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Sistemas Operacionais I
Parte III – Estrutura dos SOs
Prof. Gregorio Perez
gregorio@uninove.br
2007
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 2
Roteiro
Componentes do Sistema
Serviços
Estrutura dos Sistemas Operacionais
• Funções do Sistema Operacional
• Chamadas do Sistema (System Calls)
• Modos de Acesso
Arquitetura dos Sistemas Operacionais
• Sistema Monolítico
• Sistema em Camadas
• Microkernel (Cliente Servidor)
• Máquinas Virtuais
Questões
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 3
Componentes do Sistema
Os Sistemas Operacionais são complexos e possuem
estruturas diferentes
Divisão em partes definidas do sistema
• Gerência de Processos
• Gerência da Memória Principal
• Gerência de Arquivos
• Gerência do Sistema de E/S
• Gerência Secundária
• Redes
• Sistema de Proteção
• Interpretador de Comandos
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Componentes do Sistema
Gerência de Processos
Um processo é um programa em execução
• Um processo precisa de certos recursos
• tempo de CPU, memória, arquivos e dispositivos de E/S
O Gerenciamento de processos é responsável por
(em conjunto com o SO)
• Criar e excluir processos
• Suspender e retomar processos
• Oferecer mecanismos para:
• sincronismo de processos
• comunicação entre processos
Programa é uma entidade passiva
Processo é uma entidade ativa
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Componentes do Sistema
Gerência de Memória
Memória é um grande vetor de palavras ou bytes
• É um repositório de dados rapidamente acessíveis
• Cada elemento tem um com seu próprio endereço
Memória principal
• Dispositivo de armazenamento volátil
• Perde seu conteúdo em caso de falha de sistema
O Gerenciamento de memória é responsável por
(em conjunto com o SO)
• Alocar e desalocar espaço de memória conforme a necessidade
• Controlar as partes da memória são usadas e por quem
• Decidir quais processos devem ser carregados
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Componentes do Sistema
Gerência de Arquivos
Um arquivo é uma coleção de informações relacionadas
• Normalmente, os arquivos representam programas e dados
• Programas nos formatos de fonte e objeto
O Gerenciamento de Arquivos é responsável por
(em conjunto com o SO)
• Criação e exclusão de arquivos
• Criação e exclusão de diretórios
• Suporte a primitivas para manipulação de arquivos e diretórios
• Mapeamento de arquivos em armazenamento secundário
• Backup de arquivos em meios de armazenamento não voláteis
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Componentes do Sistema
Gerência de Armazenamento Secundário
Armazenamento Secundário
• Memória principal é volátil e muito pequena
• Usado para apoiar a memória principal
• Discos são o principal meio de armazenamento para programas e
dados
O Gerenciamento de Disco é responsável por
(em conjunto com o SO)
• Gerenciamento do espaço livre
• Alocação do armazenamento
• Escalonamento do disco
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Componentes do Sistema
Gerência de I/O
O sistema de E/S consiste em:
• Inclui buffering, sistema de caching e spooling
• Uma interface genérica controladora de dispositivos
• Drivers para dispositivos de hardware específicos
Buffering
• Armazenamento principal
Spooling
• Armazenamento secundário
ProcessadorProcessador
ArmazenamentoArmazenamento
Controlador
De Disco
Controlador
De Disco
Área de
transferência
Área de
transferência
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Componentes do Sistema
Redes (Sistemas Distribuídos)
Um sistema distribuído é um conjunto de processadores
• Fornece ao usuário acesso a vários recursos do sistema
• Cada processador possui sua própria memória local
• Não compartilham memória ou um relógio
Conexão por uma rede de comunicação
• A comunicação ocorre através do uso de um protocolo
O acesso a um recurso compartilhado permite:
• Maior velocidade de computação
• Maior disponibilidade de dados
• Maior confiabilidade
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Componentes do Sistema
Proteção
Mecanismo para controlar o acesso aos recursos do sistema
• Programas
• Processos
• Usuários
O mecanismo de proteção precisa
• Distinguir entre uso autorizado e não autorizado
• Especificar controles a serem impostos
• Fornecer um meio para a imposição
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Componentes do Sistema
Interpretador de Comandos
O usuário interage com o SO
Programa de leitura e interpretação de instruções de controle
• Interpretador de linha de comando ou Shell
• Função de apanhar e executar a próxima instrução de comando
Instruções de Controle dão comandos ao SO
• Tratamento de E/S
• Gerenciamento
• E/S, armazenamento secundário, arquivos e processos
• Proteção
• Uso da rede
Shell
• Interface Texto - Prompt de Comando
• Interface Gráfica - Windows
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Serviços do Sistema Operacional
Execução de Programa
• Capacidade para carregar um programa na memória e executá-lo
Operações de E/S
• Os programas do não podem executar operações de E/S
• SO deve prover os meios necessários
