1 Hibernate Mapeamento Objeto-Relacional Prof. Alexandre Monteiro Recife.
1 Conceitos e Estrutura do SO Prof. Alexandre Monteiro Recife.
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1
Conceitos e Estrutura do SO
Prof. Alexandre Monteiro
Recife
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Contatos
Prof. Guilherme Alexandre Monteiro Reinaldo
Apelido: Alexandre Cordel
E-mail/gtalk: [email protected]
Site: http://www.alexandrecordel.com.br/fbv
Celular: (81) 9801-1878
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Agenda
•Revisão sobre hardware de computadores
•Conceitos sobre Sistemas Operacionais
•Chamadas ao sistema
•Estrutura de Sistemas Operacionais
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Revisão sobre hardware de computadores (1)
Componentes de um computador pessoal simples
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Processador
É o cérebro do computador – CPU.
Ciclo Básico do Processador
1. Busca a 1ª instrução da memória;
2. Decodifica para determinar seus operandos e qual operação executar;
3. Executa as operações subsequentes. O ciclo é repetido até que o programa pare.
Cada CPU tem um conjunto específico de instruções.
MMU (memory management unit): unidade de gerenciamento de memória.
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Processador Clock (ciclo de instrução) Um computador é algo que possui funções, tarefas e
coisas a fazer, ele precisa de um sinal de relógio para sincronizar as suas operações, assim como nós mesmos precisamos sincronizar as nossas.
Esse relógio é chamado de CLOCK, e ele é gerado por um oscilador eletrônico que fornece uma sequência ininterrupta de pulsos com períodos constantes.
A isso chamamos, de frequência. Portanto, quando falamos que um computador possui tanto de Hertz(Hz), estamos falando da velocidade que ele processa ou sincroniza algo.
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Processador Clock (ciclo de instrução) A cada intervalo de tempo T, que corresponde a um
período do sinal de clock, dá-se o nome de estado.
O estado é a unidade básica de tempo do microprocessador.
Cada instrução demora um número inteiro de estado para a sua completa execução.
Algumas instruções podem ter 4 estados, isto é, demoram 4 períodos do sinal de clock, outras podem chegar a ter 18 estados.
Por exemplo: O tempo gasto para processar uma instrução de 7 estados no microprocessador 8085 com um cristal que fornece um sinal externo do oscilador de 6,144 MHz é de , 2,28 microsegundos, pois a frequência do sinal de clock é de 3,072 MHz e o período, que corresponde ao estado, é de 325,52 ns(nano segundos).
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Revisão sobre hardware de computadores (2)
(a) Um pipeline de três estágios
(b) Uma CPU superescalar
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Revisão sobre hardware de computadores (3)
Típica hierarquia de memória• números mostrados são apenas aproximações
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Registradores
Registradores de propósito geral: armazena variáveis importantes e resultados temporários
Contador de Programas: contém o endereço de memória da próxima instrução a ser buscada. Depois que busca é atualizado para apontar a próxima instrução.
Ponteiro de Pilha: aponta para o topo da pilha atual na memória. A pilha contém uma instrução
PSW (program status word – palavra de estado do programa): contém os bits de códigos de condições de instruções de comparação, pelo nível de prioridade da CPU.
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Registrador Ponteiro de Pilha
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Cache (L1, L2), RAM e ROM
Cache: Memória extremamente rápida e cara.
• Cache hit vs. Cache Miss Cache L1 (16KB): dentro da CPU, decodifica instruções;
Cache L2 (4MB): armazena memória recente, mais lenta.
Memória RAM (4GB): volátil.
Memória CMOS: data/hora, disco de boot.
Memória ROM: boot, placas.
Memória Flash (portáteis): intermediária entre a RAM e a de disco
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Cache
(a) Chip quad-core com cache L2 compartilhada.
(b) Chip quad-core com cache L2 separada.
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Revisão sobre hardware de computadores(4)
Estrutura de uma unidade de disco (1 TB)
Setores de 512 bytes / 5400, 7200 e 10800 rpm /
braço setor – 1ms / braço disco – 5 a 10 ms
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Revisão sobre hardware de computadores (6)
(a) Passos para iniciar um dispositivo de E/S e obter uma interrupção
(b) Como a CPU é interrompida
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Revisão sobre hardware de computadores(7)
Barramentos (8): Estrutura de um sistema Pentium grande
BUS – Barramento Serial Universal
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Uma árvore de processos
• A criou dois processos filhos: B e C• B criou três processos filhos: D, E, e F
Conceitos sobre Sistemas Operacionais (1)
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(a) Um deadlock potencial. (b) um deadlock real.
