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Sistemas operacionais

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  • 1. Curso Superior de Sistemas para Internet Márcia de Oliveira Alves Cuiabá 2011 Sistemas Operacionais
  • 2. GOVERNO FEDERAL Dilma Rousseff Presidente do Brasil Fernando Haddad Ministro da Educação Jorge Almeida Guimarães Presidente da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) José Carlos Teatini Climaco Diretor de Educação a Distância da Universidade Aberta do Brasil (UAB) na CAPES IFMT - INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATO GROSSO José Bispo Barbosa Reitor Willian Silva de Paula Pró Reitor de Ensino Alexandre José Schumacher Coordenador Geral UAB/IFMT Claudete Galvão de Alencar Pedroso Coordenadora Adjunta UAB/IFMT Alexandro Uguccioni Romão Editoração eletrônica Luisa do Amparo Carvalho Patatas Revisão de português Coordenação da UAB/IFMT Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Mato Grosso (IFMT) - Campus Bela Vista - AvenidaJulianoCostaMarquesS/N,CEP:78.050-560,BelaVista,Cuiabá/MT-Brasil A produção deste material didático obteve financiamento no âmbito do Programa Universidade AbertadoBrasil,CAPES/FNDE/MEC. Autoriza-se o uso e a reprodução da obra no âmbito do Sistema UAB e o IFMT desde que citada a fonte.Évedadoousodestaobraparafinsdecomercialização. Ficha Catalográfica Alves, Márcia de Oliveira. Márcia de Oliveira Alves. Cuiabá: Publicação do IFMT, 2011. 123p.; 21 x 29,7 cm. Sistemas Operacionais.
  • 3. Sistemas Operacionais 2 Unidade I – Fundamentos de Sistemas Operacionais Introdução aos Sistemas Operacionais Estrutura do Sistema Operacional Evolução dos Sistemas Operacionais Tipos de Sistema Operacional [Objetivos Específicos da Unidade I] Propomos, nesta UNIDADE, levar você a: • Compreender o papel de um Sistema Operacional no gerenciamento dos dispositivos dos computadores. • Discutir principais conceitos de Sistemas Operacionais
  • 4. Sistemas Operacionais 3 Fundamentos de Sistemas Operacionais O que e mais importante o hardware ou o software? Olhe para o seu microcomputador, como é possível essa caixa, cheio de componentes, ser capaz de realizar tantas ações. Sem um software básico, isto e, um sistema operacional, essa caixa não funciona, e sem um sistema operacional adequado, todos os recursos disponíveis nesta caixa não serão aproveitados da melhor forma possível. À medida que vamos conhecendo a função e a estrutura interna de um sistema operacional, podemos relacionar esse conhecimento as situações que diariamente vivenciamos ao utilizarmos um microcomputador. Esta unidade trata de assuntos que vão conduzi-lo a um entendimento mais analítico e criterioso sobre o funcionamento de um sistema computacional. O sistema Operacional responsável pelo funcionamento desse sistema e composto de módulos que determinam e classificam sua função. Os tópicos serão apresentados de forma que você apreenda o conceito de sistemas operacionais, sua função e seus módulos. E, para facilitar a sua aprendizagem, serão propostas questões e orientações de estudo ao longo do texto. Objetivamos que você adquira um conhecimento aprofundado da estrutura de um sistema operacional. Para que isso ocorra, é fundamental que você seja capaz de entender lógica de programação, bem como as várias técnicas utilizadas em estruturas de dados. Portanto, sugerimos questões ao longo do texto para apreensão de determinados conceitos e, ao final da unidade, você está convidado a verificar seus conhecimentos por meio da auto-avaliação, que deverá ser enviada ao seu tutor. Então, mãos à obra! Introdução aos Sistemas Operacionais: Este assunto irá contribuir para que você possa entender o que e um sistema operacional qual a sua função e seus principais componentes.
