Origem e Estrutura dos Sistemas Operacionais

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Origem e Estrutura dos
Sistemas Operacionais
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Apresentação 
Fonte: https://goo.gl/AiZgLt
Entender a origem e a cronologia da evolução dos sistemas operacionais
ajudará bastante na compreensão desse importante assunto dentro da
computação. Desse modo, faremos um rápido estudo dessa evolução, o que
nos permitirá perceber como foram sendo utilizados à medida que evoluíam.
Estudaremos ainda seu relacionamento com o hardware, além de conceitos
importantes para o entendimento das características, funcionamento e
possibilidades na utilização dos sistemas operacionais.
Bons estudos!
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Conteúdo 
Introdução
Ao iniciar o estudo dos sistemas operacionais, cabe procurar respostas para duas
questões bem importantes: qual a função do sistema operacional? Como esse sistema
se relaciona com o hardware?
O objetivo do usuário é executar programas que irão auxiliá-lo no cumprimento de suas
tarefas. Esses programas podem ter as finalidades mais diversas possíveis. Logo, ao
sistema operacional cabe a tarefa de facilitar e coordenar o acesso aos recursos
computacionais disponíveis.
Mas quais são esses recursos?
Podemos classificar esses recursos em três grupos: de entrada/saída; de
armazenamento; de processamento. O primeiro tem a função de fornecer ao
computador os dados a serem processados e de externar o resultado desse
processamento. O segundo tem por função armazenar, de modo permanente ou
temporário, os dados utilizados. Por último, aos recursos de processamento, cabe a
função de executar as rotinas necessárias ao cumprimento das tarefas. Conforme
ilustra a figura 1.
Figura 1 – Visão Geral do Sistema Operacional
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Fonte: Maia, 2007
Para responder a essa questão, considere a sua experiência com os dispositivos que
utiliza, sejam eles computadores, tablets, smartphones e outros dispositivos. Neles,
você utiliza variados programas e aplicativos. Todos eles lhe ajudam a buscar ou
disponibilizar alguma informação. Podendo ser aplicativos de uso corporativo,
educacional, produtividade, de mapas e navegação, entretenimento, etc. Todos estes
para serem utilizados devem ser previamente instalados no dispositivo.
Para Refletir 
Como seria um dispositivo computacional sem computador? O que difere um
computador de um eletrodoméstico comum? Qual a relação do sistema
operacional com o hardware?
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A figura 2 permite uma visão geral do que está sendo mencionado. Nela, é possível
visualizar os usuários interagindo com os aplicativos que, por seu turno, estão apoiados
no sistema operacional, executado em um hardware.
O detalhamento do sistema operacional, seu relacionamento com os aplicativos e o
hardware serão vistos ao longo das próximas aulas.
Figura 2 - Visão dos Componentes de um Computador
Fonte: Maia, 2007
Outra visão completa é mostrada na figura 3, na qual você pode visualizar os programas
em uso, o sistema operacional e os elementos de hardware nos quais se apoia.
Figura 3 - Sistema Computacional Composto de Aplicações, Sistema e Hardware
Fonte: Maia, 2007
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História dos Sistemas Operacionais
Os sistemas operacionais foram evoluindo na medida em que os computadores foram
se desenvolvendo; junto com estes, foram adquirindo características associadas à
evolução do hardware e de conectividade.
Período Anterior aos Anos de 1940
Em 1642, Blaise Pascal inventou uma máquina de somar, visando auxiliar seu pai,
que trabalhava com arrecadação de impostos. Em 1673, Gottfried Leibniz criou uma
máquina que somava e multiplicava. Em 1820, Charles Colmar inventou uma
máquina que realizava as quatro operações.
O primeiro computador de que se tem notícia foi projetado por Charles Babbage, em
1822. Era puramente mecânico, com engrenagens, polias e correias. Esse computador
não possuía sistema operacional, sendo considerado uma máquina analítica.
Em 1854, George Boole criou a lógica booleana, na qual se baseia todo modelo de
computação digital.
Em 1890, Herman Hollerith criou o mecanismo de cartões perfurados para ajudar o
processamento do censo dos EUA. Hollerith fundou, em 1896, a empresa que
posteriormente se tornou a IBM.
Década dos Anos de 1940
Nessa década, surgiu o que é chamado de primeira geração de computadores, na qual
eram utilizados válvulas e painéis de programação. Nessa época, foi criado o Electronic
Numerical Integrator and Calculator (ENIAC), na Universidade da Pensilvânia, sendo
utilizado em cálculos balísticos e, posteriormente, no desenvolvimento da bomba de
hidrogênio.
