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Sistemas de Computação

Vista simplificada de um sistema de computação

Um sistema operativo é um sistema/programa base que é executado pelo sistema computacional.

• Controla diretamente o hardware
• Providencia uma camada de abstração para que os restantes programas possam interagir com o hardware de forma indireta

Podem ser classificados em dois tipos:

1. gráficos:
   • utilizam um contexto de janelas num ambiente gráfico
   • os elementos principais de interação são os ícones e os menus
   • a principal ferramente de input da interação humana é o rato
2. textuais (shell):
   • baseado em comandos introduzidos através do teclado
   • uma linguagem de scripting/comandos¹

Os dois tipos não são mutualmente exclusivas.

• Windows: sistema operativo gráfico que pode lançar uma aplicação para ambiente textual
• Linux: sistema operativo textual que pode lançar ambiente gráfico

Vista geral

Os sistemas de operação podem ser vistos segundo duas perspectivas:

1. Extended Machines
2. Resource Manager

Extended Machine

O sistema operativo fornece níveis de abstração (APIs) para que os programas possam aceder a partes físicas do sistema, criando uma "máquina virtual":

• Os programas e programadores têm uma visão virtual do computador, um modelo funcional
  • Liberta os programadores de serem obrigados a saber os detalhes do hardware
• Acesso a componentes do sistema mediado através de system calls
  • Executa o core da sua função em root (com permissões de super user)
  • Existem funções que só podem correr em super user
  • Todas as chamadas ao sistema são interrupções
  • Interface uniforme com o hardware
  • Permite as aplicações serem portáteis entre sistemas de computação estruturalmente diferentes
• O sistema operativo controla o espaço de endereçamento físico criando uma camada de abstração (memória virtual)

Tipos de funções da extended machine

• Criar um ambiente interativo que sirva de interface máquina-utilizador
• Disponibilizar mecanismos para desenvolver, testar e validar programas
• Disponibilizar mecanismos que controlem e monitorizem a execução de programas, incluindo a sua intercomunicação e e sincronização
• Isolar os espaços de endereçamento de cada programa e gerir o espaço de cada um deles tendo em conta as limitações físicas da memória principal do sistema
• Organizar a memória secundária ² em sistema de ficheiros
• Definir um modelo geral de acesso aos dispositivos de I/O, independentemente das suas características individuais
• Detetar situações de erros e estabelecer protocolos para lidar com essas situações

Resource Manager

Sistema computacional composto por um conjunto de recursos:

• processador(es)
• memória
  • principal
  • secundária
• dispositivos de I/O e respetivos controladores

O sistema operativo é visto como um programa que gere todos estes recursos, efetuando uma gestão controlada e ordenada dos recursos pelos diferentes programas que tentam aceder a estes. O seu objetivo é maximizar a performance do sistema, tentando garantir a maior eficiência no uso dos recursos, que são multiplexados no tempo e no espaço.

Evolução dos Sistemas Operativos

Primórdios : Sistema Electromecânico

• 1ª Geração: 1945 - 1955

  • Vacuum tubes
  • electromechanical relays -No operating system -programed in system
  • Program has full control of the machine
  • Cartões perfurada (ENIAC)

• 2ª geração: Transistores individuais

• 4ª Geração (1980 - presente)

  Technology	Notes
  LSI/VLSI	Standard Operation systems (MS-DOS, Macintosh, Windows, Unix)
  personal computers (microcomputers)	Network operation systems
  network

• 5ª Geração (1990 - presente)

Technology	Notes
Broadband, wireless	mobile operation systems (Symbian, iOS, Android)
system on chip	cloud computing
smartphone	ubiquitous computing

Taxonomia de Sistemas Operativos

Classificação com base no tipo de processamento

• Processamento em série
• Batch Processing
  • Single
  • Multiprogrammed batch
• Time-sharing System
• Real-time system
• Network system
• Distributed System

Multiprogrammed batch

• Propósito: Otimizar a utilização do processador
• Método de Otimização: Enquanto um programa está à espera pela conclusão de uma operação de I/O, outro programa usa o processador

Interactive System (Time-Sharing)

• Propósito:
  • Proporcionar uma interface user-friendly
  • Minimizar o tempo de resposta a pedidos externos
• Método:
  • Vários utilizadores mas cada um no seu terminal
  • Todos os terminais têm comunicação direta e em simultâneo com o sistema
  • Usando multiprogramação, o uso do processador é multiplexado no tempo, sendo atribuído um time-quantum a cada utilizador
  • No macrotempo é criada a ilusão ao utilizador que possui o sistema só para si

Real Time System

• Propósito: Monitorizar e (re)agir processo físicos
• Método: Variante do Sistema Interativo que permite import limites máximos aos tempos de resposta para diferentes classes de eventos externos

Network Operating System

• Propósito: Obter vantagem com as interconexões de hardware existentes de sistemas computacionais para estabelecer um conjunto de serviços comuns a uma comunidade.

