IV – Estrutura do Sistema Operacional
IV – Estrutura do Sistema Operacional
1. Introdução2. Funções do Núcleo3. Modo de Acesso4. Rotinas do S.O. e System Call5. Chamada a Rotinas do S.O.6. Linguagem de Comandos7. Ativação/Desativação do Sistema8. Arquiteturas do Núcleo
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1. Introdução
S.O.Conjunto de rotinas que ofereceserviços aos usuários e às suasaplicações
NúcleoKernel
Ferramentas que acompanham o S.O.:
UtilitáriosLinguagens de comando
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1. Introdução
Aplicações UtilitáriosLinguagem
de Comando
Rotinas do Sistema Operacional
Hardware
Kernel
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2. Funções do Núcleo
Seu funcionamento é diferente de umaaplicação convencional.
• As rotinas são executadas sem ordempredefinidas, com base em eventosdissociados do tempo (eventos assíncronos);
• Muitos desses eventos estão relacionados aohardware e a tarefas internas do próprio S.O.;
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2. Funções do Núcleo
Principais Funções do Núcleo
• Tratamento de interrupções e exceções;
• Criação e eliminação de processos e threads;
• Gerência de memória;
• Gerência de sistema de arquivos;
• Gerência de dispositivos de E/S;
• Suporte a redes locais e distribuídas;
• Contabilização do uso do sistema;
• Auditoria e segurança do sistema.
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2. Funções do Núcleo .................Principais Funções do Núcleo
Para um sistema multiprogramável háproblemas relativos à segurança como:
Considerando a utilização de mais de umusuário utilizando os mesmos recursos:
Exigências: O S.O. garante a confiabilidade dosrecursos concorrentes de todos os programas edados bem como da sua integridade fazendo:
Memória Processador
Dispositivos de E/S
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2. Funções do Núcleo .................Principais Funções do Núcleo
• Compartilhamento da CPU.
• Reserva de memória para dados e códigosarmazenados, implementando mecanismosde proteção.
• Para o caso em que diferentes programascompartilhem a mesma área de memória, oS.O. deve oferecer mecanismos para que acomunicação seja realizada de formasincronizada e controlada, evitandoinconsistência das informações.
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2. Funções do Núcleo .................Principais Funções do Núcleo
• No armazenamento simultâneo emdisco também é garantido a integridadedo S.O.
• Para a solução de diversos problemaoriginados pelo ambiente multipro-gramável, o S. O. deve implementarmecanismos de proteção que controlemo acesso concorrente aos diversosrecurso do sistema.
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3. Modo de Acesso
O sistema operacional deve permanecerprotegido, pois, uma vez corrompido, osprocessos ficarão inadequados.
Em geral os processadores possuem doismodos de acesso:
Modo Usuário
Modo Kernel
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3. Modo de Acesso
Modo Usuário: é o modo não privilegiadocom acesso a um número reduzido deinstruções.
Modo Kernel: Acessa o conjunto total deinstruções do processador.
O modo de acesso é determinado noregistrador de Status do processador queindica o modo de acesso corrente.
Através deste registrador o hardware verifica seas instruções podem ou não ser executada.
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4. Rotinas do S.O. (RSO) e System Call
As RSO compõem o núcleo do S.O. oferecendoserviços aos usuários e suas aplicações.
Possuem instruções privilegiadas
Para que estas rotinas sejam executadas, oprocessador deve estar no modo kernel,exigindo mecanismos de proteção (System Call).
Toda vez que uma aplicação chama uma rotinado S.O., o mecanismo de System Call é ativado.
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4. Rotinas do S.O. (RSO) e System Call
O S.O. verifica se a aplicação possui privilégios.Em caso negativo o desvio é impedido,sinalizando a impossibilidade ao programachamador.
Este mecanismo de proteção por software épreviamente definido pelo administrador dosistema.
Havendo privilégio, o processo ocorre conformefigura abaixo.
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4. Rotinas do S.O. (RSO) e System Call
Salva Contexto dos Registradores
Altera o modo do processador para
Kernel
Altera o modo do processador para
Usuário
Restaura Contexto dos Registradores
Aplicação
Rotina do S.O.
Modo kernel
Mo
do
Usu
ário
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Salva Contexto dos Registradores na pilha de controle
Altera o modo do processador para Kernel
Identifica a origem do evento
Restaura Contexto dos Registradores
Aplicação
Rotina do S.O.
