01 - intro 2010

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Departamento de Engenharia Informtica

Introduo

Sistemas Operativos

2010/ 2011

2010 1 Jos Alves Marques / Carlos Ribeiro


Primeiras Perguntas

Onde est o valor de um sistema informtico?

O valor est na automatizao dos processos de negcio efectuado pelas Aplicaes Informticas

Nos dados de negcio

2010 Jos Alves Marques / Carlos Ribeiro 2

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Primeiras Perguntas

Para que serve o Sistema Operativo?

Para suportar eficientemente as aplicaes Para garantir segurana e fiabilidade das

operaes Garantir que no so afectadas pela mudana de

hardware e configurao



Para que serve um Sistema Operativo?

Gerir Recursos Seria difcil s aplicaes controlar todos os aspectos da

mquina fsica (interrupes, organizao da memria, dispositivos, ...)

SO permite abstrair os recursos fsicos, oferecendo s aplicaes um conjunto de recursos lgicos.

Exemplos?


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Alternativas ao Sistema Operativo

As linguagens de programao podiam produzir todo o cdigo necessrio para que um programa se executasse directamente sobre o hardware.

Desvantagens? O esforo de programao seria muito grande Um conjunto significativo de funes seria repetido Cada aplicao poderia optimizar o seu desempenho

mas globalmente a mquina ficaria subaproveitada. No seria possvel ter politicas globais de segurana,

tolerncia a faltas, optimizao



Para que serve um Sistema Operativo?

Fornecer uma interface de acesso / gesto dos recursos lgicos

Existem duas interfaces: 1.Interface Operacional

Comandos para usar / criar / eliminar recursos Exemplos?

2.Biblioteca de Funes do Sistema Operativos API para interagir com recursos do SO Exemplos?


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Misso do Sistema Operativo

Criar uma mquina virtual sobre a mquina fsica que oferea os recursos lgicos bsicos necessrios ao desenvolvimento das aplicaes

Independente do hardware onde se executa 2010 Jos Alves Marques / Carlos Ribeiro

Hardware

Sistema Operativo

Aplicaes Aplicaes Aplicaes

Mquina Fsica

Mquina Virtual

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2010 Jos Alves Marques / Carlos Ribeiro

Recursos Lgicos Recursos Fsicos virtualizados

Processos CPU

Espaos de endereamento virtuais Memria RAM, Unidade de Gesto de Memria

Ficheiros Discos e dispositivo de memria de massa

Perifricos virtuais Perifricos fsicos

Canais de Comunicao Partilha de memria, redes de dados

Utilizadores Utilizadores humanos

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CRITRIOS DE QUALIDADE DO SISTEMAS OPERATIVOS



Critrios de Qualidade do SO

Desempenho Gesto eficiente dos recursos fsicos que suportam os recursos lgicos

Segurana. Isolamento dos Utilizadores Permitir partilha segura de recursos lgicos

Fiabilidade e Disponibilidade Detectar um conjunto de faltas Tolerar um conjunto de erros

Interface de programao completa e simples. Facilitar a concepo das aplicaes, a sua manuteno e portabilidade

Interface de operao e gesto dos recursos lgicos fcil de utilizar


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UMA PERSPECTIVA DA EVOLUO HISTRICA



Evoluo histrica


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Monitor de Controlo

Permite ao utilizador: Carregar programas em memria, edit-los, etc. Resultados dos programas: listagens, fitas perfuradas

Cada utilizador tem um determinado tempo atribudo durante o qual tem o computador apenas para si

O monitor formado por um conjunto de utilitrios: Interpretador de linguagem de comando Compilador, Assemblador (Assembler) Editor de ligaes (linker) Carregador de programas em memria (loader) Biblioteca de rotinas para controlo de perifricos (consola, leitor de

cartes, etc.) Limitao Principal?



Monitor de Controlo


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Tratamento em Lotes (Batch)



Tratamento em Lotes (cont.)

Os perifricos mecnicos (ex.: impressoras, leitores/perfuradores de fita) eram muito lentos quando comparados com a velocidade de processamento do computador

Soluo inicial: Separar as Entradas/Sadas do processamento Entrada:

Computador auxiliar l os trabalhos e executar escreve-os para ficheiros em banda magntica Quando o trabalho em curso termina o SO vai lista de trabalhos e selecciona o prximo a

executar-se Sada

Em vez de imprimir directamente os programas escrevem a sada em ficheiros que so enviados para a impressora quando a aplicao termina - spooling

Evoluo: Os perifricos executam tarefas autnomas e avisam o processador do fim da sua

execuo atravs de interrupes. Execuo em paralelo dos programas e das E/S


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Multiprogramao

O mecanismo de interrupes permite multiplexar o processador entre vrias actividades concorrentes. No exemplo anterior entre um programa e as entradas/saidas, Mas esta capacidade de alternar a execuo pode ser estendida

multiplexagem de vrios programas residentes na memria.