Década dos anos de 1950
Nos anos de 1950, surgiu a segunda geração, com a utilização de transistores e de
sistemas em lote (ou batch).
O processamento em lote consistia em uma maneira de otimizar a utilização dos
computadores até então disponíveis, os denominados mainframes. Nesse tipo de
processamento, o programa a ser executado era preparado previamente. Inicialmente
por meio de cartões perfurados e, em evoluções posteriores, previamente digitados. O
mainframe processava um a um os programas. Essa era uma forma de otimizar a
utilização desse caro recurso. A figura 4 ilustra o processamento em lote baseado em
cartões perfurados.
Figura 4 Processamento em Lote Baseado em Cartões Perfurados
http://pt.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascalhttp:/pt.wikipedia.org/wiki/Blaise_Pascal
http://pt.wikipedia.org/wiki/Gottfried_Leibnizhttp:/pt.wikipedia.org/wiki/Gottfried_Leibniz
https://pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Xavier_Thomashttp:/www.britannica.com/ebc/article-9362406
http://pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Babbagehttp:/pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Babbage
http://pt.wikipedia.org/wiki/George_Boole
http://pt.wikipedia.org/wiki/George_Boolehttp:/pt.wikipedia.org/wiki/Herman_Hollerith
http://www.ibm.com/http:/www.ibm.com/
http://pt.wikipedia.org/wiki/Eniac
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Fonte: Maia, 2007
Década dos Anos de 1960
Na década dos anos de 1960, chegou-se à terceira geração de computadores, com a
disseminação dos circuitos integrados e da multiprogramação.
Nessa época, ocorreu um problema, pois existiam duas linhas de produtos totalmente
incompatíveis. Os computadores de grande porte, utilizados em cálculos de engenharia
e ciência, tal como o 7094, e os orientados a caracteres, como o 1401, utilizados por
bancos e demais instituições financeiras. A IBM lançou então o System/360,que cobria
desde máquinas menores até as de grande porte. Nessa época, a empresa lançou
séries subsequentes, denominadas 370, 4300, 3080 e 3090.
A multiprogramação surgiu nesse momento, para diminuir a ociosidade da CPU, a
partir da qual a memória era dividida em partes, nas quais, em cada uma, colocava-se
um job (trabalho) a ser executado. Desse modo, vários jobs poderiam ser preparados
para que fossem utilizados em sequência pela CPU.
Na figura 1.5 pode ser visto um mainframe da série 4.300, o IBM 4341, fabricado
entre os anos de 1979 e 1986.
Figura 5 - Mainframe IBM Série 4300
http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/mainframe/mainframe_PP4341.html
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Outras imagens podem ser vistas no IBM – Mainframe Photo Álbum.
Década dos Anos de 1970
Nessa década, surgiram os minicomputadores, tais como o PDP-11. Em 1971, a Intel
produziu o processador Intel 4004 e, em 1974, o Intel 8080. Estes foram seguidos pela
Zilog, que lançou o Z80.
Com a evolução dos processadores, surgiram então os microcomputadores. Em 1976,
Steve Jobs e Steve Wozniak produziram o Apple II que, rapidamente, se tornou um
sucesso. O sistema operacional utilizado predominantemente, nesses computadores, é
o CP/M (Control Program Monitor), da Digital Research.
Na outra extremidade do mercado, o de grande porte, era lançado o supercomputador
Cray-1 capaz de realizar 100 milhões de operações de ponto flutuante por segundo (100
MFLOPS).
Década dos Anos de 1980
Foi o início da quarta geração, marcada pela entrada da IBM no mercado de
microcomputadores que, em 1981, lançou o IBM PC. Esse primeiro microcomputador
utilizava processador Intel 8088 de 16 bits e sistema operacional Microsoft DOS (Disk
Operating System). Em 1982, foi fundada a Sun Microsystems, que lançou as estações
de trabalho SUN, que se utilizavam do SunOS (posteriormente, Sun Solaris).
Nessa década, a Universidade de Berkeley criou sua própria versão de Unix, o BSD,
introduzindo várias melhorias, em especial, associadas ao TCP/IP.
Ao longo da década, surgiram os sistemas operacionais com interface gráfica, tais
como o Microsoft Windows e OS/2.
Década dos Anos de 1990
http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/mainframe/mainframe_album.html
http://pt.wikipedia.org/wiki/Apple_IIhttp:/pt.wikipedia.org/wiki/Apple_II
http://www-03.ibm.com/ibm/history/exhibits/pc25/pc25_intro.html
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Nessa década se consolidaram os sistemas operacionais com interface gráfica. Com o
surgimento da Internet, a arquitetura cliente/servidor passou a ser utilizada também
fora de redes locais.