Manipulação do sistema de arquivos
• capacidade do programa para ler, gravar, criar e excluir arquivos
Comunicações
• Troca de informações entre processos
• Através de memória compartilhada ou passagem de mensagens
Detecção de erro
• Assegura computação correta
• Erros na CPU, hardware, memória, dispositivos de E/S e programas
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Serviços do Sistema Operacional
Funções Adicionais
Não usadas para auxiliar o usuário
Garantir operações eficientes do sistema
• Alocação de Recursos
• Alocação para diversos usuários ou múltiplas tarefas
• Contabilidade
• Controle e registro de usuários e recursos
• Proteção
• Controle de acesso aos recursos do sistema
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Introdução
Estrutura dos Sistemas Operacionais
Aplicação não seqüencial
• Rotinas
• Eventos Assíncronos
• Associados ao hardware
• Tarefas internas do SO
Kernel
• Software que contém o “núcleo” do sistema
Formado por Rotinas (procedimentos)
• Oferecem serviços
• Aos usuários
• Aplicações
• Rotinas do próprio sistema
Núcleo do Sistema
Ou Kernel
Núcleo do Sistema
Ou Kernel
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Estrutura dos Sistemas Operacionais
Chamadas do Sistema - System Calls
Mecanismo de Proteção do Núcleo
• Método usado para requisitar uma ação do Sistema Operacional
• Geralmente disponíveis como instruções em linguagem assembly
Cada Serviço tem um System Calls associado
Cada SO tem uma biblioteca de System Calls
Acesso por linguagens de alto nível
• Linguagens definidas para substituir a
linguagem assembly na programação de
sistemas permitem chamadas diretas (C/C++)
• Linguagens independentes da plataforma não
permitem chamada diretas (Java)
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Chamadas de Sistema
Modos de Acesso
Instruções Privilegiadas - Podem comprometer o sistema
Modo Usuário
• executa instruções não privilegiadas
Modo Kernel
• executa instruções privilegiadas
Aplicativos Aplicativos Aplicativos Aplicativos
usuário
kernel
Componentes
do SO
Interface das Chamadas de Sistemas
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Chamadas de Sistema
Passagem de Parâmetros
3 Métodos são usados para passagem de parâmetros
• Passar parâmetros via registradores
• Armazenar os parâmetros em uma tabela na memória
• O endereço na tabela é passado como um parâmetro em um
registrador
• O programa coloca (push) os parâmetros na pilha e o Sistema
Operacional retira (pop) os parâmetros da pilha
X: parâmetros
para chamada
Carrega endereço X
Chamada de sistema 13
Usa parâmetros
da tabela X
Programa de usuário Sistema Operacional
registrador
X
Código para
Chamada de
Sistema 13
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Chamadas de Sistema
Exemplos Interface API Win32 / Unix
Tanenbaum
Sistemas Operacionais Modernos
Ed. Pearson
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Chamadas de Sistema
Exemplos de Chamadas dos Componentes
Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos, Ed. Pearson
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Chamadas de Sistema
Exemplos de Chamadas dos Componentes
Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos, Ed. Pearson
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Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Sistema Operacionais Atuais tendem a ser complexos
• Devem prover muitos serviços
• Suportam uma grande variedade de software e hardware
A organização (arquitetura) dos Sistemas Operacionais
auxiliam o gerenciamento de sua complexidade
• Organização dos componentes do sistema operacional
• Especificam o privilégio com o qual cada componente será
executado
Mais Utilizadas
• Arquitetura Monolítica
• Arquitetura em Camadas
• Arquitetura Cliente / Servidor
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AplicativosAplicativos
AplicativosAplicativos
Modo
usuário
Modo
kernel
Kernel do SO
Hardware
Interface das Chamadas de Sistemas
MM IPC
IO PS FS Net
MM – Gerência de Memória
PS – Escalonador de Processador
IPC – Comunicação Interprocessos
FS- Sistema de Arquivos
IO – Gerência de Entrada e Saída
Net – Gerência de Redes
Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Sistema Monolítico
Organização mais comum
• Cada componente é contida no Kernel
• Rotinas podem interagir livremente entre si
• System Calls dispara o processo
OS/360
VMS
Linux
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Sistema Monolítico
Vantagens e Desvantagens
Vantagens
• Tende a ser altamente eficiente
Desvantagens
• Dificuldade de determinar a origem de erros sutis
• Particularmente suscetíveis a códigos maliciosos
(todo código é executado com acesso irrestrito ao sistema)
Podem se tornar “desajeitados”
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Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Sistemas em Camadas
Divisão dos componentes do SO em camadas sobrepostas
• Cada camada oferece um conjunto de funções
• Funções podem ser utilizadas por outros módulos
• Cada camada se comunica apenas com camadas
imediatamente acima ou abaixo
• Camada inferior (camada 0) é o hardware
• Camada superior (camada N) é a interface com o usuário