Conceitos sobre Sistemas Operacionais (2)
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Conceitos sobre Sistemas Operacionais (3)
Sistema de arquivos de um departamento universitário
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Conceitos sobre Sistemas Operacionais (4)
Antes da montagem, • os arquivos do disco flexível são inacessíveis
Depois da montagem do disco flexível em b,• os arquivos do disco fazem parte da hierarquia de arquivos
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Conceitos sobre Sistemas Operacionais (5)
Dois processos conectados por um pipe
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Interfaces de um Sistema Operacional
Usuário – SO:
• Shell ou Interpretador de comandos
• GUI
Programas – SO:
• Chamadas ao Sistema
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Conceitos BásicosChamadas ao Sistema (System Call) Modos de Acesso:
• Modo usuário;• Modo kernel ou Supervisor ou Núcleo;• São determinados por um conjunto de bits localizados
no registrador de status do processador: PSW (program status word);
- Por meio desse registrador, o hardware verifica se a instrução pode ou não ser executada pela aplicação;
• Protege o próprio kernel do Sistema Operacional na RAM contra acessos indevidos;
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Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema (System Call) Modo usuário:
• Aplicações não têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware;
• Quando o processador trabalha no modo usuário, a aplicação só pode executar instruções sem privilégios, com um acesso reduzido de instruções;
• Por que? Para garantir a segurança e a integridade do sistema;
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Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema (System Call) Modo Kernel:
• Aplicações têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware;
• Operações com privilégios;• Quando o processador trabalha no modo kernel, a aplicação tem acesso ao conjunto total de instruções;
• Apenas o SO tem acesso às instruções privilegiadas;
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Conceitos Básicos Chamadas de Sistema (System Call) Se uma aplicação precisa realizar alguma instrução
privilegiada, ela realiza uma chamada ao sistema (system call), que altera do modo usuário para o modo kernel;
Chamadas de sistemas são a porta de entrada para o modo Kernel;
• São a interface entre os programas do usuário no modo usuário e o Sistema Operacional no modo kernel;
• As chamadas diferem de SO para SO, no entanto, os conceitos relacionados às chamadas são similares independentemente do SO;
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Conceitos Básicos Chamadas de Sistema TRAP: instrução que permite o acesso ao modo
kernel;
Exemplo:
• Instrução do UNIX: count = read(fd,buffer,nbytes);
Arquivo a ser lido
Ponteiro para o Buffer
Bytes a serem lidos
O programa sempre deve checar o retorno da chamada de sistema para saber se algum erro ocorreu!!!
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Chamadas ao Sistema
Endereço 0
Retorno
Colocar o código para read no registrador
TRAP
Empilha nbytes
Incrementa SPComando read
Empilha fdEmpilha &buffer
Manipulador de Chamadas
Dispatch
Endereço0xFFFFFFFFF
Biblioteca do ProcedimentoREAD
Chamada ao ProcedimentoREAD
Kernel SO
Espaço do
Usuário
1
32
4
5
6
7 8
9
10
Tabela de ponteiros para Chamadas
11
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29
11 Passos de uma Chamada ao Sistema read (fd, buffer, nbytes)
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30
Algumas Chamadas ao Sistema para Gerenciamento de Processos
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31
Algumas Chamadas ao Sistema para Gerenciamento de Arquivos
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32
Algumas Chamadas ao Sistemapara Gerenciamento de Diretório
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33
Algumas Chamadas ao Sistemapara Tarefas Diversas
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34
Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema
Chamadas da interface. Unix x Windows:• Unix
- Chamadas da interface muito semelhantes às chamadas ao sistema
- ~100 chamadas a procedimentos
Retorno
Colocar o código para read no registrador
TRAP
Empilha nbytes
Incrementa SPComando read
Empilha fdEmpilha &buffer
Manipulador de Chamadas
Dispatch
Windows Chamadas da interface
totalmente diferente das chamadas ao sistema
APIWin32 (Application Program Interface)
Padrão de acesso ao sistema operacional
Facilita a compatibilidade Possui milhares de procedimentos
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Chamadas ao Sistema (1)
O interior de um shell:
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Chamadas ao Sistema (2)
Os processos têm três segmentos:
texto, dados e pilha
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Chamadas ao Sistema (3)
(a) Dois diretórios antes da ligação de /usr/jim/memo ao diretório /usr/ast/note
link(“/usr/jim/memo”, “/usr/ast/note”)
(b) Os mesmos diretórios depois dessa ligação
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Chamadas ao Sistema (4)
(a) Sistema de arquivos antes da montagem
(b) Sistema de arquivos depois da montagem
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Chamadas ao Sistema (5)
Algumas chamadas da interface API Win32
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Baseados em Kernel (núcleo) Kernel é o núcleo do Sistema Operacional
Provê um conjunto de funcionalidades e serviços que suportam várias outras funcionalidades do SO
O restante do SO é organizado em um conjunto de rotinas não-kernel
Kernel
Hardware
Rotinas não kernel
Interface com usuário
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Estrutura dos Sistemas Operacionais
Principais tipos de estruturas:
• Monolíticos;• Em camadas;• Máquinas Virtuais;• Arquitetura Micro-kernel;• Cliente-Servidor;
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Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico Os serviços (chamadas) requisitados ao sistema são
realizados por meio da colocação de parâmetros em registradores ou pilhas de serviços seguida da execução de uma instrução chamada TRAP;