  • 5. Sistemas Operacionais 4 Observe a figura abaixo. Você poderia a partir dessa imagem, formular um conceito para Sistemas Operacionais? Vamos supor que você tenha respondido que um sistema operacional e o elemento que interliga o hardware e usuário tendo em vista que o usuário não sabe falar a linguagem de maquina. Se foi essa a sua resposta, esta parcialmente certa. Para fazermos jus a um Sistema Operacional podemos conceituá-lo como? Para entendermos esse conceito temos que ter bem definido duas funções básicas de um Sistema Operacional. • Facilidade de acesso aos recursos de um sistema • Compartilhamento de recursos de forma organizada e segura. Um computador normalmente possui diversos componentes, como monitor, impressora, som e scanner. Quando utilizamos um desse dispositivo, não nos preocupamos com a maneira como e realizada esta comunicação, bem como os inúmeros detalhes envolvidos neste processo. Essa e uma das funções do Sistema Operacional. Quando utilizamos o computador de forma compartilhada, disponibilizando recursos com outros usuários, fica também a cargo do Sistema Operacional gerenciar esse compartilhamento de forma segura e organizada. Após esse conceito qual a sua visão de um Sistema Computacional? Um computador visto somente como um gabinete composto de circuitos eletrônicos, cabos e fontes de alimentação, ou seja, visto somente como o hardware, não tem nenhuma utilizada. O sistema Operacional e um elemento vital para o funcionamento do hardware. A imagem abaixo poderia representar a sua visão de um Sistema Computacional? Hardware Sistema Operacional usuários Bem, acredito que sim. Software responsável pela interface entre a máquina e o usuário e entre a maquina e os aplicativos, exercendo funções que permitam o acesso seguro às informações contidas na memória do computador.
  • 6. Sistemas Operacionais 5 Partindo desta visão podemos considerar o computador como uma maquina de níveis ou camada. Logicamente um computador não possui apenas dois níveis, e sim tantos níveis forem necessários para adequar os usuários as suas diversas aplicações. Uma estrutura padrão dos possíveis níveis de um sistema computacional pode ser representada da seguinte forma: Estrutura do Sistema Operacional Bem, podemos explicar isso através dos conceitos que envolvem a estrutura de um sistema operacional. O Sistema operacional é formado por um conjunto de rotinas que oferecem serviços essenciais aos usuários, às suas aplicações, e também ao próprio sistema. A esse conjunto de rotinas dá-se o nome de núcleo do sistema ou kernel. É importante entender que os procedimentos de um sistema operacional são referentes ao tratamento processos1 que são executados de forma concorrente ou simultaneamente, ou seja, sem uma ordem específica ou predeterminada. As principais funções do núcleo encontradas na maioria dos sistemas comerciais são as seguintes: Tratamento de interrupções e exceções: função responsável por tratar alguns eventos inesperados que podem ocorrer, ocasionando um desvio forçado no seu fluxo normal de execução. Criação e eliminação de processos: função responsável por alocar em memória todos os recursos necessários à execução do processo. 1 É basicamente um programa em execução, sendo constituído de código executável do dado. Utilitários Circuitos Eletrônicos Microprogramação Linguagem de Máquina Sistema Operacional Aplicativos Maquina de níveis Você pode imaginar como são realizadas as operações pelo sistema operacional? Você faz idéia de como o sistema operacional resolve os conflitos de informações que são manipuladas?