Windows NT
Windows XP
Linux
Sistema THE (Technische Hogeschool
Eindhoven) - Dijkstra – Holanda (1968)
Programas de UsuáriosProgramas de Usuários
Gerência de Entrada / SaídaGerência de Entrada / Saída
ComunicaçãoComunicação
Gerência de MemóriaGerência de Memória
Alocação e Escalonamento
de Processos
Alocação e Escalonamento
de Processos
44
33
22
11
00
Ha
rd
wa
re
Ha
rd
wa
re
Modo
Usuário
Modo
Usuário
Modo
Kernel
Modo
Kernel
UsuárioUsuário
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Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Sistemas em Camadas
MS-DOS
• Sistema em camadas
simples
OS/2
• Descendente do MS-DOS - multitarefa
• O usuário sem acesso aos recursos de
baixo nível
• SO tem maior controle de hardware
Programa de Aplicação
Programa residente do sistema
Drivers de dispositivos
do MS-DOS
Drivers de dispositivos do ROM BIOS
Driver de dispositivo
• Gerência de memória
• Despacho de tarefas
• Gerência de dispositivos
Kernel do sistema
subsistema subsistema subsistema
Interface de programa de aplicação (API) Extensão da API
Aplicação Aplicação Aplicação
Driver de dispositivo Driver de dispositivo
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Sistemas em Camadas
Vantagens e Desvantagens
Vantagens
• Sistema mais Modular
• Isolar as funções do SO
• Facilita alteração e depuração
• Hierarquia de níveis de modos de acesso
• Interface protege a implementação (encapsulamento)
• Camadas internas fornecem o serviço para as camadas externas
Desvantagens
• Processo pode ter que passar por muitas camadas antes da
execução
• Eficiência pode ser reduzida em relação ao sistema monolítico
KernelKernel
ExecutivoExecutivo
SupervisorSupervisor
UsuárioUsuário
MULTICS e VMS
Mais interna – mais privilegiada
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Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Sistema de Microkernel (Cliente/Servidor)
Núcleo (kernel) menor, mais simples e expansível
• Prover pequeno número de serviços
• Sistema dividido em processos
• Cada processo responsável por conjunto de serviços
• de arquivos, de criação de processos, de memória, ..
Todos os componentes podem
se comunicar
Windows XP
Linux
UNIX e MacOS X Server
• (kernel Mach)
Processo
Cliente
(usuário)
Processo
Cliente
(usuário)
requisição
resposta
Realiza a
tarefa
Realiza a
tarefa
Processo
Servidor
Processo
Servidor
Troca de Mensagens
(função do núcleo)
Troca de Mensagens
(função do núcleo)
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Sistema Cliente Servidor
Modos de Acesso
Servidores executam o pedido no modo usuário
Apenas o Núcleo executa no modo kernel
AplicativosAplicativos
AplicativosAplicativos
Modo
usuário
Modo
kernel
Gerência de
memória
...IOPSFS
sincronização
IPC
Kernel
Interface das Chamadas de Sistemas
PS – Servidor de Processos
FS- Servidor de Arquivos
IO – Servidor de E / S
...
IPC – Comunicação Interprocessos
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 29
Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Sistema de Microkernel
Estrutura do Windows NT
• Estrutura híbrida
• Parte em Camadas
Estrutura do MacOS X
• kernel Mach
Ambiente de Aplicação
e Serviços Comuns
Mach
BSD
Ambiente
do kernel
Kernel
Aplicações
win32
Aplicações
win32
Servidor
win32
Servidor
win32
Aplicações
OS/2
Aplicações
OS/2
Servidor
OS/2
Servidor
OS/2
Aplicações
POSIX
Aplicações
POSIX
Servidor
POSIX
Servidor
POSIX
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 30
Sistema Cliente Servidor
Vantagens
Serviço pode parar sem comprometer o sistema
Alto grau de modularidade
• Portável e Expansível
• Isolar Funções do SO por processos (Servidores)
• Mais fácil manutenção
Independente da quantidade de processadores
• Sistemas múltiplos processadores (fortemente acoplados)
• Sistemas distribuídos (fracamente acoplados)
Cliente / Servidor em ambiente distribuído
• Resposta pode ser processada remotamente
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 31
Sistema Cliente Servidor
Desvantagens
Implementação difícil
• Funções do SO que exigem acesso direto ao hardware
por exemplo: operações de Entrada / Saída
Aumento do nível de comunicação inter-modular
• Pode degradar a eficiência do Sistema
Usualmente:
Combinação de modelo em Camadas com Cliente/Servidor
Ex. Windows NT
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 32
Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Máquinas Virtuais
Conclusão lógica da técnica de Camadas
Hardware e o Kernel como se ambos fossem hardware
Uma MV oferece interface idêntica à do hardware básico
O sistema operacional cria a ilusão de múltiplos processos,
cada um sendo executado em seu próprio processador, com
sua própria memória (virtual)
IBM - VM
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 33
Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Máquinas Virtuais
Máquina Não Virtual
IBM VM / 370
Máquina Virtual
processos
kernel
hardware hardware
Implementação da máquina virtual
processos
kernel
VM1
processos
kernel
VM1
processos
kernel
VM1
Interface de
Programação
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 34
Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Máquinas Virtuais
VMWare
Silberschatz et al.