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Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico Todos os módulos do sistema são compilados
individualmente e depois ligados uns aos outros em um único arquivo-objeto;
O Sistema Operacional é um conjunto de processos que podem interagir entre si a qualquer momento sempre que necessário;
Cada processo possui uma interface bem definida com relação aos parâmetros e resultados para facilitar a comunicação com os outros processos;
Simples; Primeiros sistemas UNIX e MS-DOS;
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44
Estrutura de Sistemas Operacionais (1)
Modelo simples de estruturação
de um sistema monolítico
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45
Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico
M odo kernel
ap lica ção ap lica ção
M odo u suá rio
System ca ll
H a rdw are
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Estrutura dos Sistemas Operacionais - Monolítico
Programas de usuáriorodam em modo usuário
Rotinas do SO rodam em modo kernelProcedimentos de
Serviço
Programa de usuário 2
Programa de usuário 1 Chamada ao sistema (kernel)
Mem
ória
Pri
nci
pal
1
2
TRAP 3
Tabela de Escalonamento
4
Procedimentos de Serviços
Implementação de uma Chamada de Sistema
chaveamento da máquina do modo usuário para o modo kernel e transferência do controle para o Sistema
Operacional
Sistema Operacional examina os parâmetros da chamada para determinar qual procedimento
deve ser executado
SO indexa em uma tabela um ponteiro para o processo responsável
pela execução
a chamada é concluída e o controle volta ao programa
do usuário
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Em camadas Possui uma hierarquia de níveis;
Primeiro sistema em camadas: THE (idealizado por E.W. Dijkstra);
• Possuía 6 camadas, cada qual com uma função diferente;
• Sistema em batch simples;
Vantagem: isolar as funções do sistema operacional, facilitando manutenção e depuração
Desvantagem: cada nova camada implica uma mudança no modo de acesso
Atualmente: modelo de 2 camadas
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Em camadas
Fornecimento de Serviços
Camadas definidas no THE
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Idéia em 1960 com a IBM VM/370;
Modelo de máquina virtual cria um nível intermediário entre o SO e o Hardware;
Esse nível cria diversas máquinas virtuais independentes e isoladas, onde cada máquina oferece um cópia virtual do hardware, incluindo modos de acesso, interrupções, dispositivos de E/S, etc.;
Cada máquina virtual pode ter seu próprio SO;
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50
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Principais conceitos:
• Monitor da Máquina Virtual (VMM): roda sobre o hardware e implementa multiprogramação fornecendo várias máquinas virtuais é o coração do sistema;
• CMS (Conversational Monitor System):- TimeSharing;- Executa chamadas ao Sistema Operacional;
• Máquinas virtuais são cópias do hardware, incluindo os modos kernel e usuário;
• Cada máquina pode rodar um Sistema Operacional diferente;
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51
Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual
Instruções de E/S
Hardware (VMM)
VM/370
CMS CMSCMS
Cópias virtuais do 370s
TRAP
Chamadas ao sistema
TRAP
Monitor da Máquina Virtualroda sobre o hardware e
implementa multiprogramação
TimeSharing; Chamadas ao Sistema
Cada máquina pode rodar um Sistema
Operacional diferente
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual
A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes:
• Programas MS-DOS: rodam em computadores 32bits;
- As chamadas feitas pelo MS-DOS ao Sistema Operacional eram realizadas e monitoradas pelo monitor da máquina virtual (VMM);
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual
A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes:
• Programas JAVA (Máquina Virtual Java-JVM): o compilador Java produz código para a JVM (bytecode). Esse código é executado pelo interpretador Java:
- Programas Java rodam em qualquer plataforma, independentemente do Sistema Operacional;
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual
A idéia de máquina virtual foi posteriormente utilizada em contextos diferentes:
• Computação em nuvem- Virtualização dos servidores simula diferentes ambientes em
servidores físicos
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Máquina Virtual Vantagens
• Flexibilidade; Desvantagem:
• Simular diversas máquinas virtuais não é uma tarefa simples sobrecarga;
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Micro-Kernel
M odo kernel
M odo u suá rio
M icrokernel
H a rdw are
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Reduzir o Sistema Operacional a um nível mais
simples:
• Kernel: implementa a comunicação entre processos clientes e processos servidores Núcleo mínimo;
• Maior parte do Sistema Operacional está implementado como processos de usuários (nível mais alto de abstração);
• Sistemas Operacionais Modernos;
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor
Cada processo servidor trata de uma tarefa
• Os processos servidores não têm acesso direto ao hardware. Assim, se algum problema ocorrer com algum desses servidores, o hardware não é afetado;
• O mesmo não se aplica aos serviços que controlam os dispositivos de E/S, pois essa é uma tarefa difícil de ser realizada no modo usuário devido à limitação de endereçamento. Sendo assim, essa tarefa ainda é feita no kernel.
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Adaptável para Sistemas Distribuídos;
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Estrutura dos Sistemas Operacionais – Cliente/Servidor Linux
• Monolítico +Módulos
Windows• Microkernel + Camadas + Módulos
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Tarefa para casa.....
Ler capítulo 1 do Tanenbaum
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Unidades Métricas
Os prefixos métricos
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Referências
Sistemas Operacionais Modernos – 3ª Edição. A. Tanenbaum, 2008.
Modern Operating Systems 3 e. Prentice-Hall, 2008.