  • 7. Sistemas Operacionais 6 Escalonamento e controle de processos: função responsável por organizar a fila de acesso ao processador. Gerência de memória: função responsável por fornecer à função de criação/eliminação de processos os endereços em memória disponíveis para alocação; Gerência de sistemas de arquivos: responsável pelo gerenciamento dos arquivos, bem como seu compartilhamento pelos diversos usuários, implementando mecanismos de controle da segurança e direitos de acesso às áreas utilizadas pelos usuários nos diversos dispositivos; Gerência de dispositivos de E/S: responsável por gerenciar os dispositivos, prestando auxílio à criação/eliminação de processos e á gerência de sistemas de arquivos no que diz respeito ao endereçamento e associação de arquivos em periféricos; Suporte a redes e teleprocessamento: é esta função que executa todos os serviços de rede, fazendo o empacotamento das mensagens vindas dos terminais para a CPU central e vice-versa, além de controlar e confirmar o envio e recebimento de todas as mensagens que trafegam pela rede; Contabilização de uso do sistema: responsável por contabilizar o uso de todos os recursos do sistema consumidos pelos usuários e suas aplicações. Auditoria e segurança do sistema: função extremamente importante, pois detecta e registra (num arquivo especial de LOG) todas as ocorrências de erro e violação de direitos de acesso ao sistema, aos arquivos, à memória e a todos os recursos do sistema. Você poderia responder por que existe esta preocupação? Se a sua resposta está relacionada com o fato de que uma vez corrompido o sistema poderá não funcionar, então você está correto. “Uma grande preocupação no projeto de sistemas operacionais se refere à implementação de mecanismos de proteção ao núcleo do sistema e também o controle de acesso aos serviços oferecidos pelo sistema.”
  • 8. Sistemas Operacionais 7 Evolução dos Sistemas Operacionais: Bom, diante desse conceito podemos concluir que o Sistema Operacional é totalmente interligado com o hardware. Sendo assim, como eram os sistemas operacionais dos primeiros computadores? Ou melhor, como seriam os primeiros computadores? “Para cada serviço disponível existe uma system call associada, e cada sistema operacional possui seu próprio conjunto de chamadas.”
  • 9. Sistemas Operacionais 8 O ENIAC e considerado o primeiro computador digital e eletrônico, foi desenvolvido por J. Presper Eckert e John W. Mauchly, da Universidade da Pensilvânia. Este computador realizou cálculos balísticos e foi utilizado no projeto da bomba de hidrogênio. Possuía 17 mil válvulas, 10 mil capacitores, 70 mil resistores, pesava 30 toneladas, consumia 140 quilowatts e era capaz de executar 5 mil adições por segundo. Seu painel de programação continha 6 mil conectores. Curiosidade? Vocês notaram que o processo de evolução apresenta categoria diferente de software de gerenciamento e manipulação do hardware. Bem isso significa que em cada uma dessas fases surgiu um tipo de Sistema Operacional. Tipos de Sistema Operacional Os Sistemas operacionais podem ser classificados em tres tipos: Ultra-LSI Arquiteturas Paralelas Circuito Integrado 3-D
  • 10. Sistemas Operacionais 9 Tipos de Sistema Operacional Os Sistemas Operacionais Monoprogramaveis/monotarefa eram voltados tipicamente para a execução de um único programa. Qualquer outra aplicação, para ser executada, deveria aguardar o término do programa corrente. Neste tipo de sistema, o processador, a memória e os periféricos permanecem exclusivamente dedicados à execução de um único programa. Os Sistemas Operacionais Multiprogramaveis/Multitarefa constituíram de uma evolução dos sistemas monoprogramáveis, neste tipo de sistema os recursos computacionais são compartilhados entre os diversos usuários e aplicações: enquanto um programa espera por um evento, outros programas podem estar processando neste mesmo intervalo de tempo. Curiosidade Memória Principal Dispositivos de E/S UCP programa/ tarefa Modo de execução dos sistemas monotarefa Um dos cientistas da Bell Labs, Ken Thompson, descobriu um pequeno microcomputador que ninguém. Estava usando e começou a escrever uma versão simplificada monousuária que evoluiu para o SO UNIX, que se tornou popular no mundo acadêmico, entre órgãos do governo e entre muitas empresas (Fonte: http://www.geocities.com/geologo_1999/oquee.htm)