Execuo concorrente de vrios programas: permite optimizar a utilizao do processador ex.: Programa P1 acede ao disco e fica bloqueado enquanto o

controlador de disco funciona; durante esse tempo, o Programa 2 pode ser executado pelo processador



Multiprogramao


Utiliza o

CPU Espera fim

de Entrada/Sada

Utiliza o

CPU Entrada /Sada

Utilizao do processador num sistema monoprogramado t

Programa J Programa J + 1 S.O S.O S.O

Programa J+3 S.O

Programa J + 2

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Utilizao do processador num sistema multiprogramado

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Tempo Partilhado

Cria a iluso que o computador est permanentemente disponvel para o utilizador

Impulsionado por: Aplicaes em que vrios utilizadores interactuavam directamente com o

sistema (sistemas de reservas) Descida dos preos dos terminais

Possvel porque a maioria das aplicaes interactivas usa pouco o processador

Ex.: CTSS (incio dos anos 60)


S.O S.O Utilizador N

Utilizador N + 1

Utilizador N +2 S.O

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Consequncias do Tempo Partilhado

Reviso dos algoritmos de escalonamento Definio de mecanismos de segurana Aparecimento dos sistemas de ficheiros


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Memria Virtual

Elimina a restrio fsica imposta pelo tamanho da memria fsica permitindo um grau de multiprogramao muito superior

Possvel pela propriedade da localidade 2010 Jos Alves Marques / Carlos Ribeiro 23


Interface Grfica


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Sistemas Distribudos

Consequncia da evoluo de: Redes de dados Computadores pessoais PC Sistemas abertos (normalizao oficial e de facto) Custo e desempenho da electrnica digital

Aplicaes iniciais: Mail, FTP SO tem vindo a englobar funcionalidade dos

sistemas distribudos Exemplos: protocolos de rede, sistema de ficheiros

distribudo 2010 Jos Alves Marques / Carlos Ribeiro 25


TIPOS DE SISTEMAS OPERATIVOS


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Tempo Virtual vs. Tempo Real

Tempo virtual: O tempo de execuo dos programas no tem relao com o tempo

cronolgico exterior ao computador. So os sistemas habituais utilizados na maioria dos computadores

quer os que se executam nas mquinas clientes, quer nos servidores (ex: Windows, Linux, MAC/OS)

Tempo real: Tentam garantir que o computador produz uma resposta a um

acontecimento externo num intervalo de tempo determinado. (Caso contrrio o sistema no cumpre a sua especificao falha.)



Sistemas de Tempo Real (cont.)

Os requisitos de tempo real no so idnticos para diferentes aplicaes, o que levou a distinguir dois tipos de sistemas tempo real Tempo real relaxado ou soft real time sistema onde se admite

que certas respostas a acontecimentos externos podem no ser dadas exactamente nos intervalos de tempo especficados

Tempo real estrito ou hard real time sistema onde o no cumprimento de um requisito temporal corresponde a uma falha.


A gesto de tempo real estrito obriga a um escalonamento de processos que torna estes sistemas totalmente incompatveis com o funcionamento em tempo virtual interactivo, por essa razo no os iremos considerar neste curso.

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Sistemas de Tempo Real

Inicialmente usados para controlo de processos industriais

Hoje tambm usados para jogos, sistemas de controlo em automveis, avies, etc.

Oferta extensa de SO de tempo real, na sua maioria usada em sistemas embebidos:

Exemplos destes ncleos VxWorks da Wind River Systems, VRTX da Mentor Graphics, LynxOS da LynuxWorks.



Sistemas Embebidos

Oferta extensa de SO usada em sistemas embebidos: Software integrado com o hardware O sistema no oferece interface para desenvolver

aplicaes Exemplos destes ncleos

Symbian, da empresa homnima, utilizado nos telefones Nokia,

Windows CE, usado nos Smartphones e pocket PC PalmOS da Palm, usado nos PDA.


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Sistemas Proprietrios vs. Abertos

1970s: Vasta oferta de SOs de tempo partilhado (Unix, VMS, OS390, ...)

