Estrutura do Sistema Operacional

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Capítulo 2
Estrutura do Sistema 
Operacional
Aula 02
UNIFEI
Universidade Federal de Itajubá
IMC – Instituto de Matemática e Computação Prof. Carlos Minoru Tamaki
COM120 – Sistemas OperacionaisCOM120 – Sistemas Operacionais
Fundamentos de Sistemas Operacionais 9ª Ed. – Silberschatz, Galvin e Gagne ©2013
Estruturas do Sistema Operacional
● Serviços de sistema operacional
● Interface do sistema operacional do usuário
● Chamadas de sistema
● Tipos de chamadas de sistema
● Programas de sistema
● Projeto e implementação do sistema operacional
● Estrutura do sistema operacional
● Depuração do sistema operacional
● Geração de sistema operacional
● Inicialização do sistema
Fundamentos de Sistemas Operacionais 9ª Ed. – Silberschatz, Galvin e Gagne ©2013
Objetivos
● Para descrever os serviços que um sistema operacional 
fornece aos usuários, processos e outros sistemas
● Para discutir as várias maneiras de estruturar um 
sistema operacional
● Para explicar como os sistemas operacionais são 
instalados e personalizados e como eles inicializam
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Serviços do Sistema Operacional
● Os sistemas operacionais fornecem um ambiente para a execução de programas e serviços 
para programas e usuários
● Um conjunto de serviços do sistema operacional fornece funções que são úteis para o usuário:
– Interface do usuário - quase todos os sistemas operacionais possuem uma interface do usuário 
(IU).
– Varia entre linha de comando (CLI), interface gráfica do usuário (GUI), lote (Batch)
– Execução do programa - O sistema deve ser capaz de carregar um programa na memória e 
executá-lo, finalizar a execução, normal ou anormalmente (indicando erro)
– Operações de E/S - Um programa em execução pode exigir E/S, o que pode envolver um arquivo 
ou um dispositivo de E/S
– Manipulação do sistema de arquivos - O sistema de arquivos é de particular interesse. Os 
programas precisam ler e gravar arquivos e diretórios, criá-los e excluí-los, pesquisá-los, listar 
informações de arquivos, gerenciamento de permissões.
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Serviços do Sistema Operacional
● Comunicações - os processos podem trocar informações, no mesmo computador 
ou entre computadores em uma rede
– As comunicações podem ser via memória compartilhada ou passagem de mensagens 
(pacotes movidos pelo sistema operacional)
● Detecção de erros - o sistema operacional precisa estar constantemente ciente 
de possíveis erros
– Pode ocorrer na CPU e hardware de memória, em dispositivos de I / O, no programa do 
usuário
– Para cada tipo de erro, o sistema operacional deve tomar as medidas adequadas para 
garantir uma computação correta e consistente
– Os recursos de depuração podem melhorar muito as habilidades do usuário e do 
programador para usar o sistema de forma eficiente
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Serviços do Sistema Operacional
● Existe outro conjunto de funções do sistema operacional para garantir a operação eficiente do próprio 
sistema por meio do compartilhamento de recursos
– Alocação de recursos - Quando vários usuários ou vários trabalhos são executados simultaneamente, os 
recursos devem ser alocados para cada um deles
● Muitos tipos de recursos - Alguns (como ciclos de CPU, memória principal e armazenamento de arquivos) podem ter 
código de alocação especial, outros (como dispositivos de E / S) podem ter solicitação geral e código de liberação
– Contabilidade - Para manter o controle de quais usuários usam quanto e quais tipos de recursos de 
computador
– Proteção e segurança - Os proprietários das informações armazenadas em um sistema de computador 
multiusuário ou em rede podem querer controlar o uso dessas informações; os processos simultâneos não 
devem interferir uns com os outros
● A proteção envolve garantir que todo o acesso aos recursos do sistema seja controlado
● A segurança do sistema de estranhos requer autenticação do usuário, estende-se à defesa de dispositivos de I / O 
externos de tentativas de acesso inválidas
● Se um sistema deve ser protegido e seguro, precauções devem ser instituídas em todo ele. Uma corrente é tão forte 
quanto seu elo mais fraco.