Operating Systems
7a ed.
Ed. Elsevier
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 35
Máquina Virtual
Vantagens e Desvantagens
Vantagens
• Provê proteção completa dos recursos do sistema
• cada MV é completamente isolada de todas as outras MV
• Não existem problemas de segurança
• Veículo perfeito para pesquisa e desenvolvimento de SO
• O desenvolvimento do sistema é feito na máquina virtual, e não em
uma máquina física, e não interrompe a operação normal do sistema.
Desvantagens
• O isolamento não permite compartilhamento direto dos recursos
• Implementação de compartilhamento pode ser feito por software
• Compartilhamento pode ser feito por rede de comunicação virtual
• Conceito de MV difícil de implementar devido ao esforço
necessário para oferecer uma duplicata exata da máquina
utilizada
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 36
Máquina Virtual Java (JVM)
Os programas Java compilados são bytecodes para plataforma
neutra executados por uma Máquina Virtual Java (JVM)
A JVM consiste em
• Carregador de classes
• Verificador de classe
• Interpretador de tempo de execução
Os compiladores Just-In-Time (JIT) aumentam o desempenho
Carregador
de classes
Interpretador
Java
Sistema Operacional
(Windows, Linux, etc...)
Programa
Java
Java
API
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 37
Arquitetura dos Sistemas Operacionais
Questões
O que é Kernel ? Cite 3 das
principais funções do Kernel
Qual a diferença entre Kernel e
Shell ?
Qual é a finalidade do interpretador
de comandos? Por que ele
normalmente é separado do
kernel?
Explique o que são as Chamadas
do Sistema e porque são
necessárias
Quais são os modos de Acesso às
instruções do núcleo
Por que é arriscado permitir que
usuários executem livremente
operações de leitura e escrita para
qualquer região do disco ?
Como funciona um Sistema
Monolítico ? Qual a sua principal
desvantagem ?
Em que condição o Sistema em
Camadas será menos eficiente que
o Sistema Monolítico ?
Como o Sistema de microkernel
difere do Sistema em Camadas ?
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 38
Questões
Quais as vantagens de um Sistema
Cliente Servidor (microkernel) e
como ele pode promover a
portabilidade ?
Qual é a principal vantagem para
um projetista de sistema
operacional em usar uma
arquitetura de máquina virtual?
Por que Java oferece a capacidade
de chamar métodos nativos que
são escritos, digamos, em C ou
C++? Dê um exemplo em que um
método nativo é útil.
Por que um compilador just-in-
time é útil para a execução de
programas Java?
O sistema operacional
experimental Synthesis possui um
assembler incorporado dentro do
kernel. Para otimizar o
desempenho da chamada de
sistema, o kernel monta rotinas
dentro do seu espaço para diminuir
o caminho que a chamada de
sistema precisa percorrer no
kernel. Essa técnica é a antítese da
técnica em camadas, em que o
caminho pelo kernel é estendido
para facilitar a montagem do
sistema operacional.
• Discuta os prós e os contras da
técnica do Synthesis para o projeto
do kernel e a otimização do
desempenho do sistema.
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2007 Sistemas Operacionais I - parte III - Estrutura - prof. Gregorio Perez 39
Referência Bibliográfica
Sistemas Operacionais
• Deitel, Deitel e Choffnes;
• Ed. Pearson 3a Edição
• www.prenhall.com/deitel_br
Sistemas Operacionais, Conceitos e Aplicações
• A. Silberschatz, P. Galvin, G. Gagne;
• Ed. Campus Tradução da 6a Edição
• www.wiley.com/college/silberschatz6e/
0471417432/slides/slides.html
Sistemas Operacionais Modernos
• Andrew Tanenbaum;
• Ed. Pearson 2a Edição
• www.prenhall.com/tanenbaum_br
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