Aula_01 - Visão Geral

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Arquitetura de Sistemas Operacionais
Cap. 1 - Visão Geral
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Arquitetura de Sistemas Operacionais
Capítulo 1
Visão Geral
Arquitetura de Sistemas Operacionais
Cap. 1 - Visão Geral
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Tópicos a serem abordados
Definição
Introdução
Funções básicas
Máquina de níveis
Histórico
Tipos de sistemas operacionais
Arquitetura de Sistemas Operacionais
Cap. 1 - Visão Geral
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Definição
Sobell 
Um Sistema Operacional pode ser definido como um gerenciador dos recursos que compõem o computador (processador, memória, I/O, arquivos, etc). 
Os problemas centrais que o Sistema Operacional deve resolver são o compartilhamento ordenado, a proteção dos recursos a serem usados pelas aplicações do usuário e o interfaceamento entre este e a máquina. Stemmer.
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Definição
Stemmer
É um programa de controle do computador. O Sistema Operacional é responsável por alocar recursos de hardware e escalonar tarefas. Ele também deve prover uma interface para o usuário - ele fornece ao usuário uma maneira de acesso aos recursos do computador. 
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Definição
Tanembaum
Sistema Operacional (SO) é um programa que controla todos os recursos do computador e provê um ambiente no qual programas de aplicação podem ser escritos
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Introdução
Sistema operacional:
É um conjunto de rotinas executado pelo processador;
Principal função é controlar o funcionamento de um computador;
Oculta os detalhes do hardware do usuário;
Objetivo é funcionar como uma interface 
entre o usuário e o computador.
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Introdução
Outros nomes para S.O.
Monitor;
Executivo;
Supervisor;
Controlador.
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Funções Básicas
Facilidade de acesso aos recursos do sistema;
Compartilhamento de recursos de forma organizada e protegida.
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Funções Básicas
Facilidade de acesso aos recursos do sistema 
Fornecer uma abstração de alto nível dos recursos de hardware da máquina, livrando o programador dos detalhes de funcionamento dos mesmos;
Sistema Operacional funciona como uma máquina virtual;
Visão top-down.
Ex: Fornecer uma visão dos discos como uma coleção hierárquica de arquivos, identificados por nomes e manipuláveis por funções de abertura/fechamento e leitura/escrita, escondendo os detalhes de acionamento dos motores das unidades, posicionamento dos cabeçotes, quantidade de trilhas e tamanho dos setores dos discos.
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Funções Básicas
Compartilhamento de recursos de forma organizada e protegida
Fornecer um esquema de alocação dos recursos (processadores, memórias, I/O, etc.) entre os processos concorrentes.
Estabelecer critérios de uso dos recursos e ordem de acesso aos mesmos, impedindo violação de espaço de memória de processos concorrentes e tentativas de acesso simultâneo a um mesmo recurso  gerência e proteção dos dispositivos.
Visão bottom-up
Permite diminuição de custos;
 
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Funções Básicas
Visão do sistema operacional 
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Funções Básicas
Fazem parte do S.O.?
Compiladores;
Linkers;
Bibliotecas;
Deputadores;
Outras ferramentas.
Resposta
Não, são utilitários.
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Máquina de Níveis
Um sistema computacional visto somente sob o óptica do hardware tem pouca utilidade;
Os serviços são oferecidos aos usuários através do software.
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Máquina de Níveis
Motivação
Problema: Complexidade
O usuário tinha que desenvolver, em linguagem de máquina, as rotinas para acessar e controlar os recursos do computador
Solução: Abstração
Um software para gerenciar os recursos do computador (Sistema Operacional)
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Máquina de Níveis
O computador pode ser visualizado como maquina de níveis ou de camadas.
Inicialmente duas camadas:
Nível 0 – hardware;
Nível 1 – sistema operacional.