Surgiram ainda os softwares abertos (open source), com destaque para os sistemas
operacionais FreeBSD e o Linux.
Década dos Anos de 2000
Essa década caracteriza-se por: demanda cada vez maior por processadores e sistemas
cada vez mais eficientes, surgimento de variadas interfaces de interação entre o usuário
e a máquina; miniaturização e mobilidade crescentes, o que, aliado às tecnologias de
redes sem fio, têm levado a computação a locais e atuações antes não utilizados, o que
tem possibilitado uma informatização sem precedentes. Os sistemas operacionais
estão cada vez mais presentes, sendo aplicados em dispositivos diversos, tais como
PDA, telefones celulares, eletrodomésticos etc.
Década dos Anos de 2010
Essa década caracteriza-se pela continuada miniaturização dos circuitos,
processadores e memória que permitem o surgimento de dispositivos ainda mais
compactos, o que aliado às novas tecnologias de rede sem fio possibilitaram que
fossem levados ou instalados em variados locais. Surgindo aí a portabilidade real de
fato, com dispositivos realmente móveis e integrados no dia a dia dos usuários.
O computador deixou de ser algo que se tinha instalado em uma mesa no escritório ou
em casa, passando a ser utilizado em massa. Seja junto do usuário, como um
dispositivo portátil, ou mesmo integrado ao vestuário, assim como instalado em
eletrodomésticos e embarcado em veículos coletivos e particulares de toda ordem.
É a década dos smartphones e da Internet das Coisas (IoT – Internet of Things).
Os Diversos Tipos de Sistemas Operacionais
Para Saber Mais 
A história do computador contém vários fatos interessantes e que mudaram o
mundo como é hoje. Muitos destes estão relacionados no vídeo "History Of The
Computer Documentary", que traça um cenário de evolução dos computadores
desde de Charles Babbage até os dias atuais.
https://www.youtube.com/watch?v=mFdUqqwzbVs
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Um sistema operacional pode ser aplicado nos mais diversos tipos de dispositivos
existentes. Nesse item, mencionamos os mais comuns e que fazem parte de nosso dia
a dia, desde sistemas de grande porte até pequenos cartões inteligentes (smart cards),
relacionados a seguir.
Sistemas Operacionais Para Computadores de Grande Porte
Computadores de grande porte são utilizados por grandes empresas e centros de
pesquisa. A finalidade desses computadores é lidar com grandes volumes de
processamento, tais como análise de crédito por grandes bancos ou simulações como
as efetuadas para prospecção de petróleo e gás ou para fins meteorológicos.
Sistemas Operacionais Para Computadores Pessoais
Computadores pessoais visam oferecer ao usuário boas condições de interação na
realização de suas tarefas, sejam essas de trabalho ou lazer, sendo utilizados para uso
geral. Permitem: acesso à Internet – para fins diversos, inclusive interação com outras
pessoas, via mensageiros instantâneos; utilização de suítes de escritório - editores de
texto, planilha eletrônica etc.; uso de programas multimídia, como vídeos e músicas;
interagir com variados tipos de dispositivos de E/S – gravadores de mídias diversas,
joysticks para jogos etc.
Sistemas Operacionais Para Dispositivos Móveis
Os dispositivos móveis surgiram nas últimas duas décadas, e com a miniaturização dos
componentes e o amplo acesso às redes sem fio, permitiram que fossem incorporados
no dia a dia das rotinas pessoais e empresarias. Presente nos tablets e smartphones
tem por finalidade prover, na medida do possível, acesso aos mesmos programas e
serviços disponíveis em computadores pessoais. Além de uma ampla facilidade
decorrente do acesso em qualquer lugar, inclusive em movimento.
Computadores pessoais visam oferecer ao usuário boas condições de interação na
realização de suas tarefas, sejam estas de trabalho ou lazer, sendo utilizados para uso
geral. Permitem: acesso à Internet – para fins diversos, inclusive interação com outras
pessoas, via mensageiros instantâneos; utilização de suítes de escritório - editores de
texto, planilha eletrônica etc.; uso de programas multimídia, como vídeos e músicas;
interagir com variados tipos de dispositivos de E/S – gravadores de mídias diversas,
joysticks para jogos etc.
Sistemas Operacionais Para Servidores
Sistemas operacionais para servidores podem ser executados em servidores de grande
porte, servidores, estações de trabalho ou mesmo computadores pessoais. Podem
fornecer diversos serviços, podendo atuar como: servidores web; servidores de
arquivos; servidores de impressão, entre outros.