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Uma visão dos serviços do sistema operacional
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Interface do sistema operacional do usuário - CLI
● CLI ou interpretador de comandos permite a entrada direta 
de comandos
– Às vezes implementado no kernel, às vezes pelo programa do 
sistema
– Às vezes, vários sabores implementados - shells
– Busca principalmente um comando do usuário e o executa
● Às vezes, comandos integrados, às vezes apenas nomes de programas
● Neste último caso, adicionar novos recursos não requer modificação de 
shell
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Interpretador de Comando Bourne Shell
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Interface do sistema operacional do usuário - GUI
● Interface de desktop amigável
– Normalmente mouse, teclado e monitor
– Os ícones representam arquivos, programas, ações, etc.
– Vários botões do mouse sobre os objetos na interface causam várias ações (fornecer 
informações, opções, executar função, abrir diretório (conhecido como pasta)
– Inventado na Xerox PARC
● Muitos sistemas agora incluem interfaces CLI e GUI
– Microsoft Windows é GUI com shell de “comando” CLI
– Apple Mac OS X é uma interface GUI “Aqua” com kernel UNIX por baixo e shells 
disponíveis
– Unix e Linux têm CLI com interfaces GUI opcionais (CDE, KDE, GNOME)
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Interfaces de tela sensível ao toque
● Dispositivos touchscreen 
requerem novas interfaces
– Mouse não é possível ou não 
desejado
– Ações e seleção com base em 
gestos
– Teclado virtual para entrada de 
texto
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A GUI do Mac OS X
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System Calls
● Interface de programação para os serviços prestados pelo SO
● Normalmente escrito em uma linguagem de alto nível (C ou C ++)
● Geralmente acessado por programas por meio de uma interface de programa 
de aplicativo (API) de alto nível, em vez de uso de chamada direta do sistema
● As três APIs mais comuns são Win32 API para Windows, POSIX API para sistemas 
baseados em POSIX (incluindo praticamente todas as versões do UNIX, Linux e 
Mac OS X) e Java API para a máquina virtual Java (JVM)
● Por que usar APIs em vez de chamadas de sistema?
(Observe que os nomes das chamadas do sistema usados ao longo deste texto 
são genéricos)
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Exemplo de System Calls
● Sequência de chamada do sistema para copiar o 
conteúdo de um arquivo para outro arquivo
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Exemplo de API padrão
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Implementação de chamada de sistema
● Normalmente, um número associado a cada chamada do sistema
– A interface de chamada do sistema mantém uma tabela indexada de acordo com esses 
números
● A interface de chamada do sistema invoca a chamada do sistema pretendida no kernel do 
sistema operacional e retorna o status da chamada do sistema e quaisquer valores de 
retorno
● O chamador não precisa saber nada sobre como a chamada do sistema é implementada
● Só precisa obedecer à API e entender o que o sistema operacional fará como resultado da 
chamada
– A maioria dos detalhes da interface do sistema operacional escondidos do programadorpela API
– Gerenciado pela biblioteca de suporte em tempo de execução (conjunto de funções incorporadas 
às bibliotecas incluídas com o compilador)
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API - Chamada do sistema - Relacionamento do SO
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Passagem de parâmetro de chamada do sistema
● Muitas vezes, são necessárias mais informações do que simplesmente a identidade da 
chamada de sistema desejada
– O tipo exato e a quantidade de informações variam de acordo com o sistema operacional e a 
chamada
● Três métodos gerais usados para passar parâmetros para o sistema operacional
– Mais simples: passe os parâmetros em registradores
● Em alguns casos, pode haver mais parâmetros do que registros
– Parâmetros armazenados em um bloco, ou tabela, na memória e endereço do bloco passado como 
parâmetro em um registro
● Esta abordagem adotada pelo Linux e Solaris
– Parâmetros colocados na pilha pelo programa e retirados da pilha pelo sistema operacional
– Os métodos de bloco e pilha não limitam o número ou comprimento dos parâmetros que estão 
sendo passados
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Passagem de parâmetro via tabela
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Tipos de chamadas de sistema
● Controle do processo
– fim, abortar
– carregar, executar
– criar processo, encerrar processo
– obter atributos de processo, definir atributos de processo
– espere o tempo
– evento de espera, evento de sinal
– alocar e liberar memória
– Despeje a memória se houver erro
– Depurador para determinar bugs, execução de etapa única
– Bloqueios para gerenciar o acesso a dados compartilhados entre processos
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Tipos de chamadas de sistema
● Gerenciamento de arquivos
– criar arquivo, excluir arquivo
– abrir, fechar arquivo
– ler, escrever, reposicionar
– obter e definir atributos de arquivo
● Gerenciamento de dispositivo
– solicitar dispositivo, liberar dispositivo
– ler, escrever, reposicionar
– obter atributos do dispositivo, definir atributos do dispositivo
– conectar ou desconectar dispositivos logicamente
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● Manutenção de informação