Esta organização é chamada máquina virtual
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Máquina de Níveis
Visão do usuário
Arquitetura de Sistemas Operacionais – Machado/Maia
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Máquina de Níveis
O computador não possui só dois níveis, mas sim, tanto quando forem necessários 
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Máquina de Níveis
Máquina de níveis
Arquitetura de Sistemas Operacionais – Machado/Maia
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Histórico
A evolução dos sistemas operacionais está relacionada com a evolução do hardware;
1642, Pascal inventou a máquina de somar;
1673, Gottfried Leibniz inventou uma máquina para somar e multiplicar;
1820, Charles Colmar uma máquina que fazia as quatro operações;
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Histórico
1822 Charles Babbage máquina para cálculos polinomiais evoluindo para uma máquina capaz de executar qualquer tipo de operação (Máquina Analítica);
Esta maquina possuía os conceitos de CPU, memória, dispositivos de I/O
Augusta Ada Byron era responsável pela seqüência de operações executa pela máquina(primeira programadora);
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Histórico
1854, George Boole cria a lógica booleana, base para o modelo de computação digital;
Herman Hollerith cria os cartões perfurados, funda a IBM
Máquina de Turing ou máquina universal, 1937, processamento de símbolos, base da ciência da computação moderna.
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Histórico
Cartão perfurado
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Histórico
Lady Lovelace (Ada) Charles Babbage 
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Histórico
Década 1940
Uso militar, milhares de válvulas, ocupavam áreas enormes, lentos e pouco confiáveis;
1943, Alan Turing envolvido com o Enigma – projeto para quebra a criptografia alemã);
Mark I primeiro computador eletrônico (1943);
ENIAC usado para cálculos balísticos e a bomba de hidrogênio (17.000 válvulas, 30 toneladas, consumo 140KW e 5.000 +);
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Histórico
Década de 1940
Programar exigia conhecimento profundo do hardware, era usados painéis com 6.000 conectores, utilizando linguagem de máquina;
O problema era diferença de tempo na execução e na programação;
Arquitetura de von Neumann, conceito do programa armazenado. Utiliza os conceitos de Turing e Babbage juntos;
EDSAC primeiro computador a usar este conceito (1949).
Não existia SO e nem interação.
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Histórico
Mark I
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Histórico
ENIAC
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Histórico
EDSAC
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Histórico
Alan Turing			 von Neumann
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Histórico
Década de 1950
O transistor e a memória magnética contribuiriam para o enorme avanço dos computadores;
UNIVAC I primeiro computador bem sucedido para fins comerciais;
Whirlwind I primeiro computador de tempo real (MIT), introduziu a memória magnética;
Processamento bath;
Primeiro SO chamado de monitor (1953);
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Cap. 1 -
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Histórico
Década de 1950
Primeira linguagens de alto nível: FORTRAN, Cobol, Algol, etc.
Evolução dos SO para facilitar a codificação, submissão, execução e depuração de programas;
Conceito de independência de dispositivos, os programadores não precisavam escrever as rotinas de I/O; 
Sistema operacional Atlas, introduziu a memória hierarquizada.