A máquina é mantêm a sua individualidade mas está dotada de um conjunto de primitivas que permite a comunicação com outras máquinas da mesma rede:

• partilha de ficheiros (ftp)
• acesso a sistemas de ficheiros remotos (NFS)
• Partilha de recursos (e.g. impressoras)
• Acesso a sistemas computacionais remotos:
  • telnet
  • remote login
  • ssh
• servidores de email
• Acesso à internet e/ou Intranet

Distributed Operating System

• Propósito: Criar uma rede de computadores para explorar as vantagens de usar sistemas multiprocessador, estabelecendo uma cada de abstração onde o utilizador vê a computação paralela distribuída por todos os computadores da rede como uma única entidade
• Metodologia: Tem de garantir uma completa transparência ao utilizador no acesso ao processador e outros recursos partilhados (e.g. memória, dados) e permitir:
  • distribuição da carga de jobs (programas a executar) de forma dinâmica e estática
  • automaticamente aumentar a sua capacidade de processamento de forma dinâmica se
    • um novo computador se ligar à rede
    • forem incorporados novos processadores/computadores na rede
  • a paralelização de operações
  • implementação de mecanismos tolerantes a falhas

Classificação com base no propósito

• Mainframe
• Servidor
• Multiprocessador
• Computador Pessoal
• Real time
• Handheld
• Sistemas Embutidos
• Nós de sensores
• Smart Card

Multiprocessing vs Multiprogramming

Paralelismo

• Habilidade de um computador executar simultaneamente um ou mais programas
• Necessita de possuir uma estrutura multicore
  • Ou processadores com mais que um core
  • Ou múltiplos processadores por máquina
  • Ou uma estrutura distribuída
  • Ou uma combinação das anteriores

Se um sistema suporta este tipo de arquitectura, suporta multiprocessamento

O multiprocessamento pode ser feito com diferentes arquitecturas:

• SMTP - symmetric processing (SMP)
  • Computadores de uso pessoal
  • Vários processadores
  • A memória principal é partilhada por todos os processadores
  • Cada core possui cache própria
  • Tem de existir mecanismos de exclusão mútua para o hardware de suporte ao multiprocessamento
  • Cada processador vê toda a memória (como memória virtual) apesar de ter o acesso limitado
• Planar Mesh
  • Cada processador liga a 4 memória adjacentes

Concorrência

• Ilusão criada por um sistema computacional de "aparentemente" ser capaz de executar mais programas em simultâneo do que o seu número de processadores
• Os processador(es) devem ser atribuídos a diferentes programas de forma multiplexada no tempo

Se um sistema suporta este tipo de arquitectura suporta multiprogramação

Estrutura Interna de um Sistema Operativo

Um sistema operativo deve:

• Implementar um ambiente gráfico para interagir com o utilizador
• Permitir mais do que um utilizador
  • Tanto simultânea como separadamente
• Ter capacidade de ser multitasking, i.e., executar vários programas ao mesmo tempo
• Implementar memória virtual
• Permitir o acesso, de forma transparente ao utilizador, a:
  • sistemas de ficheiros locais e/ou remotos (i.e., na rede)
  • dispositivos de I/O, independentemente da sua funcionalidade
• Permitir a ligação da máquina por rede a outras máquinas
• Conter um bom conjunto de device drivers
• Permitir a ligação de dispositivos plug and play ¹

Design de um sistema operativo

Por estas razões, um sistema operativo é complexo, com milhões de linhas de código. O design e implementação do seu kernelpode seguir as seguintes filosofias:

• Monolithic
• Layered (por camada)
• Microkernels
• Client-Server Model
• Virtual Machines
• Exokernels

Monolithic system

• A perspectiva mais utilizada
• Só existe um único programa a ser executado em kernel mode
• Um único entry point
  • Todos os pedidos ao sistema são feitos usando este entry-point
• Comunicação com o sistema através de syscall ²
  • Implementadas por um conjunto de rotinas
  • Existe ainda outro conjunto de funções auxiliares para a system call
• Qualquer parte do sistema (aka kernel) pode "ver" qualquer outra parte do sistema
  • Vantagem: eficiência no acesso a informação e dados
  • Desvantagem: Sistema difícil de testar e modificar

