UNIDADE 01 - Introdução aos Sistemas Operacionais

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS
FACULDADE DE COMPUTAÇÃO
BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
Professor: Dr. Josivaldo Araújo
josivaldo@ufpa.br
Sistemas Operacionais
UNIDADE I: INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS OPERACIONAIS
1.1. Introdução e Visão Geral
1.2. Evolução Histórica
1.3. Componentes do Sistema Operacional
1.4. Metas dos Sistemas Operacionais
1.5. Tipos de Sistema Operacional
1.6. Sistemas com Múltiplos Processadores
1.7. Arquiteturas de Sistemas Operacionais
UNIDADE II: ESTRUTURAS DO SISTEMA OPERACIONAL
2.1. Níveis de Processamento de E/S
2.2. Processadores de E/S
2.3. Controladores e Dispositivos
2.4. Drivers
2.5. Mecanismo de Interrupção
2.6. Operações de E/S
2.6.1. E/S Programada
2.6.2. E/S Acionada por Interrupção
2.6.3. DMA
Conteúdo Programático
UNIDADE III: PROCESSOS
3.1. Introdução
3.2. Estrutura do Processo
3.3. Estados do Processo
3.4. Mudança de Estado
3.5. Criação e Eliminação de Processo
3.6. Processos Independentes, Subprocessos e Threads
3.7. Processos Foreground e Background
3.8. Processos CPU-Bound e I/O-Bound
UNIDADE IV: THREADS
4.1. Introdução
4.2. Ambientes Monothread e Multithread
4.3. Estados de uma Thread
4.4. Arquitetura e Implementação de Threads
4.5. Modelos de Programação
Conteúdo Programático
UNIDADE V: COMUNICAÇÃO E SINCRONIZAÇÃO ENTRE PROCESSOS
5.1. Processos Independentes e Cooperantes
5.2. Condição de Corrida
5.3. Recursos
5.4. Notação de Concorrência entre Processos
5.5. Região Crítica e Exclusão Mútua
5.6. Implementação de Exclusão Mútua
5.7. Sincronização Condicional (O Problema Produtor-Consumidor)
5.8. Semáforos e Monitores
5.9. Comunicação (Troca de Mensagens)
5.10. Desabilitação de Interrupções
UNIDADE VI: DEADLOCK
6.1. Visão Geral
6.2. Ambientes Monothread e Multithread
6.3. Estados de uma Thread
6.4. Arquitetura e Implementação de Threads
6.5. Modelos de Programação
6.6. Prevenção, Detecção e Recuperação de Deadlock
Conteúdo Programático
UNIDADE VII: GERÊNCIA DE MEMÓRIA PRINCIPAL
7.1. Introdução
7.2. Funções Básicas
7.3. Alocação Contígua Simples
7.4. Técnica de Overlay
7.5. Alocação Particionada
7.6. Swapping
UNIDADE VIII: GERÊNCIA DE MEMÓRIA VIRTUAL
8.1. Visão Geral
8.2. Espaço de Endereçamento Virtual
8.3. Mapeamento
8.4. Memória Virtual por Paginação
8.5. Memória Virtual por Segmentação
8.6. Memória Virtual por Segmentação com Paginação
8.7. Swapping em Memória Virtual
8.8. Thrashing
Conteúdo Programático
UNIDADE IX: GERÊNCIA DE PROCESSADOR
9.1. Introdução
9.2. Escalonador
9.3. Políticas de Escalonamento
9.4. Preempção e Não Preempção
9.5. Avaliação dos Algoritmos de Escalonamento
UNIDADE X: SISTEMA DE ARQUIVOS
10.1. Visão Geral
10.2. Arquivos
10.3. Diretórios
10.4. Gerência de Espaço Livre em Disco
10.5. Gerência de Alocação de Espaço em Disco
10.6. Proteção de Acesso
UNIDADE XI: GERÊNCIA DE DISPOSITIVOS
11.1. Visão Geral
11.2. Acesso ao Subsistema de E/S
11.3. Device Drivers
11.4. Controladores e Dispositivos de E/S
11.5. Discos Magnéticos
Conteúdo Programático
� SILBERSCHATZ, A.; GALVIN, P. B.; GAGNE, G.; Fundamentos
de Sistemas Operacionais: Princípios Básicos. 9ª Edição.