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Histórico
Década de 1960
Surge os circuitos integrados viabilizando e difundindo o uso de sistemas computacionais nas empresas;
Implementação de novas técnicas: multiprogramação, multiprocessamento, time-sharing e memória virtual;
Multiprogramação: enquanto um programa aguardava uma operação de I/O, outro utiliza a CPU;
Troca da fita magnética por disco magnético torna os sistemas mais rápidos;
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Histórico
Década 1960
B-5000 (Burroughs) que oferecia: multiprogramação, memória virtual com segmentação, multiprocessamento assimétrico, sendo desenvolvido em uma linguagem de alto nível;
Primeiro supercomputador CDC-6600 projetado por Aeymour Cray;
IBM lança o System/360 (1964) primeira família de computadores;
Sistemas bath com multiprogramação, OS/360;
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Histórico
Década de 1960
Tempo compartilhado (time-sharing);
Novos dispositivos: teclado e monitor, permitindo sistemas on-line;
Lançamento PDP-8 (1965) primeira linha de computadores de pequeno porte e baixo custo;
Desenvolvimento do Unix;
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Histórico
Década de 1970
LSI e VLSI levam ao barateamento e miniaturização dos equipamentos. PDP-11 (1970) e VAX/VMS;
Primeiro microprocessador Intel 4004 (1971) e o 8080 (1974) utilizado o primeiro microcomputador Altair;
Zilog lança o Z80;
Apple II (8 bits), Steve Jobs e Steve Wozniak (1976);
CPM sistema operacional dominante;
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Histórico
Década de 1970
Arquiteturas com diversos processadores, multiprocessamento;
Processadores vetoriais, CRAY 1 (1976) 100 MFLOPS;
Redes distribuídas (WANs) independentes das distâncias geográficas;
Protocolos de rede: 
Proprietários DECnet, SNA;
Públicos NCP, X.25;
Redes locais (LANs) 
Linguagem Pascal (1971) e C (1975).
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Histórico
Década de 1980
IBM PC, nova filosofia dos computadores pessoais, Intel 8088, SO DOS;
Ganha impulso os SOs multiusuários (UNIX). Bereley cria o Unix BSD que implementa o TCP/IP;
 Surge as workstations (estações de trabalho) sistemas monousuário porém multitarefa;
Sistemas operacionais de rede: Novell, LAN Manager.
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Histórico
Década de 1990
Desenvolvimento de processadores, memórias e dispositivos de I/O mais rápidos, baratos, menores, etc.;
Evolução para ULSI (Ultra Large Scale Integration);
Consolidação da Internet tornando o TCP/IP torna-se um padrão de mercado;
Arquitetura cliente/servidor usanda em ambientes distribuídos como a Internet;
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Histórico
Década de 1990
Disponibilização de serviços distribuídos, servidores WEB, mail, de arquivos, banco de dados, etc.;
Consolidação de Sistemas Operacionais baseados em interface gráfica;
Amadurecimento e popularização do software aberto 
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Histórico
Década de 2000
Arquitetura paralelas;
Novas interfaces homem-máquina;
Processamento distribuído será explorado nos sistemas operacionais;
Sistemas operacionais estarão presentes em celulares, handhelds e palmtops.
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Tipos de Sistemas Operacionais
Tipos e evolução de S.O. estão relacionados com:
Evolução do hardware;
Tipo de aplicação suportada.
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Tipos de Sistemas Operacionais
Tipos de sistemas operacionais
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Tipos de Sistemas Operacionais
SOs monoprogramáveis/monotarefa
Execução de um único programa;
Todos os recursos disponíveis para um único programa;
Conhecido também como monotarefa;
Simples implementação, sem preocupação com a concorrência do uso dos recursos.
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Tipos de Sistemas Operacionais
SOs monoprogramáveis/monotarefa
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Tipos de Sistemas Operacionais
SOs multiprogramáveis/multitarefa
Evolução do anteriores;
Os recursos são compartilhados;
O SO preocupa-se com a gerencia do compartilhamento dos recursos computacionais de forma ordenada e protegida;
Redução de tempo de resposta e de custos;
Implementação complexa.
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Tipos de Sistemas Operacionais
Classifica-se (em relação ao número de usuários:
Monousuário – um único usuário;
Multiusuário – mais de um usuário.
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Tipos de Sistemas Operacionais
SOs multiprogramáveis/multitarefa
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Tipos de Sistemas Operacionais
SOs multiprogramáveis /multitarefa
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Tipos de Sistemas Operacionais
Sistemas Bath
Primeiros tipos de sistemas operacionais multiprogramados;
Também chamados de jobs;
Não permite interação com o usuário;
Tempos de respostas longos;
Todas as entradas e saídas são executadas de um dispositivo secundário, normalmente disco ou fita.