  • 11. Sistemas Operacionais 10 Tipos de Sistemas Multiprogramáveis/Multitarefa Os Sistemas Operacionais com Múltiplos Processadores são caracterizados por possuir duas ou mais CPUs interligadas e trabalhando em conjunto. A vantagem deste tipo de sistema é permitir que vários programas sejam executados ao mesmo tempo ou que um mesmo programa seja subdividido em várias partes para serem executadas simultaneamente em mais de um processador Tipos de sistemas com múltiplos processadores
  • 12. Sistemas Operacionais 11 Sistemas Fortemente Acoplados UCP UCP Memória Principal Dispositivos de E/ S Dispositivos de E/ S Sistemas Fracamente Acoplados UCP UCP Memória Principal Memória Principal Dispositivos de E/S link de comunicação Dispositivos de E/ S Os sistemas Fortemente acoplados podem ser divididos, quanto a sua organização em: Assimétricos e Simétricos. Sistema assimétricos Nos sistemas assimétricos somente um processador pode executar os serviços do sistema Operacional. Exemplo: Nos sistemas simétricos todos os processadores executam os serviços do sistema Operacional. Cada sistema tem sua própria memória individual. Possui apenas uma memória a ser compartilhada pelos processadores do conjunto. Se uma solicitação de Entrada é solicitada pelo usuário na UCP Slave (escrava) esse serviço será requisitado a UCP Master (mestre)
  • 13. Sistemas Operacionais 12 Sistema Simétrico NOTA: Os sistemas Fracamente Acoplados podem ser divididos, quanto a sua organização em: Redes e distribuídos. Em um sistema em rede, existem vários computadores com seu próprio sistema operacional, além de software que possibilitam ter acesso a outros componentes da rede. O que define sistema distribuído é a existência de um relacionamento mais forte entre os seus componentes, em geral os sistemas operacionais são os mesmo. Para o usuário e para suas aplicação é como se não existisse uma rede, mas sim um único sistema centralizado. Sistema Distribuído Síntese da Unidade: Sistemas operacionais consiste em um software responsável pela comunicação entre o hardware com os usuários e os aplicativos. As duas principais funções de um sistema operacional e: facilidade de acesso aos recursos computacionais e gerenciamento desses recursos. Em sua estrutura interna, o sistema operacional possui o núcleo também chamado de Kernel, que por sua vez é protegido pelos System Call. A evolução de um sistema operacional esta diretamente ligada à evolução do hardware. A cronologia de evolução foi estabelecida em cinco fases Sistema de rede Algumas funções de controle ficam a cargo de um único processador, dentre elas o BOOT.
  • 14. Sistemas Operacionais 13 distintas: 1ª fase (1645 – 1956), 2ª fase (1956 – 1965), 3ª fase (1966 – 1980), 4ª fase (1981 – 1990), 5ª fase (1991 - ). De acordo com a evolução dos sistemas operacionais os mesmos foram divididos em três tipos: Monoprogramáveis/monosuario, multiprogramáveis/multarefa e múltiplos processadores. Os Sistemas multiprogramáveis/multitarefa são subdivididos em Sistemas em batch, sistema de tempo compartilhado e sistemas de tempo real. Os sistemas para múltiplos processadores podem ser classificados em sistemas fortemente acoplados e sistemas fracamente acoplados. Os sistemas fortemente acoplados são classificados em: sistemas assimétricos e sistemas simétricos. Os sistemas fracamente acoplados. São classificados em: sistemas de redes e sistema distribuído. [ Auto-Avaliação ] 1. Como seria utilizar um computador sem um S.O. Quais são as duas principais funções de um S.O? 2. Qual a relação da visão do usuário de um Sistema Computacional e o conceito de uma máquina de níveis ou camadas? 3. Todos os sistemas operacionais possuem uma mesmo System Call? 4. Quais os tipos de S.O. existentes? 5. Assinale a Alternativa correta cujo conceito se caracteriza por: “possuir duas ou mais CPUs interligadas e trabalhando em conjunto”. a) ( ) Sistema monotarefa b) ( ) Sistema Multiprogramaveis c) ( ) Sistema Múltiplos processadores d) ( ) Sistema monousuario 6. Qual a grande diferença entre sistemas mono e multiprogramáveis? 7. Quais as vantagens de sistemas multiprogramáveis? 8. Um sistema monousuário pode ser um sistema multiprogramável? Dê um exemplo. 9. Quais são os tipos de sistemas multiprogramáveis? 10. Assinale a alternativa que corresponda ao conceito de “sistema batch”. a)( ) voltados tipicamente para a execução de um único programa. b)( ) Nesta modalidade, os programas eram submetidos para execução através de cartões perfurados e armazenados em disco ou fita, para posterior execução.