São Paulo: LTC, 2015.
� MACHADO, Francis. B.; MAIA, Luiz. P.; Arquiteturas de
Sistemas Operacionais. 5ª Edição. São Paulo: LTC, 2013.
� TANENBAUM, Andrew. S.; Sistemas Operacionais Modernos.
3ª Edição. São Paulo: Prentice Hall Brasil, 2010.
� DEITEL, Harvey M.; DEITEL, Paul J.; CHOFFNES, D. R.;
Sistemas Operacionais. 3ª Edição. São Paulo: Prentice Hall
Brasil, 2005.
Referências Bibliográficas
� Serão realizadas 03 (três) Avaliações (Provas, Trabalhos e
Listas);
� Cada avaliação valerá 10 pontos;
� MÉDIA = (AVAL1 + AVAL2 + AVAL3)/3
� Conceito Final:
� MÉDIA < 4.9 INSUFICIENTE;
� 5.0 >= MÉDIA < 6.9 REGULAR;
� 7.0 >= MÉDIA < 8.9 BOM;
� 9.0 >= MÉDIA < 10.0 EXCELENTE;
� > 16 Faltas: Reprovado por Frequência !!
� Frequência: >= 75 %
Avaliação da Disciplina
UNIDADE I: 
Introdução aos Sistemas Operacionais.
� Durante as últimas décadas a computação se desenvolveu a uma
velocidade sem precedentes;
� Processadores estão ficando tão baratos e poderosos que os
computadores podem ser empregados em quase todas as situações
de nossas vidas, como: editar documentos, jogar, ouvir música,
assistir a vídeos, etc.
Ex. da Evolução no Modo de Ouvir Música.
Ipod
Discman
Walkman
Gramofone
(Vitrola)
MP3
Tablet
Introdução
Celular
� Um sistema de computação pode ser dividido em basicamente
quatro componentes:
Sistema 
Operacional
Hardware
Programas de 
Sistema e 
Aplicativos
Usuários
Introdução
� Para aumentar a utilização do
hardware, as aplicações são projetadas
para serem executadas
concorrentemente.
� Se elas não forem projetadas
cuidadosamente poderão interferir
umas nas outras;
� Isso resultou na existência de uma
camada de software que separa as
aplicações do hardware que elas
acessam;
� Fornece serviços que permitem que
cada aplicação seja executada com
segurança e efetivamente;
� SISTEMA OPERACIONAL.
S.O.
Introdução
� Sistemas Operacionais podem ser encontrados em dispositivos que
vão de telefones celulares a automóveis, passando por computadores
pessoais a computadores de grande porte.
� É um programa que atua como intermediário entre o usuário e o
hardware de um computador.
� É um software que habilita as aplicações e os usuários a interagir
com o hardware do computador. O software que contém os
componentes centrais do sistema operacional é denominado núcleo.
Conceitos e Visão Geral
� A grande diferença entre um sistema operacional e aplicações
convencionais é a maneira como suas rotinas são executadas em
função do tempo.
� Um sistema operacional não é executado de forma linear como a
maioria das aplicações, ou seja, com começo, meio e fim.
� Suas rotinas são executadas concorrentemente em função de eventos
assíncronos, ou seja, eventos que podem ocorrer a qualquer
momento.
� Sistemas operacionais estão padronizando interfaces com o usuário e
de aplicação para que se tornem mais fáceis de usar e suportem um
número maior de programas.
Conceitos e Visão Geral
� Suas principais funções:
1. Facilidade de acesso e utilização dos recursos do sistema.
2. Compartilhamento de forma organizada e protegida dos recursos.
� A evolução dos sistemas operacionais está, em grande parte,
relacionada ao desenvolvimento dos computadores, e por conta disso,
acabaram por evoluir bastante nos últimos 70 anos.