– obter hora ou data, definir hora ou data
– obter dados do sistema, definir dados do sistema
– obter e definir atributos de processo, arquivo ou dispositivo
● Comunicações
– criar, excluir conexão de comunicação
– enviar, receber mensagens se o modelo de passagem de mensagem para o nome do host ou 
nome do processo
● Do cliente ao servidor
– O modelo de memória compartilhada cria e obtém acesso a regiões de memória
– transferência de informações de status
– anexar e desconectar dispositivos remotos
Tipos de chamadas de sistema
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● Proteção
– Controle o acesso aos recursos
– Obter e definir permissões
– Permitir e negar o acesso do usuário
Tipos de chamadas de sistema
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Exemplos de Windows e 
Chamadas de sistema Unix
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Exemplo de biblioteca C padrão
● Programa C invocando a 
chamada da biblioteca 
printf (), que chama a 
chamada do sistema 
write ()
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Exemplo: MS-DOS
● Single-tasking
● Shell invoked when system 
booted
● Simple method to run program
– No process created
● Single memory space
● Loads program into memory, 
overwriting all but the kernel
● Program exit -> shell reloaded
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Exemplo: FreeBSD
● Variante Unix
● Multitarefa
● Login do usuário -> invocar a escolha do 
shell do usuário
● Shell executa a chamada do sistema fork() 
para criar o processo
– Executa exec() para carregar o programa no 
processo
– Shell espera que o processo termine ou 
continua com os comandos do usuário
● O processo sai com o código 0 - sem erro 
ou > 0 - código do erro
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Programas de sistema
● Os programas do sistema fornecem um ambiente conveniente para o 
desenvolvimento e execução do programa. Eles podem ser divididos em:
– Manipulação de arquivo
– Informações de status às vezes armazenadas em uma modificação de arquivo
– Suporte a linguagem de programação
– Carregamento e execução do programa
– Comunicações
– Serviços de segundo plano
– Programas de aplicação
● A visão da maioria dos usuários do sistema operacional é definida pelos programas 
do sistema, não pelas chamadas reais do sistema
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● Fornece um ambiente conveniente para o desenvolvimento e execução do programa
– Alguns deles são simplesmente interfaces de usuário para chamadas de sistema; outros são 
consideravelmente mais complexos
● Gerenciamento de arquivos - cria, exclui, copia, renomeia, imprime, despeja, lista e 
geralmente manipula arquivos e diretórios
● Informação de status
– Alguns pedem informações ao sistema - data, hora, quantidade de memória disponível, espaço em 
disco, número de usuários
– Outros fornecem informações detalhadas de desempenho, registro e depuração
– Normalmente, esses programas formatam e imprimem a saída para o terminal ou outros dispositivos 
de saída
– Alguns sistemas implementam um registro - usado para armazenar e recuperar informações de 
configuração
Programas de sistema
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● Modificação de arquivo
– Editores de texto para criar e modificar arquivos
– Comandos especiais para pesquisar conteúdos de arquivos ou realizar transformações de texto
● Suporte à linguagem de programação - compiladores, montadores, depuradores e 
intérpretes às vezes fornecidos
● Carregamento e execução do programa - carregadores absolutos, carregadores 
relocáveis, editores de ligação e carregadores de sobreposição, sistemas de depuração para 
linguagem de máquina e de nível superior
● Comunicações - fornecem o mecanismo para a criação de conexões virtuais entre processos, 
usuários e sistemas de computador
– Permitir que os usuários enviem mensagens para as telas uns dos outros, naveguem nas páginas da 
web, enviem mensagens de e-mail, façam login remotamente, transfiram arquivos de uma máquina 
para outra
Programas de sistema
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● Serviços de segundo plano
– Lançar na hora da inicialização
● Alguns para inicialização do sistema e, em seguida, encerram
● Alguns, desde a inicialização do sistema até o desligamento
– Fornece recursos como verificação de disco, agendamento de processo, registro de erros, impressão
– Executar no contexto do usuário, não no contexto do kernel
– Conhecidos como serviços, subsistemas, daemons
● Programas de aplicação
– Não pertencem ao sistema
– Administrado por usuários
– Normalmente não é considerado parte do sistema operacional
– Lançado por linha de comando, clique do mouse, toque do dedo
Programas de sistema
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Projeto do sistema operacional e implementação
● O design e a implementação do sistema operacional não são "solucionáveis", 
mas algumas abordagens têm se mostrado bem-sucedidas
● A estrutura interna de diferentes sistemas operacionais pode variar amplamente
● Comece definindo metas e especificações
● Afetado pela escolha do hardware, tipo de sistema
● Metas do usuário e metasdo sistema
– Objetivos do usuário - o sistema operacional deve ser conveniente de usar, fácil de 
aprender, confiável, seguro e rápido
– Objetivos do sistema - o sistema operacional deve ser fácil de projetar, implementar 
e manter, bem como flexível, confiável, livre de erros e eficiente
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● Princípio importante para separar
– Política: O que será feito?