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São os mais utilizados em ambiente de Datacenter para suportar os serviços básicosde
rede, de nuvem, e de interligação de programas e aplicativos com o backend destes
hospedados em nuvem nos Datacenters.
Sistemas Operacionais Para Aplicações em Tempo Real
Sistemas operacionais para aplicações em tempo real têm o tempo como um fator
crítico. São aplicados em equipamentos que possuem prazos rígidos para a execução
das tarefas, tais como máquinas empregadas em processos industriais.
Sistemas Operacionais Embarcados
Como exemplos, podem ser citados: tablets, smartphones, PDA, telefones celulares,
eletrodomésticos e embarcados. Os dispositivos que os utilizam geralmente têm sérias
limitações quanto à capacidade de processamento, memória e energia que podem
utilizar.
Existem vários casos de sistemas operacionais embarcados que possuem também
características de tempo real.
Sistemas Operacionais Para Cartões Inteligentes
Os sistemas operacionais para cartões inteligentes são utilizados em dispositivos de
tamanho similar a um cartão de crédito. Esses dispositivos possuem uma restrição de
consumo de memória e energia bem menores que os do tipo embarcado. Em geral,
dedicam-se a uma única função como, por exemplo, executar pagamentos bancários.
Arquitetura Típica de um Sistema Operacional
Para que possamos estudar a arquitetura de um sistema operacional é oportuno que
vejamos os principais elementos associados a ele.
Iniciando pelo ponto de vista do usuário, temos as aplicações. Ligados a essas temos
os utilitários, que permitem uma interação dos usuários e aplicações com o sistema
operacional. Em seguida, temos o próprio sistema operacional, que se apoia ainda
sobre o hardware. A figura 6 apresenta esses elementos.
Figura 6 - Arquitetura de um Sistema Operacional
Para Refletir 
Qual a razão dos sistemas operacionais de um servidor ou de um smartphone,
serem tão diferentes? Quais as causas e consequências dessas diferenças?
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Fonte: Maia, 2007
Monolítica
Um sistema operacional pode ser considerado monolítico ou não. Os sistemas
operacionais monolíticos são obsoletos e/ou tem aplicação limitada. Atualmente, a
preferência é por dispositivos cuja arquitetura seja em camadas e com uso de Kernel ou
microkernel. Sendo exceção dispositivos para aplicações em tempo real e alguns de
uso industrial.
A arquitetura monolítica se refere a um único programa que pode ter até sido compilado
em separado, mas foi unificado (linkado) em um programa executável. O
desenvolvimento ou manutenção desse tipo de código é complicado. O sistema
operacional DOS da Microsoft é monolítico.
Organização em Camadas
A arquitetura em camadas surgiu com a necessidade de melhorar o processo de
desenvolvimento e manutenção de um código mais complexo. Nessa abordagem, o
sistema é organizado em camadas, nas quais cada uma exerce um conjunto bem
determinado de funções.
Além de facilitar a escrita e manutenção do código, permite a organização de modos de
acesso associados às camadas.
Tanto o Unix quanto o Windows, em suas versões mais recentes, utilizam essa
arquitetura, que apresenta duas camadas: a primeira, como acesso não privilegiado
(modo usuário) e a segunda, com acesso privilegiado (modo kernel).
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Microkernel
O conceito de microkernel surgiu em 1980, na Universidade Carnegie-Mellon. A ideia era
possuir um kernel (núcleo) menor. Atualmente, essa é uma tendência na maior parte
dos sistemas operacionais.
Para isso, os serviços disponibilizados pelo sistema são executados como processos,
nos quais cada um coordena as funções de gerenciamento de arquivos, memória,
processos e escalonamento.
Os serviços, nesses casos, são todos executados no modo usuário, sem acesso direto
ao sistema. Os processos se comunicam entre si e com o microkernel, por meio de
mensagens. Quando determinado processo deseja acessar o hardware, ele o faz por
meio de uma mensagem ao microkernel, conforme ilustra a figura 7 a seguir.
Figura 7 - Arquitetura Computacional com Microkernel
Fonte: Maia, 2007
Essa abordagem propicia algumas vantagens. A primeira diz respeito à segurança
propiciada pelo acesso restrito, já que somente o microkernel possui acesso direto ao
hardware. Eventuais conflitos nos processos podem causar somente a parada dos
processos envolvidos, permanecendo então os demais processos e o servidor em
execução normal.
A utilização de microkernel facilita a utilização de múltiplos processadores, seja através
de uma única máquina com diversos processadores ou de um ambiente distribuído em
que as máquinas podem estar distantes umas das outras.