� 1944: Surgiram os primeiros computadores
eletromecânicos – Mark I (calculadoras),
formado por milhares de válvulas, que
ocupavam áreas enormes, sendo de
funcionamento lento e duvidoso.
� 1946: O ENIAC é considerado o primeiro
computador digital e eletrônico. A
programação era feita em painéis, através de
6 mil conectores (ou seja, sem sistema
operacional), utilizando linguagem de
máquina.
Evolução História
� DÉCADA DE 40:
� O uso de transistor e da memória magnética
contribuíram para o enorme avanço dos
computadores da época.
� O transistor permitiu o aumento da velocidade e da
confiabilidade no processamento, e as memórias
magnéticas, o acesso mais rápido aos dados, maior
capacidade de armazenamento e computadores
menores.
�Um conjunto de programas podiam ser submetidos ao computador, a esse
tipo de processamento deu-se o nome de processamento batch.
�O primeiro sistema operacional foi chamado de “monitor” por sua
simplicidade.
�Fim da década de 50, a Universidade de Manchester (Inglaterra),
desenvolveu o sistema operacional ATLAS, que introduziu a idéia de
memória hierarquizada.
Evolução História
� DÉCADA DE 50:
�Esta década foi palco de inúmeras inovações na área de sistemas
operacionais, tendo sido implementadas várias técnicas presentes hoje,
como a multiprogramação, multiprocessamento, time-sharing e memória
virtual.
�Foram desenvolvidos sistemas operacionais mais avançados para atender a
diversos usuários interativos ao mesmo tempo. Os usuários interagiam com
o computador via “terminais burros” on-line (sistemas de tempo
compartilhado).
� DÉCADA DE 60:
� Muitos dos sistemasde tempo
compartilhado da década de 60 eram
multimodais, ou seja, suportavam tanto
processamento em lote quanto aplicações
de tempo real.
� Sistemas de Tempo Real tentam dar uma
resposta dentro de um certo prazo
limitado.
Evolução História
�Os SO eram primordialmente multimodais
de multiprogramação (lote, tempo
compartilhado e de tempo real).
�Padrões de comunicação TCP/IP passaram
a ser amplamente usados – comunicação
em redes locais (LANs) ficou prática e
econômica com o padrão Ethernet.
�A criptografia foi alvo de muita atenção,
pois se tornou necessário criptografar
dados proprietários ou privados.
�A revolução da computação pessoal
começou no final desta década com
sistemas Apple II e, explodiu na década
seguinte.
Evolução História
� DÉCADA DE 70:
Evolução História
� É a década do computador pessoal e da estação de trabalho. Softwares
como programas de planilhas de cálculo, editores de texto, pacotes de
banco de dados e pacotes gráficos ajudavam a impulsionar à revolução da
computação pessoal.
� A Microsoft lança a primeira versão do MS-DOS (1981).
� O software de rede passa a ser fortemente relacionado ao sistema
operacional e surgem os sistemas operacionais de redes, com destaque
para o Novell Netware e o Microsoft LAN Manager.
� DÉCADA DE 80:
Editor de Texto - Wordstar
� A criação da World Wide Web e as conexões de Internet cada vez mais
velozes levaram a uma explosão na popularidade da computação
distribuída.
� A Microsoft lança o Windows 3.0 (1990) que apresenta uma interface
amigável com o usuário e de grande funcionalidade.
� Um outro movimento da comunidade de computação foi o movimento
em direção ao software de fonte aberto.
� DÉCADA DE 90:
Evolução História
� Sistemas que exibem paralelismo maciço ganham
popularidade com a nova família de processadores;
� A computação em dispositivos móveis como telefones
celulares e PDAs se tornam mais comum à medida que
forem equipados com processadores cada vez mais
poderosos.
� Sistemas de Computação na Nuvem (Cloud Computing)
surgem para expandir a capacidade de armazenamento,
processamento e disponibilizar softwares e aplicativos;
� ANOS 2000 - ATUAL
Evolução História Evolução História
� Escalonador de Processo: determina quando e por quanto tempo um
processo é executado em um processador.