  • 15. Sistemas Operacionais 14 c)( ) permitem que diversos programas sejam executados a partir da divisão de tempo do processador em pequenos intervalos. d)( ) Um programa ocupa o processador o tempo que for necessário ou até que apareça um outro com um nível de prioridade maior. 11. Como funcionam os sistemas de tempo compartilhado? Quais as vantagens em utilizá-los? 12. Qual a grande diferença entre sistemas de tempo compartilhado e tempo real? Quais aplicações são indicadas para sistemas de tempo real. 13. O que são sistemas com múltiplos processadores e quais as vantagens em utilizá-los? 14. Qual a grande diferença entre sistemas fortemente acoplados e fracamente acoplados? [ Referências Bibliográficas ] MACHADO, Francis Berenger ; MAIA, Luiz Paulo. “Arquitetura de Sistemas Operacionais”, 2ª Edição, Ed. LCT, 1997. SILBERSCHATZ, Abraham; GALVIN, Peter Baer. "Sistemas Operacionais: Conceitos", quinta edição. Pearson Brasil, 2000. TANENBAUM, Andrew S., WOODHULL, Albert S.. "Sistemas Operacionais - Projeto e Implementação", segunda edição. Prentice-Hall, 2000.
  • 16. Sistemas Operacionais 15 Unidade II – Conceitos de Processos Estado de um processo Hierarquia entre os processos Mecanismos de Interrupções Programação Paralela Especificação da concorrência em programas Comunicação entre processos e seção Crítica Starvation e Deadlock [Objetivos Específicos da Unidade II] Propomos, nesta UNIDADE, levar você a: • Compreender o papel de um Sistema Operacional no gerenciamento dos dispositivos dos computadores. • Discutir principais conceitos de Sistemas Operacionais
  • 17. Sistemas Operacionais 16 Gerência de Processos O módulo anterior destacou as funcionalidades de um sistema operacional. Neste módulo apresentaremos a unidade de trabalho de um sistema operacional: o processo, ou seja, trataremos das requisições do usuário de do hardware. À medida que vamos conhecendo a estrutura interna de um sistema operacional, podemos relacionar esse conhecimento as situações que diariamente vivenciamos ao utilizarmos um microcomputador. Esta unidade trata de assuntos que vão conduzi-lo a um entendimento mais profundo sobre o funcionamento de um sistema operacional, sobre como o sistema manipula as ações que norteiam o funcionamento de um sistema computacional. Os tópicos serão apresentados de forma que você apreenda o conceito de processo, sua estrutura e as questões que envolvem a sua manipulação. E, para facilitar a sua aprendizagem, serão propostas questões e orientações de estudo ao longo do texto. Objetivamos que você adquira um conhecimento que lhe permita identificar os processos, as formas com que eles se comunicam e os principais problemas encontrados em sua comunicação. Para que isso ocorra, é fundamental que você seja capaz de entender lógica de programação, bem como as várias técnicas utilizadas em estruturas de dados. Portanto, sugerimos questões ao longo do texto para apreensão de determinados conceitos e, ao final da unidade, você está convidado a verificar seus conhecimentos por meio da auto- avaliação, que deverá ser enviada ao seu tutor. Então, mãos à obra! Processos: Este assunto irá contribuir para que você possa entender como um sistema operacional funciona internamente. Você poderia a partir dessa imagem, formular um conceito sobre processo?
  • 18. Sistemas Operacionais 17 Acredito que não. Então tentaremos explicar a figura acima: Um processador é projetado apenas para executar instruções, não sendo capaz de distinguir qual programa se encontra em execução. Um processo representará um programa em execução, que tem suas informações mantidas pelo sistema operacional, informações referentes ao
  • nihms- 2

    Aug 3, 2018
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