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Porém, a implementação desse tipo de solução é difícil. Na prática, o que existe
atualmente é uma combinação entre o modelo em camadas e o de microkernel.
Mas o que o sistema operacional faz realmente?
Para que você possa entender a real função do sistema operacional, é necessário
visualizar os elementos que interagem com ele.
Até aqui, você viu que o sistema operacional lida com o processador, os dispositivos de
entrada e saída, a memória e os dispositivos de armazenamento. O funcionamento de
todos esses elementos não é sequencial, havendo momentos em que existe disputa por
recursos, ou mesmo enfileiramento. Logo, cabe ao sistema operacional gerenciar tudo
isso.
Entre as atividades gerenciadas pelo sistema operacional estão:
criar e eliminar processos e threads;
sincronizar a comunicação entre processos e threads;
escalonar e controlar processos e threads;
gerenciar a memória;
gerenciar dispositivos de entrada e saída;
gerenciar o sistema de arquivos;
efetuar a segurança do sistema.
Alguns Conceitos Comuns aos Sistemas Operacionais
As características de um sistema operacional estão associadas ao hardware em que é
executado. Desse modo, a maneira como gerenciam processos, memória,
entrada/saída, arquivos e a segurança, varia entre os sistemas. Apesar disso, os
conceitos básicos associados aos diversos sistemas operacionais existentes são os
mesmos. Neste item, você conhecerá alguns desses conceitos.
Processos
Um processo é um programa que está sendo executado. Um sistema operacional deve
lidar com muitos processos, ou seja, deve executar vários deles, inclusive ao mesmo
tempo.
Por enquanto, considere "fatias de tempo"; a cada fatia, um processo é executado.
Terminada uma fatia, o processador passa a executar outro processo, alternando, desse
modo, todos os processos a executar.
Quando um processo é interrompido, é posteriormente retomado a partir de onde havia
parado. A velocidade com que alterna todos os processos e retorna ao primeiro é tão
elevada que a impressão causada é que o sistema operacional está executando várias
tarefas ao mesmo tempo.
AB
Destacar
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Um processo é composto de seu espaço de endereçamento e de uma entrada na tabela
de processos.
Deadlocks
Deadlock é uma situação muito comum, que ocorre nos sistemas operacionais durante
a execução de vários processos ao mesmo tempo. Isso ocorre quando dois processos
ficam bloqueados, um esperando pelo outro.
Considere, para isso, dois processos: o primeiro processo (P1) aloca um recurso A para
uso; enquanto isso, o segundo processo (P2) aloca um recurso B para uso. Em um dado
momento, o processo P1 solicita acesso também ao recursoB, porém, sem ainda
liberar o recurso A. Nesse mesmo instante, o processo P2, por coincidência, solicita
acesso ao recurso A, sem liberar o uso de B. Ocorre então o deadlock. Nesse instante, o
processo P1 vai ficar esperando a liberação do recurso B, enquanto o processo P2 fica
aguardando o recurso A, sendo que nenhum deles liberou o recurso já em uso.
Gerenciamento de Memória
Os dispositivos computacionais utilizam uma memória para apoio aos programas que
estão em execução. Em um sistema operacional simples, somente um programa por
vez pode ocupar a memória. Logo, para alternância de um processo a outro, todas as
informações devem ser salvas e o processo removido da memória, sendo em seguida
colocado o próximo em memória.
Os sistemas operacionais que utilizamos na prática possuem a capacidade de manter
em memória vários processos ao mesmo tempo. Devem, portanto, controlar o acesso à
área de memória ocupada por cada um, prevenindo que outros acessem esses espaços
reservados.
É desejável que todo o espaço de endereçamento a ser utilizado pelos programas seja
menor do que a memória disponível, permitindo que todos sejam mantidos em
memória. Caso o espaço seja maior do que a memória disponível, será utilizada uma
técnica denominada de memória virtual (swap). Nesse caso, parte do espaço de
endereçamento será mantida em disco.
Entrada e Saída
Os dispositivos computacionais possuem interfaces de entrada e saída. O primeiro é
aquele por meio do qual passamos ao computador as informações ou dados a serem
processados enquanto, pelo de saída, o computador apresenta o resultado das
operações solicitadas.
O dispositivo de entrada mais comum é o teclado e o de saída mais comum é a tela.
Entretanto, existem muitos outros, tais como: mouse; impressora; unidades de disco ou
fita; placa de rede; porta serial; porta paralela etc. Existem ainda outros que podem ser
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simultaneamente de entrada e saída, como telas sensíveis ao toque.