Todos eles sistemas proprietrios: Tinham restries (legais e tcnicas) na sua utilizao e

cpia Desenvolvidos pelo fabricante de hardware Cdigo assembly, no divulgado Gera dependncias: aplicao / SO / Plataforma



Sistemas Abertos

Sistema portvel e interopervel Oferece uma interface normalizada Gnese no sistema Unix

Divulgao do cdigo fonte Interfaces de programao standard Encorajava o desenvolvimento de SW e HW por

terceiros No possvel responsabilizar o criador do software

Linux software livre (free software) open source, segue a licena GPL (General Public License)


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ORGANIZAO DO SISTEMA OPERATIVO



Organizao Tpica

SO divide-se em: Ncleo (kernel) dividido em mdulos Biblioteca das funes sistema (system calls) usadas pelas

aplicaes Processos sistema 2010 Jos Alves Marques / Carlos Ribeiro

Biblioteca de Funes do Sistema

Hardware

Gesto de Processos

Gesto de Memoria

Gestores de Perifricos

Sistema de Ficheiros

Comunicao entre Processos

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Base da segurana do sistema

Problema base


Memria do computador (podemos assumir endereamento real)

Programa A

Call Open

Ncleo

Open ()

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Base da segurana do sistema


Memria do computador (podemos assumir endereamento real)

Programa A

Call Open

Ncleo

Open ()

Open_syscall

Tabela de Interrupes

excepo

Modo Utilizador Modo Ncleo

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Modo Ncleo vs. Modo Utilizador

Processos (aplicaes) dos utilizadores no podem interferir com dados/execuo do SO.

Devem tambm estar vedadas s aplicaes dos utilizadores a execuo de determinadas instrues. Exemplos?

Tudo se baseia no processador: espaos de endereamento disjuntos, e diferentes modos de execuo

Barreira de proteco Para saltar essa barreira, a aplicao tem de invocar uma

interrupo de software



Modo Ncleo vs. Modo Utilizador


Rotina de biblioteca de chamada funo sistema X

Programa do Utilizador Executvel

Sistema operativo

Agulhagem

Funo sistema A

Funo sistema Z

trap

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Chamada Sistema


Formata parmetros

Chamada sistema

Excep o RTI

Guarda par metros na pilha e em registos Guarda par metros na pilha e em registos

Verifica se endere os Verifica se endere os so v lidos so v lidos

Formata parmetros

Chamada sistema

Excep o Modo utilizador Modo ncleo

Retira par metros de sa da Retira par metros de sa da

RTI

Retorno da chamada sistema Retorno da chamada sistema

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ORGANIZAO DO SISTEMA OPERATIVO (ALTERNATIVAS / SUPORTE EVOLUO)


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Estrutura Monoltica

Um nico sistema Internamente organizado em mdulos Estruturas de dados globais Problema: como dar suporte evoluo

Em particular, novos perifricos Soluo para este caso particular: gestores de dispositivos (device drivers) Problemas?



Sistemas em Camadas

Cada camada usa os servios da camada precedente Fcil modificar cdigo de uma camada Mecanismos de proteco maior segurana e robustez Influenciou arquitecturas como Intel Desvantagem principal?


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Micro-ncleo

Propostas de investigao separao entre: Um micro-ncleo de reduzidas dimenses e que s continha o

essencial do sistema operativo: Gesto de fluxos de execuo - threads Gesto dos espaos de endereamento Comunicao entre processos Gesto das interrupes

Servidores sistema que executavam em processos independentes a restante funcionalidade: Gesto de processos Memria virtual Device drivers Sistema de ficheiro



Micro-Ncleo


Sistema de

Barreira de proteco Microncleo do sistema operativo

Gestores de Protocolos Comunicao entre processos

Sistema de ficheiros

Microncleo do sistema operativo

Aplicaes Gestores de perifricos Protocolos de rede

Servidores

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Micro-Ncleo vs Monoltico



OS SISTEMAS DE REFERNCIA


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Evoluo Unix



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Unix


System calls

Terminal handing Sockets File naming Map- ping

Page faults Signal

handling Process

Creation and Termination

Raw tty

Cooked tty

Interrups and traps

Line disciplines

Network protocols

File systems

Virtual memory

Routing Buffer cache Page cache

Process scheduling

Character devices

Netwok device drivers

Disk device drivers

Process dispatching

Hardware

Gesto de Processos

Gesto de Memria

Gesto de Perifricos

Sistemas de Ficheiros

Comunicao

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Windows NT


Service processes

System Support

processes

User applications

Environment subsystems

Subsystem DLLs

User mode

Kernel mode

Windowing and graphics

Executive

Kernel Device drivers

Hardware abstraction layer (HAL)

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Windows NT


Ntdll.dll

System service dispatcher

I/O manager

Device and file system

drivers

(Kernel-mode callable interfaces)

File system cache

Object m

anager

Win32 USER GDI

Graphics drivers

Kernel

Hardware abstraction layer (HAL)

Plug and Play m

anager

Power m

anager

Security reference m

onitor

Virtual mem

ory

Process and threads

Configuration m

anager (registry)

Local procedure call

Sistem threads

User mode

Kernel mode

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01 - intro 2010

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