teletipo Transmissão Digital Comunicação via satélite Microondas Redes distribuídas(WAN) Fibra óptica Redes Locais (LAN) Internet Redes Locais estendidas(ELAN) Redes sem fio Modelo cliente- servidor Desempenh o 10 ips 200.000 ips 5 Mips 30 Mips 1 Gflops 1 Tflops Tabela - Características de cada fase 7 Prof. Alessandro Zanini 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. 1.5. 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 9000/855S IBM 3090/600S VAX 9000/440 Tamanho máximo memória principal 256 Mb 512 Mb 512 Mb Tamanho máximo Memória cache 256 Kb 128 Kb por UCP 128 Kb por UCP Tabela - Relação entre as memórias cache e principal 1.6. 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 mostra a relação entre os diversos tipos de dispositivos de armazenamento apresentados, comparando custo, velocidade e capacidade de armazenamento. Figura - Relação entre os diversos tipos de dispositivos de armazenamento. 1.7. 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 10 Prof. Alessandro Zanini 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. 1.8. 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. 1.9. 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 - 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. 1.10. 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 (). Figura - 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. 1.11. Arquiteturas RISC e CISC 11 Prof. Alessandro Zanini 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). 1. 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. 2.2. 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 (). Figura - Tradutor 2.3. 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. 2.4. 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. 2.5. 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 - Linker. 2.6. Loader 12 Prof. Alessandro Zanini 3. Tipos de Sistemas Operacionais 1.19. 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 - 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 1.20. 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 - Sistemas monoprogramáveis/monotarefa 1.21. 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. 15 Prof. Alessandro Zanini 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 usuário Dois ou mais usuários Monoprogramação/ Monotarefa Monousuário N/A Multiprogramação/ Multitarefa Monousuário Multiusuário Tabela - 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. Figura - Tipos de sistemas multiprogramáveis/multitarefa 1.3.6.. 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. 1.3.7.. 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. 1.3.8.. 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 16 Prof. Alessandro Zanini 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. 1.22. 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 - Sistemas com múltiplos processadores. 1.23. 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 - Sistemas fortemente acoplados Figura - Sistemas fracamente acoplados 2.1.4.. 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 - Sistemas assimétricos. 17 Prof. Alessandro Zanini 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. 1.24.3.. Organização Funcional A organização funcional dos sistemas fracamente acoplados ou topologia define como são interligados fisicamente os diversos sistemas da rede. 1.24.3...1... 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 (). Neste tipo de topologia, caso haja algum problema com o meio de transmissão, todos os nós da rede ficarão incomunicáveis. Figura - Organização de Barramento 1.24.3...2... 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 (). Figura - Organização distribuída 20 Prof. Alessandro Zanini 4. 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 registro 0,0015 segundos Execução de 100 instruções 0,0001 segundos Total 0.0016 segundos Percentual de utilização da UCP 0,0001 = 0,066 = 6,6% 0,0015 Tabela - 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 - 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 . Nesta tabela, podemos notar que o Prog1 não realiza operações de E/S, enquanto o Prog2 e o Prog3 realizam muitos acessos a periféricos. Características Prog1 Prog2 Prog3 Utilização da UCP Grande Baixa Baixa Operações de E/S Poucas Muitas Muitas Tempo para execução 5 min. 15 min. 10 min. 21 Prof. Alessandro Zanini Espaço da memória utilizado 50 Kb 100Kb 80Kb Utiliza disco Não Não Não Utiliza terminal Não Sim Não Utiliza impressora Não Não Sim Tabela - 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 . Monoprogramação Multiprogramação Utilização da UCP 17 % 33% Utilização da memória 30 % 67% Utilização do disco 33 % 67% Utilização da impressora 33 % 67 % Tempo total para execução dos programas 30 min. 15 min. Taxa de execução de programas 6 prog./hora 12 prog./hora Tabela - Comparação entre monoprogramação x multiprogramação 2.8. 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 - 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 22 Prof. Alessandro Zanini Figura - 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. 2.12. 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. 2.13. 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. 25 Prof. Alessandro Zanini 5. 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. 1.1.3.. 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 (). Figura - 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 1.1.4.. 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 26 Prof. Alessandro Zanini 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 (). 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 - Chamada a uma rotina do sistema 1.1.5.. 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 1.1.5...1.. 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 - Sistemas monolíticos. 1.1.5...2.. 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 - 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. 27 Prof. Alessandro Zanini 6. Bibliografia 30 Prof. Alessandro Zanini 7. Essa apostila foi retirada do livro: - MACHADO, Francis Berenger e MAIA, Luiz Paulo. Arquitetura de Sistemas Operacionais, 2a. edição. Ed. LTC, 1997. 31 Prof. Alessandro Zanini