Layered Approach: Divisão por camadas

• Perspetiva modular
  • O sistema operativo é constituído por um conjunto de camadas, com diferentes níveis hierárquicos
• A interação só é possível entre camadas adjacentes
  • Uma função da camada mais superior não pode chamar uma função da camada mais abaixo
  • Tem de chamar uma função da camada imediatamente abaixo que irá tratar de chamar funções das camadas mais abaixo (estilo sofs)
• Não é simples de projetar
  • É preciso definir claramente que funcionalidades em que camada, o que pode ser difícil de decidir
• Fácil de testar e modificar, mas uma grande perda de eficiência
  • A eficiência pode piorar se a divisão de funções não for bem feita
  • Existe um overhead adicional causado pelo chamada de funções entre as várias camadas
• Facilita a divisão de funções entre o modo de utilizador e o modo de kernel

Layer	Function
5	Operador
4	Programas do Utilizador
3	Gestão de dispositivos de I/O
2	Comunicação Operator- Process
1	Memory and drum management
0	Alocação do processador e gestão do ambiente multiprogramado

: Estrutura de um sistema operativo por camadas - Retirada do livro Modern Operating Systems, Andrew Tanenbaum & Herbert Bos

Microkernel

• Posso ter modularidade sem ser obrigado a usar camadas em níveis hierárquicos diferentes
• Defino um conjunto de módulos de "pequena dimensão", com funcionalidades bem definidas
  • apenas o microkernel é executado em kernel space, com permissões de root
  • todos os outros módulos são executados em user space e comunicam entre si usando os mecanismos de comunicação providenciados pelo microkernel
  • Os módulos que são executados em user space podem ser lançados no startup ou dinamicamente à medida que são precisos (dispositivos plug-and-play ¹)
• O microkernel é responsável por:
  • Gestão de Processos
  • Gestão da Memória
  • Implementar sistemas simples de comunicação interprocess
  • Escalonamento do Processador (Processor Scheduling)
  • Tratar das interrupções
• Sistema robusto
  • Manipulação de um filesystem é feita em user space. Se houver problemas a integridade do sistema físico não é afetada

Virtual machine (hypervisors)

• Criam plataformas virtuais onde podem ser instalados guess OSs
• Existem dois tipos de hypervisors
  • Type-1 (native hypervisor): executa o guest OS diretamente no hardware da máquina host (máquina física onde a máquina virtual vai ser executada). Exemplos:
    • z/VM
    • Xen
    • Hyper-V
    • VMware ESX
  • Type-2 (hosted supervisor): executa o guest OS indiretamente no hardware da máquina, sendo a máquina virtual executada "em cima" do sistema operativo do host. Exemplos:
    • VirtualBox
    • VMware Workstation
    • Parallels
• Existem exemplos de hypervisors híbridos, que tanto podem ser executar o guest OS indiretamente (por cima do sistema operativo) ou diretamente no hardware da máquina:
  • KVM
  • bhyve

Client-Server

• Implementação modular, baseada na relação cliente-servidor
  • A comunicação é feita através de pedidos e respostas
  • Para isso é usada message-passing
• Pode estar presente um microkernel que manipula operações de baixo nível
• Pode ser generalizado e usado em sistemas multimachine

Exokernels

• Usa um kernel com funcionalidades reduzidas
  • Apenas providencia algumas abstrações de hardware
• Segue a filosofia de "Em vez de clonar a máquina virtual, divido-a"
  • Os recursos são divididos em partições, em vez de clonados
  • Os recursos são alocados às virtual machines e a sua utilização é controlada pelo microkernel
• Permite a implementação de camadas de abstração personalizadas consoante as necessidades
• Eficiente: Poupa uma camada destinada a efetuar o mapeamento

Estruturas Internas do Unix/Linux e Windows

Estrutura Interna do Unix (tradicional)

Legenda:

• trap: interrupção por software (única instrução que muda o modo de execução)
• buffercache: espaço do disco onde são mantidos todos os ficheiros em cache (aka abertos)
  • desmontar uma pen: forçar a escrita da buffer cache para a pen

Unix considera tudo como sendo ficheiros: - ou blocos (buffer cache) - ou bytes

open, close, fork não são system calls. São funções de biblioteca que acedem às system call (implementadas no kernel). São um interface amigável para o utilizador ter acesso a estas funcionalidades.

Estrutura Global do Unix

Estrutra do Kernel Unix

Estrutura do Kernel Windows

Footnotes

1. Linguagem de programação baseada em comandos. Otimizada para a escrita de scripts e comandos mais complexos a partir de comandos mais simples ↩ ↩² ↩³

2. Dispositivos de armazenamento não volátil: Disco rígidos ↩ ↩²