Obtém o endereço da rotina de tratamento e carrega os registradores
Mo
do
ker
nel
Mo
do
Usu
ário
Altera o modo do processador para Usuário
4. Rotinas do S.O. (RSO) e System Call
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4. Rotinas do S.O. (RSO) e System Call
Instruções privilegiadas executadas no modousuário são bloqueadas por hardware parasolicitação de acesso à disco, o mecanismo desystem call verifica se a aplicação possuiprivilegio.
Em caso positivo, o modo usuário doprocessador é alterado para kernel, executa-se arotina de acesso e posteriormente retorna-se omodo para kernel.
Os mecanismos: System Call e proteção porHardware garantem a integridade do sistema.
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5. Chamada a Rotinas do S.O.
As chamada a RSO seguem o seguinte esquema.
Rotinas do S.O
Núcleo do S.O.
Hardware
Ap
licaç
ão
System Call Típico do Unix
System Services OpenVMS
API (Aplication Program Interface)Ms Windows
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5. Chamada a Rotinas do S.O.
Exemplo: Uso da API GetSystemTime para obtera hora do MS Widows.
Função: SystemTimeToDateTime converte ahora para o formato DataHoraT do Delphi e emseguida para o formato DataTimeToStr.
GetSystemTime(SystemTime);DataHoraT:=SystemToDateTime(SystemTime);DataHoraS:=DateTimeToStr(DataHoraT);RichiEdit1.Lines.Add(DataHoraS);
A última linha exibe a data e a hora do sistemaem uma janela previamente criada.
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5. Chamada a Rotinas do S.O.
As rotinas do sistema podem ser divididas porgrupos de funções.
Funções do System CallFunções System Call
Gerencia de processos e threads
• Criação e eliminação de processos ethreads
• Alteração das características de processose threads
• Sincronização e comunicação entreprocessos e threads
• Obtenção de informações entre processose threads
Gerencia de Memória
• Alocação e desalocação de memória
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5. Chamada a Rotinas do S.O.
Funções do System CallFunções System Call
Gerencia de Sistemas de arquivos
• Criação e eliminação de arquivos ediretórios
• Alteração das características de arquivos ediretórios
• Abrir e fechar arquivos• Leitura e gravação de arquivos• Obtenção de informações sobre arquivos e
diretórios
Gerencia de dispositivos
• Alocação e desalocação de dispositivos• Operações de entrada e saída em
dispositivos• Obtenção de informações sobre
dispositivos
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5. Chamada a Rotinas do S.O.
Cada S.O. possui o seu próprio conjunto derotinas, com nomes, parâmetros e formasde ativação específicos.
A aplicação de um S.O. não são portadasdiretamente para outro S.O. sem correçãodo programa fonte.
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5. Chamada a Rotinas do S.O.
Houve uma tentativa de padronização pelos institutosISO (International Organization for Standardization)e IEEE (Institute of Eletrical end Eletronic Enginners)resultando em um conjunto conhecido com PROXI(Portable Operating System Interface for Unix),voltada, inicialmente, para unificação de váriasversões do Unix.
O PROXI estabeleceu uma biblioteca padrão.
A maioria dos S.O.’s modernos oferece algum suporteao padrão PROXI(Ms Windows, IBM-AIX, UP-UX,SUN=Solaris)
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6. Linguagem de Comandos
É a linguagem que permite a comunicaçãodo usuário de forma simples como oS.O., permitindo, portanto, a execuçãode tarefas simples como:
• Criar, ler e eliminar arquivos• Consultar diretório• Verificar data e hora armazenadas no
sistema
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6. Linguagem de Comandos
Cada S.O. possui sua própria linguagem deComandos:
• OpenVMS – DCL (Digital Command Language)• VMS da IBM – JCL (Job Control Language)• Unix – Comandos do Shell
Exemplos para comandos do MS WindowsComando Descrição
dir Lista conteúdo do diretório
cd Altera diretório default
type Exibe conteúdo do arquivo
del Elimina arquivos
mkdir Cria um diretório
ver Mostra versão do windows
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6. Linguagem de Comandos
Algoritmo de execução do comando:
c:\>Comando
Chama as rotinas do sistema
O shell interpreta e verifica a sintaxe
Apresenta os resultados
Por não fazer parte do kernel, ointerpretador de comandos é flexível.
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6. Linguagem de Comandos
Usuário
Linguagem de Comandos
Interface Gráfica
Sistema Operacional
Hardware
Bach oushell scripts
Possibilitam a automatização de tarefas.
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7. Ativação/Desativação do Sistema
O S.O. reside no HD (ou DVD ou CD oupendrive).
É carregado no momento que se liga ocomputador pelo procedimentodenominado ativação do sistema (boot).