� Gerenciador de Memória: determinada quando e como a memória é
alocada aos processos e o que fazer quando a memória principal
estiver cheia
� Gerenciador de E/S: atende às solicitações de E/S de e para
dispositivos de hardwares, respectivamente
� Gerenciador de Comunicação Interprocessos (IPC): permite que os
processos se comuniquem uns com os outros.
� Gerenciador de Sistemas de Arquivos: organiza coleções nomeadas
de dados em dispositivos de armazenamento e fornece uma interface
para acessar os dados nesses dispositivos.
� O software que contém os componentes centrais do SO chama-se
núcleo (kernel). Entre os componentes centrais estão:
Componentes do Sistema Operacional
� Eficiência: mede a quantidade de trabalho que um processador pode
concluir em um certo período de tempo (baixo tempo de retorno).
� Robustez: é tolerante a falhas e confiável (o sistema não falhará devido a
erros isolados de aplicações ou de hardware).
� Escalabilidade: é capaz de usar recursos à medida que são acrescentados
(caso contrário chegará a um ponto em que os recursos adicionais não
serão utilizados totalmente).
� Extensibilidade: adapta-se bem a novas tecnologias e fornece
capacidades de estender o SO para executar tarefas que vão além do seu
projeto original
Metas do Sistema Operacional
� Usuários passaram a esperar certas características dos sistemas
operacionais, tais como:
� Portabilidade: é projetado de modo tal que possa operar em muitas
configurações de hardware.
� Segurança: impede que usuários e softwares acessem serviços e
recursos sem autorização.
� Interatividade: permite que aplicações respondam rapidamente às
ações dos usuários ou a eventos.
� Usabilidade: é aquele que tem a capacidade de atender a uma base
significativa de usuários (Linux, Windows e MacOS X).
Metas do Sistema Operacional
� Usuários passaram a esperar certas características dos sistemas
operacionais, tais como:
� Os sistemas operacionais e a arquitetura dos computadores tiveram
grande influência mútua.
� À medida que os SO foram sendo criados e utilizados, ficou claro que
mudanças no projeto do hardware poderiam simplificá-los.
� Com isso, conforme a sua evolução pode-se ter:
�Eram sistemas que operavam uma única tarefa, ou seja,
qualquer outra tarefa para ser executada, deveria aguarda o
término do programa corrente.
�Todos os recursos do sistema ficam exclusivamente dedicados
a uma única tarefa.
� Não há interação do usuário com o programa em execução.
� SISTEMAS MONOPROGRAMÁVEIS (ou Monotarefa).
Tipos de Sistema Operacional
� Os recursos computacionais são compartilhados entre os
diversos usuários e aplicações, ou seja, várias aplicações
compartilham esses mesmos recursos.
� As vantagens são: a redução do tempo de resposta das
aplicações processadas e de custos.
� Um sistema multiprogramável pode ser classificado pela forma
com que suas aplicações são gerenciadas, podendo ser dividido
em:
� SISTEMAS MULTIPROGRAMÁVEIS (ou Multitarefa).
Tipos de Sistema Operacional
1. Sistema em Lote (Batch);
2. Sistemas de Tempo Compartilhado;
3. Sistema de Tempo Real;
4. Sistemas Embarcados;
1. SISTEMAS EM LOTE (BATCH).
� A principal tarefa era transferir controle automaticamente de uma
tarefa para a próxima, estando o SO sempre residente na memória.
� Os operadores reuniam as tarefas em lotes com necessidades
semelhantes e as executavam no computador como um grupo.
� A introdução da tecnologia de disco permitiu que o sistema
operacional mantivesse todas as tarefas em um disco, em vez de
uma leitora de cartões serial.
� Posteriormente, em função da disponibilidade de espaço na
memória principal, as tarefas eram executadas produzindo uma
saída em disco ou fita;
Tipos de Sistema Operacional
1. SISTEMAS EM LOTE (BATCH).
Tipos de Sistema Operacional
2. SISTEMAS DE TEMPO COMPARTILHADO.
� A CPU executa várias tarefas alternando entre elas e os usuários
podem interagir com cada aplicação durante sua execução (via
teclado, mouse, etc.).