– Mecanismo: como fazer?
● Os mecanismos determinam como fazer algo, as políticas decidem o 
que será feito
– A separação da política do mecanismo é um princípio muito importante, 
permite o máximo de flexibilidade se as decisões políticas forem alteradas 
posteriormente
● Especificar e projetar o sistema operacional é uma tarefa altamente 
criativa da engenharia de software
Projeto do sistema operacional e implementação
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Implementação
● Muita variação
– Os primeiros sistemas operacionais em linguagem assembly
– Em seguida, linguagens de programação de sistema como Algol, PL / 1
– Agora C, C ++
● Na verdade, geralmente uma mistura de idiomas
– Níveis mais baixos na montagem
– Corpo principal em C
– Programas de sistemas em C, C ++, linguagens de script como PERL, Python, scripts de shell
● Linguagem de alto nível mais fácil de portar para outro hardware
– Mas mais lento
● A emulação pode permitir que um sistema operacional seja executado em um hardware não 
nativo
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Estrutura do sistema operacional
● O sistema operacional de uso geral é um programa 
muito grande
● Várias maneiras de estruturar um como segue
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Estrutura Simples
● Ou seja, MS-DOS - escrito para 
fornecer o máximo de 
funcionalidade no mínimo 
espaço
– Não dividido em módulos
– Embora o MS-DOS tenha alguma 
estrutura, suas interfaces e 
níveis de funcionalidade não são 
bem separados
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UNIX
● UNIX - limitado pela funcionalidade do hardware, o sistema 
operacional UNIX original tinha estrutura limitada. O sistema 
operacional UNIX consiste em duas partes separáveis
– Programas de sistemas
– O kernel
● Consiste em tudo abaixo da interface de chamada do sistema e acima 
do hardware físico
● Fornece o sistema de arquivos, programação da CPU, gerenciamento 
de memória e outras funções do sistema operacional; um grande 
número de funções para um nível
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Estrutura tradicional do sistema UNIX
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Abordagem em camadas
● O sistema operacional é dividido em 
várias camadas (níveis), cada uma 
construída sobre as camadas 
inferiores. A camada inferior (camada 
0) é o hardware; o mais alto (camada 
N) é a interface do usuário.
● Com a modularidade, as camadas são 
selecionadas de modo que cada uma 
use funções (operações) e serviços 
de apenas camadas de nível inferior
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Estrutura do Sistema Microkernel
● Move o máximo do kernel para o espaço do usuário
● Exemplo Mach de microkernel
– Kernel do Mac OS X (Darwin) parcialmente baseado em Mach
● A comunicação ocorre entre os módulos do usuário usando a passagem de mensagens
● Benefícios:
– Mais fácil de estender um microkernel
– Mais fácil de portar o sistema operacional para novas arquiteturas
– Mais confiável (menos código está sendo executado no modo kernel)
– Mais seguro
● Prejuízos:
– Sobrecarga de desempenho do espaço do usuário para comunicação do espaço do kernel
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Estrutura do Sistema Microkernel
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Módulos
● A maioria dos sistemas operacionais modernos implementam 
módulos de kernel carregáveis
– Usa abordagem orientada a objetos
– Cada componente principal é separado
– Cada um fala com os outros por meio de interfaces conhecidas
– Cada um é carregável conforme necessário dentro do kernel
● No geral, semelhante às camadas, mas com mais flexibilidade
– Linux, Solaris, etc
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Abordagem Modular Solaris
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Sistemas Híbridos
● A maioria dos sistemas operacionais modernos, na verdade, não é um modelo puro
– Hybrid combina várias abordagens para atender às necessidades de desempenho, 
segurança e usabilidade
– Kernels Linux e Solaris no espaço de endereço do kernel, de modo monolítico e modular 
para carregamento dinâmico de funcionalidade
– Windows principalmente monolítico, além de microkernel para diferentes personalidades 
do subsistema
● Apple Mac OS X híbrido, em camadas, Aqua UI mais ambiente de programação 
Cocoa
– Abaixo está o kernel que consiste em partes de microkernel Mach e BSD Unix, além de kit 
de E/S e módulos carregáveis dinamicamente (chamados de extensões de kernel)