Sistema de Arquivos
Sistema de arquivos é outro conceito muito importante no estudo dos sistemas
operacionais. Os arquivos guardam informações que são manipuladas pelos programas
e pelo próprio sistema.
Para que um arquivo possa ser lido, deve primeiramente ser localizado e depois aberto.
Após ser manipulado, podendo inclusive ter seu conteúdo alterado, deve ser salvo e
fechado.
Ao sistema operacional cabe a organização e manipulação desses arquivos. Uma forma
muito comum de os sistemas operacionais organizarem seus dados é sob a forma de
diretórios. Cada diretório (ou pasta) agrupa vários arquivos.
Segurança
Uma vez que muitas informações estão armazenadas em um computador, é necessário
um controle quanto ao acesso e modificação dos dados. Isso é necessário tanto para
proteger o sistema operacional quanto os próprios dados dos usuários de acessos
indevidos, inclusive os causados por vírus e outras pragas virtuais.
Shell
É função do sistema operacional a execução de chamadas ao sistema. Vários
programas que não fazem parte do sistema operacional necessitam de acesso a
variados recursos; entre estes estão editores, compiladores, ligadores e interpretadores.
Analisando o caso dos interpretadores, eles possuem algumas características.
Tomemos como exemplo o Shell do Unix/Linux. O usuário, quando se conecta, tem um
interpretador de comandos (Shell) iniciado; este se torna a entrada e saída padrão do
usuário. É por meio dele que o usuário digita seus comandos e recebe seus resultados,
podendo, se for o caso, modificar a entrada ou saída dos dados. Por exemplo: pode
utilizar como entrada um arquivo e como saída a impressora.
System Calls
Neste item, começaremos por um elemento presente em todo sistema operacional: as
"chamadas ao sistema", denominadas System Calls, em ambiente Unix ou Application
Program Interface (API), em ambiente Windows.
As System Calls funcionam como uma interface para acesso ao núcleo do sistema
operacional. Desse modo, quando um usuário ou aplicação solicitam algum serviço,
uma chamada de sistema é realizada.
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Cada serviço possui uma chamada de sistema associada. Cada sistema operacional
possui seu próprio conjunto de chamadas e formas de fazê-lo.
A figura 8 mostra o esquema de interação entre aplicações, System Calls, núcleo do
sistema operacional e o hardware.
Figura 8 - Interação das System Calls com o Hardware
Fonte: Maia, 2007
Uma tentativa de padronização das chamadas, denominada POSIX, foi proposta. O
objetivo era permitir que aplicações desenvolvidas conforme as chamadas
padronizadas pudessem ser executadas em qualquer sistema operacional que
suportasse POSIX. Para que você possa entender adequadamente a localização e
função dessas chamadas ao sistema, considere o seguinte exemplo:
O programador, ao escrever o código de um programa, o faz utilizando uma linguagem
de programação alto nível (por exemplo: Pascal, C ou C++). O compilador então
converte esse código de alto nível em chamadas ao sistema apropriadas à arquitetura
do hardware onde será utilizado.
Existem muitas chamadas ao sistema que, como se disse, variam conforme o sistema
operacional. Todavia, podem ser reunidas em quatro grupos:
Gerenciamento de processos e threads – criação, eliminação, sincronização,
comunicação e informações.
Gerenciamento de memória - alocação e liberação de memória.
Gerenciamento de arquivos – abrir, ler, gravar, fechar ou eliminar arquivos; criar,
alterar e eliminar diretórios; obter informações de arquivos e diretórios.
Gerenciamento de dispositivos – alocar ou liberar operações de entrada ou saída
e obter informações sobre dispositivos.
Modos de Acesso
O acesso aos arquivos, à memória e aos dispositivos deve ser controlado. A razão para
isso é que um acesso indevido pode causar sérios problemas. Imagine se cada
aplicação resolve que vai acessar determinado setor do disco rígido, cada uma quando
bem entender. Quais problemas isso poderia causar?
https://pt.wikipedia.org/wiki/POSIX
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Como os recursos do computador são todos compartilhados, faz-se necessário um
controle desse acesso. Esse controle pode ser efetuado de dois modos diferentes:
No primeiro modo, algumas instruções mais críticas, ou privilegiadas, somente
podem ser executadas pelo sistema operacional. Nesse caso, os aplicativos
devem solicitar ao sistema que execute determinada operação. O sistema então a
executa, após verificar a validade de tal solicitação, encaminhado o resultado a
quem a solicitou. Evitam-se assim problemas de segurança ou de integridade dos
dados. É o denominado modo kernel (ou supervisor).