� Apenas um pequeno tempo de CPU, denominado de fatia de
tempo (time-slice), é necessário para cada usuário.
� Caso a fatia de tempo não seja suficiente, o programa é
interrompido e aguarda por uma nova fatia de tempo, até ser
concluído.
� Permite aos muitos usuários compartilharem o computador ao
mesmo tempo (escalonamento de CPU e multiprogramação)
dando a impressão de que todo o sistema está dedicado ao seu
uso.
Tipos de Sistema Operacional
2. SISTEMAS DE TEMPO COMPARTILHADO.
Tipos de Sistema Operacional
3. SISTEMAS DE TEMPO REAL
� São implementados de forma semelhante aos de tempo
compartilhado. É usado quando existem requisitos rígidos de
tempo na operação de um processador ou no fluxo de dados.
� Esses tempos devem ser obedecidos, caso contrário, poderão
ocorrer problemas irreparáveis;
� Uma tarefa utiliza o processador o tempo que for necessário ou até
que apareça outro mais prioritário;
� A importância ou prioridade de execução de uma tarefa é definida
pela própria aplicação e não pelo sistema operacional;
Tipos de Sistema Operacional
Controle de Tráfego Aéreo
Controle de Usinas Nucleares
Linha de Montagem
Tipos de Sistema Operacional
3. SISTEMAS DE TEMPO REAL 4. SISTEMAS EMBARCADOS (EMBUTIDOS, MÓVEIS)
� São executados em computadores que controlam dispositivos
que geralmente não são considerados computadores, como
aparelhos de TV, fornos de micro-ondas, automóveis;
� Apresentam restrições de tamanho, memória e de consumo de
energia;
� Realizam tarefas predefinidas, geralmente com requisitos
específicos;
Tipos de Sistema Operacional
SISTEMAS MONOPROGRAMÁVEIS 
(ou Monotarefa).
SISTEMAS MULTIPROGRAMÁVEIS 
(ou Multitarefa).
Tipos de Sistema Operacional
� Caracterizam-se por possuirduas ou mais Unidades de
Processamento (UP) interligadas e trabalhando em conjunto.
� Vários programas podem ser executados ao mesmo tempo ou o
mesmo programa pode ser subdivido em partes e executado
simultaneamente por mais de uma UP.
� SISTEMAS COM MÚLTIPLOS PROCESSADORES.
� Podem ser divididos em:
1. SISTEMAS FORTEMENTE ACOPLADOS.
2. SISTEMAS FRACAMENTE ACOPLADOS.
Sistemas com Múltiplos Processadores
1. SISTEMAS FORTEMENTE ACOPLADOS.
� Existem várias Unidades de Processamento (UP)
compartilhando uma mesma memória física e dispositivos de
E/S, gerenciados pelo mesmo sistema operacional.
� Também chamados de Multiprocessamento Simétrico (SMP);
Sistemas com Múltiplos Processadores
2. SISTEMAS FRACAMENTE ACOPLADOS.
� Caracterizam-se por possuir dois ou mais sistemas
computacionais conectados através de linhas de comunicação
(sendo que cada sistema funciona de forma independente).
� Também são chamados de multicomputadores (ou
Multiprocessamento Assimétrico);
Sistemas com Múltiplos Processadores
� ARQUITETURA MONOLÍTICA
� Os sistemas operacionais de hoje tendem a ser complexos, por
suportarem diversos serviços e uma variedade de recursos de
hardwares e de softwares;
� Arquiteturas de sistemas operacionais podem ajudar projetistas a
gerenciar essa complexidade organizando os componentes.