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Estrutura do Mac OS X
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iOS
● SO móvel da Apple para iPhone, iPad
– Estruturado no Mac OS X, funcionalidade adicionada
– Não executa aplicativos OS X nativamente
● Também funciona em diferentes arquiteturas de CPU (ARM 
vs. Intel)
– API Cocoa Touch Objective-C para desenvolvimento de 
aplicativos
– Camada de serviços de mídia para gráficos, áudio, vídeo
– Os principais serviços fornecem computação em 
nuvem, bancos de dados
– Sistema operacional central, baseado no kernel Mac OS X
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Android
● Desenvolvido por Open Handset Alliance (principalmente Google)
– Código aberto
● Pilha semelhante ao IOS
● Baseado no kernel Linux, mas modificado
– Fornece gerenciamento de processo, memória e driver de dispositivo
– Adiciona gerenciamento de energia
● O ambiente de tempo de execução inclui o conjunto principal de bibliotecas e máquina virtual Dalvik
– Aplicativos desenvolvidos em Java mais API Android
● Arquivos de classe Java compilados para bytecode Java e então traduzidos para executáveis que são executados no 
Dalvik VM
● As bibliotecas incluem estruturas para navegador da web (webkit), banco de dados (SQLite), 
multimídia, libc menor
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Arquitetura Android
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Depuração do sistema operacional
● Depurar é encontrar e corrigir erros ou bugs
● Os sistemas operacionais geram arquivos de registro contendo informações de erro
● A falha de um aplicativo pode gerar arquivo de despejo de memória capturando a memória do 
processo
● A falha do sistema operacional pode gerar arquivo de despejo de memória contendo memória 
kernel
● Além das falhas, o ajuste de desempenho pode otimizar o desempenho do sistema
– Às vezes, usando listas de rastreamento de atividades, registradas para análise
– A criação de perfil é uma amostragem periódica do ponteiro de instrução para procurar tendências 
estatísticas
Lei de Kernighan: “A depuração é duas vezes mais difícil do que escrever o código em primeiro lugar. 
Portanto, se você escrever o código da forma mais inteligente possível, você, por definição, não será 
inteligente o suficiente para depurá-lo. ”
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Ajuste de desempenho
● Melhore o desempenho removendo 
gargalos● O sistema operacional deve 
fornecer meios de computação e 
exibição de medidas de 
comportamento do sistema
● Por exemplo, programa “principal” 
ou Gerenciador de Tarefas do 
Windows
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DTrace
● A ferramenta DTrace no Solaris, FreeBSD, Mac 
OS X permite instrumentação ao vivo em 
sistemas de produção
● As sondagens são acionadas quando o 
código é executado em um provedor, 
capturando dados de estado e enviando-os 
aos consumidores dessas sondagens
● Exemplo de mudança de chamada do sistema 
XEventsQueued seguinte da biblioteca libc 
para o kernel e vice-versa
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● Código DTrace para registrar a 
quantidade de tempo que cada processo 
com UserID 101 está no modo de 
execução (na CPU) em nanossegundos
DTrace
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Geração de sistema operacional
● Os sistemas operacionais são projetados para funcionar 
em qualquer classe de máquinas; o sistema deve ser 
configurado para cada site de computador específico
● O programa SYSGEN obtém informações sobre a 
configuração específica do sistema de hardware
– Usado para construir kernel compilado específico do sistema 
ou ajustado pelo sistema
– Pode um código geral mais eficiente do que um kernel geral
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Sistema de BOOT
● Quando a energia é inicializada no sistema, a execução começa em um local fixo de 
memória
– Firmware ROM usado para conter o código de inicialização inicial
● O sistema operacional deve ser disponibilizado para o hardware para que o hardware 
possa iniciá-lo
– Pequeno pedaço de código - carregador de bootstrap, armazenado em ROM ou EEPROM 
localiza o kernel, carrega-o na memória e o inicia
– Às vezes, é um processo de duas etapas em que o bloco de boot em um local fixo é 
carregado pelo código ROM, que carrega o carregador de bootstrap do disco
● Carregador de bootstrap comum, GRUB, permite a seleção de kernel de vários discos, 
versões, opções de kernel
● O kernel carrega e o sistema está em execução
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