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Tipos de Sistemas Operacionais
Processamento batch
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Tipos de Sistemas Operacionais
Sistemas de tempo compartilhado
Time-sharing;
Diversos programas sendo executados a partir da divisão do tempo do processador em pequenos intervalos (fatia de tempo – time-slice);
Permite interação com usuário;
Sistemas on-line.
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Tipos de Sistemas Operacionais
Sistemas de tempo real
Semelhante ao tempo compartilhado, a diferença é o tempo de resposta exigido;
Tempo de resposta deve ser atendido dentro de limites rígidos;
Um programa utiliza o processador até parecer de maior prioridade, definida pela aplicação;
Controle de processos, como refinaria de petróleo, usinas térmicas e nucleares, etc.
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Múltiplos Processadores
SO´s com duas ou mais UCP´s interligadas trabalhando em conjunto, permitindo a execução simultânea de vários programas e/ou partes de um mesmo prograna
A classificação através da forma de comunicação com a UCP e o grau de compartilhamento da memória e dos dispositivos de Entrada /Saída.
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Escalabilidade é a capacidade de ampliar o poder computacional do sistema apenas adicionando novos processadores.
Disponibilidade é a capacidade de um sistema poder continuar o processamento, mesmo se um dos processadores falhar ou parar de funcionar (reconfiguração).
Balanceamento de carga possibilita distribuir a carga de processamento entre os diversos sistemas da configuração, melhorando o desempenho.
Múltiplos Processadores 
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Múltiplos Processadores
A forma de comunicação entre os processadores é um fator chave no desenvolvimento dos S.O.
Esta forma pode ser:
Fortemente acoplados;
Fracamente acoplados.
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Múltiplos Processadores
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Sistemas Fortemente Acoplados
Nos sistemas fortemente acoplados apenas um espaço de endereçamento na memória é compartilhado por todos os processadores, sendo controlado pelo Sistema Operacional. 
Conhecidos como multiprocessadores
Múltiplos Processadores
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Múltiplos Processadores
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Múltiplos Processadores
SMP
Tempo de acesso a memória uniforme pelos diversos processadores
NUMA
Tempo de acesso a memória depende da localização física processadores na rede de interconexão.
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Múltiplos Processadores
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Sistemas Fortemente Acoplados
Sistemas Simétricos
	Todos os processadores tem as mesmas funções e podem executar o Sistema Operacional de forma independente.
Múltiplos Processadores
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Sistemas Fortemente Acoplados
Sistemas Assimétricos(master/slave)
 Nos sistemas assimétricos(mestre/escravo) somente um processador primário é responsável pelo controle dos demais processadores e pela execução do Sistema Operacional. 
Múltiplos Processadores
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Sistemas Fracamente Acoplados
	Possui dois ou mais sistemas de computação conectados através de linhas de comunicação.
	Cada sistema tem sua própria memória, ao contrário dos sistemas fortemente acoplados, que dividem a memória. Funcionam de forma independente, possuindo seu processador, sua memória e dispositivos de E/S.
Conhecidos como multicomputadores.
	
Múltiplos Processadores
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Múltiplos Processadores
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Sistemas Fracamente Acoplados
Sistemas Operacionais de Rede (SOR)
Cada nós possui seu sistema operacional, hardware e software que viabilizam acesso a outros componentes da rede em conjunto com o compartilhamento de recursos na rede. 
Permite que host compartilhe o seus recursos;
Os usuários tem conhecimento de todos os hosts.
Múltiplos Processadores
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Sistemas Fracamente Acoplados
Sistemas Operacionais Distribuídos
Evolução dos Sistemas Fortemente Acoplados
O que define sistemas distribuídos é a existência de um relacionamento mais forte entre os seus componentes, onde os S.O´s são os mesmos, possuindo um único sistema centralizado.
O O.S. esconde os detalhes dos hosts individuais
Exemplo: Clusters.
Múltiplos Processadores
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Múltiplos Processadores
Sistemas fortemente acoplados
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Múltiplos Processadores
Sistemas fracamente acoplados