No segundo modo, as instruções não críticas, ou não privilegiadas, somente
podem ser executadas se o usuário ou aplicação possuírem autorização para tal.
É o denominado modo usuário.
A melhor maneira de controle da segurança é permitir que somente o sistema
operacional tenha acesso às instruções encaminhadas. Desse modo, as chamadas de
sistema são todas encaminhadas ao sistema operacional. Essa abordagem vale tanto
para acesso ao processador quanto aos demais dispositivos.
Alguns sistemas operacionais permitem que a aplicação efetue uma chamada de
sistema ao kernel que, então, altera o acesso do modo usuário para o modo kernel; daí a
aplicação ganha acesso ao recurso (por exemplo: processador). Após executada a
rotina, o modo usuário é reativado, retirando os privilégios de acesso.
O sistema operacional MS-DOS, por exemplo,não possuía esse recurso de utilização de
modo usuário ou modo kernel, uma vez que foi desenvolvido para a arquitetura Intel
8088. Já a arquitetura Intel x86 possui esse recurso, utilizado pelos sistemas
operacionais Windows 2000 e outros mais recentes, além do Linux e Solaris.
Máquina Virtual
Máquina virtual é um assunto bem atual. Possivelmente, você já deve ter ouvido falar
sobre isso, lido algo a respeito, ou mesmo já a utiliza no dia a dia.
Mas você sabe do que se trata? E como funciona?
Nos itens anteriores, você já estudou que o sistema operacional funciona sobre um
hardware específico. Sabe também que, quando um programa é criado, é feito para um
determinado sistema operacional.
Ocorre que, atualmente, tem-se frequentemente a necessidade de executar mais de um
sistema operacional, ao mesmo tempo, em um determinado computador ou servidor.
Qual a razão dessa necessidade?
Existem vários motivos para isso. O primeiro é a necessidade de executar em um
mesmo hardware aplicações ou sistemas feitos para sistemas operacionais diferentes.
Por exemplo, por limitação de quantidade de servidores disponíveis. É muito comum
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uma empresa ter vários sistemas, às vezes dezenas deles, possuindo uma quantidade
inferior de equipamentos que os suportem. A solução é o compartilhamento. É a
utilização de ambiente virtualizado.
O segundo motivo diz respeito às questões de segurança e/ou gerenciamento de
ambientes complexos. Você pode ter várias instalações de um determinado sistema
operacional em execução em um dado computador. Cada uma destas instalações terá
somente o que for necessário para atender ao programa que for ser executado ali.
Pense nas vantagens de segurança e de gestão que pode oferecer.
Se sua empresa for um Datacenter, prestando serviços de hospedagem variados
(servidores web, e-mail, FTP, banco de dados etc.) aos seus clientes, você pode
alocar cada cliente em um dos ambientes em execução.
Se, por outro lado, todos os serviços são hospedados em sua própria empresa, você
pode optar por colocá-los separadamente em máquinas virtuais diferentes. O impacto
dessa decisão é que um eventual problema de segurança em uma máquina (tal como
uma invasão) não compromete as outras. Além disso, você pode ligá-las e desligá-las
separadamente. Pode ainda efetuar uma cópia completa de uma instalação em poucos
minutos, colocando-a para executar no mesmo servidor ou em outro.
Máquinas virtuais podem ser utilizadas em computadores pessoais, em servidores ou
mesmo em mainframes. A única limitação é a capacidade de processamento e de
memória do hardware.
Máquina virtual é um recurso que adiciona uma camada extra entre o sistema
operacional e o hardware. Essa camada adicional emula um hardware. Desse modo, o
sistema operacional instalado sobre a máquina virtual "pensa" que está interagindo
diretamente com o hardware.
Assim, é possível instalar mais de um sistema operacional sobre essa camada
adicional. Cada uma dessas instalações acessa a máquina virtual como se estivesse
acessando o hardware. Cabe a essa máquina virtual a interação com o hardware,
conforme ilustra a figura 9.
Figura 9 - Hardware com Execução de Três Máquinas Virtuais
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Fonte: Tanembaum, 2003
Nesta aula, você estudou a história dos sistemas operacionais, podendo
acompanhar sua evolução e utilização ao longo do tempo. Conheceu os
diferentes tipos de aplicações para os sistemas operacionais que podem
ser utilizados desde em um pequeno dispositivo móvel, até em um grande
computador, incluindo sistemas de tempo real.
Em seguida, foram mencionados alguns conceitos importantes e comuns a
todos os sistemas operacionais, que serão estudados em detalhes mais
adiante por enquanto, estes conceitos nos permitirão avançar no estudo
desta disciplina.