O programa boot loader é carregado emendereço fixo da ROM
Chama
POST(Power-On-Self-Test) – identificadordos possíveis problemas de Hardware
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7. Ativação/Desativação do Sistema
Verifica dispositivo de armazenamentoonde há um S.O. residente – nãohavendo, é apresentada uma mensagemde erro e a ativação é interrompida.
Sendo encontrado, um conjunto deinstruções é carregado para a memória elocalizado em um bloco específico (bootsector)
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7. Ativação/Desativação do Sistema
Além da carga, executa-se arquivos deinicialização onde são especificadosprocedimentos de customização econfiguração de hardware e softwareespecíficos para o ambiente.
S.O.
S.O.
MemóriaPrincipal
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7. Ativação/Desativação do Sistema
A maioria dos S.O.’s possuemprocedimento de desativação(shutdown) que garante a integridade domesmo.
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8. Arquiteturas do Núcleo
Projeto:
O projeto do S.O. é bastante complexopara atender os seguintes requisitos:
• Confiabilidade• Portabilidade• Fácil manutenção• Flexibilidade• desempenho
Podem serconflitantes
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8. Arquiteturas do Núcleo
Projeto:
Depende da arquitetura do hardware e dotipo de sistema que se deseja construir.
• Batch• Tempo de compartilhamento• Monousuário• Multiusuário• Tempo real, etc
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8. Arquiteturas do Núcleo
Os primeiros S.O. possuiam 1 milhão deinstruções em Assembly;
Evoluíram para 20 milhões de linhas decódigo modular em PL/I e Algol
Hoje possuem 40 milhões de linhas(Windows 2000) escrito em C/C++
As linguagens de alto nível facilitam odesenvolvimento e manutenção dos S.O.e melhoram a portabilidade.
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8. Arquiteturas do Núcleo
A desvantagem é que há perda dedesempenho.
Consequentemente os devices drivers,escalonador e rotinas de tratamento deinterrupção são desenvolvidos emassembly.
Tendência atual Orientação ao objeto
Benefícios:
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8. Arquiteturas do Núcleo
Benefícios:
• Melhoria de organização das funções erecursos do sistema;
• Redução do tempo de desenvolvimento;
• Maior facilidade na manutenção eextensão do sistema;
• Facilidade na implementação do modelode computação distribuída.
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8. Arquiteturas do Núcleo
Arquitetura Monolítica
Constituída de vários módulos compiladosseparadamente e posteriormente linkadosformando um grande e único programaonde os módulos podem interagirlivremente
Seu desenvolvimento e manutenção sãobastante difíceis.
Exemplo: MS-DOS, primeiros Unix
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8. Arquiteturas do Núcleo
Arquitetura Monolítica
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8. Arquiteturas do Núcleo
Arquitetura de Camadas
É dividida em níveis sobrepostos.
Cada camada possui um conjunto de funçõesque podem ser utilizadas apenas pelascamadas superiores.
Exemplo:THE (Thechnische Hogeschool Eindhoven)
construído em 1968 por Digkstra na Holanda.MULTICS e OpenVMS: possuindo camadas
concêntricas.
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8. Arquiteturas do Núcleo
Arquitetura de Camadas
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8. Arquiteturas do Núcleo
Arquitetura de Camadas
Vantagem:• Isolar as funções do S.O.• Criar hierarquia de níveis de modo de
acesso protegendo as camadas internas.
Desvantagem:• Fraco desempenho.• Cada nova camada implica na mudança do
modo de acesso.
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8. Arquiteturas do Núcleo
Arquitetura de Camadas
Atualmente a maioria dos S.O.’s possuemapenas duas camadas: usuário (nãoprivilegiada) e kernel (privilegiada).
Exemplo: maioria das versões do Unix e MSWindows
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8. Arquiteturas do Núcleo
Máquina Virtual
É um modelo virtual entre o hardware e oS.O, oferecendo uma cópia virtual dohardware, inclusive do modo de acesso.
Vantagens:• S.O.’s independentes no mesmo hardware• Segurança de acesso
Desvantagem: Complexidade
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Máquina Virtual
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8. Arquiteturas do Núcleo
Arquitetura Microkernel
Função Principal
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Arquitetura Microkernel
Constituída por um núcleo menor e maissimples.
Os serviços são disponibilizados através deprocessos onde cada um é responsável poroferecer um conjunto de funções:
• Gerência de arquivo• Gerencia de processos• Gerência de memória• Escalonamento
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8. Arquiteturas do Núcleo
Arquitetura Microkernel
É um modelo cliente servidor.
Clientesolicita
Servidorresponde
Nesta arquitetura os servidores não possuemacesso direto a certos componentes dosistema. Apenas o núcleo executa no modokernel.
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