� É o tipo de arquitetura mais antiga e portanto, mais comum;
� Cada componente do sistema operacional é contido no núcleo e
pode comunicar-se diretamente com qualquer outro;
� O núcleo normalmente é executado com acesso irrestrito ao
sistema de computador;
� A intercomunicação direta entre os componentes é que torna os
sistemas operacionais monolíticos altamente eficientes;
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� ARQUITETURA MONOLÍTICA
Interface de Chamada ao Sistema
Núcleo
Gerenciador de
Memória
Escalonador de Processos
Comunicação entre
Processos
Gerenciador de
Entrada/Saída
Sistema de
Arquivos
Aplicações
Usuário
Núcleo
� É difícil isolar a fonte
de problemas e de
outros erros;
� Restrição:
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� Exemplos:
� ARQUITETURA EM CAMADAS
� Agrupam em camadas os componentes que realizam tarefas
similares;
� Cada camada comunica-se exclusivamente com as camadas
imediatamente acima ou abaixo dela;
� Camadas de nível mais baixo prestam serviços às de nível mais
alto;
� São mais modulares, pois a implementação de cada camada pode
ser modificada sem exigir nenhuma modificação nas outras;
� Restrição:
� O desempenho se degrada em comparação ao do núcleo
monolítico, pois é preciso invocar métodos adicionais para
passar dados de uma camada para a seguinte.
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� ARQUITETURA EM CAMADAS
Aplicações do Usuário
Gerenciamento de E/S
Interpretador de Mensagem
Gerenciamento de Memória
Alocação de Processador
e Escalonamento de
Processo
Camada 0
Camada 1
Camada 2
Camada 3
Camada 4
Usuário
Usuário
Núcleo
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� Exemplo:
Implementa um certo 
nível de camadas
� ARQUITETURA DE MICRONÚCLEO
� Fornece somente um número pequeno de serviços na tentativa de
manter o núcleo pequeno e escalável;
� A maioria dos componentes do sistema operacional
(gerenciamento de processo, rede, sistemas de arquivo e
gerenciamento de dispositivos) é executada fora do núcleo com um
nível de privilégio mais baixo;
� O micronúcleo não depende de cada componente para ser
executado, um ou mais dos componentes podem falhar sem causar
também a falha do sistema operacional;
� Restrição:
� A modularidade ocorre à custa de um maior nível de
comunicação entre módulos, o que pode degradar o
desempenho do sistema.
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� ARQUITETURA DE MICRONÚCLEO
Interface de Chamada ao Sistema
Escalonador de Processos
Gerenciador de
Dispositivos
Sistema de
Arquivos
Aplicações
Usuário
Núcleo
Comunicação entre
Processos
Gerenciamento de Memória Sincronização
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� Exemplos:
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� ARQUITETURA HÍBRIDA
� É uma arquitetura baseada em micronúcleo, que tenta combinar
aspectos e benefícios do micronúcleo e da arquitetura do núcleo
monolítico;
� A categoria híbrida é tida como controversa, o termo teria sido
criada por Linus Torvalds;
� Exemplos:
� ARQUITETURA DE REDE 
� Um sistema operacional de rede habilita seus processos a acessar
recursos que residem em outros computadores;
� Muitos baseiam-se no modelo cliente/servidor;
� Em ambiente de rede, um processo pode ser executado no
computador em que foi criado ou em outro computador da rede;
� Compartilhamento de arquivos de forma explícita ou implícita;
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� ARQUITETURA DISTRIBUÍDA
� Um sistema operacional distribuído é um sistema único que
gerencia recursos em mais de um sistema de computador;
� Dão a ilusão de que vários computadores compõem um único
computador de grande capacidade.
Arquiteturas de Sistemas Operacionais
� ARQUITETURA DISTRIBUÍDA
� Os sistemas operacionais foram sendo aperfeiçoados nas últimas
décadas com duas finalidades:
1. Escalonar as atividades computacionais para garantir um bom
desempenho computacional;
2. Fornecer um ambiente conveniente para o desenvolvimento e
a execução de programas;
� Para melhorar o desempenho geral do sistema de computação foi
introduzido o conceito de Multiprogramação que também permite
o compartilhamento de tempo;
� A influência da Internet e da WWW encorajaram o
desenvolvimento de sistemas operacionais modernos que incluem
navegadores e softwares de comunicação e rede como recursos
incorporados;
Conclusão