Para Refletir 
O que difere um computador (ou smartphone) de um eletrodoméstico
comum? Em tempo de Internet das Coisas (IOT) como isso afeta o seu dia a
dia e os das demais pessoas. Como seria um computador sem sistema
operacional? Isso é possível? Como seria a sociedade nos dias de hoje sem
os computadores? Como seriam os serviços públicos, mas básicos? Haveria
luz elétrica? Tratamento de água? Como seriam os hospitais?
Qual é o sistema operacional dos dispositivos a sua volta (computadores,
celulares, etc.)? Quais são monolíticos? Quais são em camadas? Relacione
ao menos vinte tipos de casos presentes em seu cotidiano.
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Os itens estudados serviram como preparo para os próximos conteúdos
tais como gerenciamento de processos, de memória e de entrada/saída,
três conceitos primordiais ao entendimento do funcionamento dos sistemas
operacionais existentes.
Você pode estudar também a estrutura de um sistema operacional,
podendo perceber como se relaciona com os usuários, seus aplicativos e
com o hardware. Em seguida, viu as funções que devem ser realizadas
pelo sistema operacional, tais como gerenciar a utilização do processador,
da memória, dos dispositivos de entrada e saída e do sistema de arquivos.
Na sequência, abordou-se o tema "chamada de sistema" ou system calls e
seu funcionamento como uma interface entre o usuário, seus aplicativos e
o sistema operacional. Entre as chamadas existentes foram mencionadas
algumas como: manipulação de processo; alocação de memória; acesso a
arquivos; gerenciamento de dispositivos.
Então, você estudou o modo de acesso, por meio do qual se pode controlar
melhor o acesso ao sistema operacional e, em especial, ao hardware; isso
é feito por meio do acesso em modo usuário ou acesso em modo
privilegiado (modo kernel), sendo que, nesse último, as aplicações
encaminham as solicitações ao sistema para que sejam efetuadas. Assim,
adiciona-se um recurso a mais de segurança ao sistema operacional.
Mencionaram-se ainda a arquitetura monolítica e a multicamada, com as
vantagens desta última. Ao conceito de multicamada acrescentou-se o
conceito de microkerne, possibilitando uma visão da estruturação dos
sistemas operacionais atuais.
Por último, foram vistos os conceitos associados a máquinas virtuais,
descrevendo-se suas aplicações e vantagens.
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Na Prática 
"Prezado(a) estudante,
Esta seção é composta por atividades que objetivam
consolidar a sua aprendizagem quanto aos conteúdos
estudados e discutidos. Caso alguma dessas atividades seja
avaliativa, seu (sua) professor (a) indicará no Plano de Ensino
e lhe orientará quanto aos critérios e formas de apresentação
e de envio."
Bom Trabalho!
Considerando os sistemas operacionais a sua volta, elabore um mapa mental,
organizando-os por tipo. No mapa, procure indicar aqueles utilizados em
dispositivos móveis, os utilizados em computadores pessoais, os destinados a
servidores, aqueles de uso embarcado, entre outros. Quantos sistemas
operacionais você consegue relacionar? Uns 15, 20, 50?
Elabore um texto dissertativo sobre os sistemas operacionais utilizados
atualmente, agrupando-os em categorias. Inclua uma pequena descrição (ao
menos um parágrafo) para descrever a categoria, seguida de uma breve
explanação (ao menos doisparágrafos) sobre as potencialidades e as limitações
de cada sistema operacional conhecido.
Atividade 1 

Atividade 2 

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Os sistemas operacionais têm evoluído rapidamente nos últimos anos. A ficção
científica foi capaz de prever ou estimular vários recursos. Entretanto, um recurso
foi pouco explorado na literatura, que é o amplo uso de telas sensíveis ao toque.
Como você pensa que estarão os sistemas operacionais em 5, 10 ou 20 anos? O
que considera que poderia ser melhorado? Quais recursos atualmente ausentes
poderiam ser acrescentados futuramente?
Atividade 3 

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Saiba Mais 
Para ampliar seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo a(s)
sugestão(ões) do professor:
Como funciona um sistema operacional? O vídeo a seguir apresenta de
forma simples e resumida essa ideia. Assista ao vídeo "Computer Basics:
Understanding Operating Systems". Ajuste a legenda se necessário.
https://www.youtube.com/watch?v=pTdSs8kQqSA
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STALLINGS Willian Computer organization and architecture 6nd ed 2005
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______. Arquitetura de computadores pessoais. 2. ed. Porto Alegre, RS: Ed.
Sagra Luzzatto, 2001.
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