Sistemas Operacionais

• Sistema Operacional (SO): Programa ou conjunto de programas do sistema que gerencia recursos de hardware e atua como intermediário (interface) entre usuário e hardware

• Buffer: Utilização de uma área da RAM para auxiliar a transferência de dados entre I/O e a memória; armazenamento temporário para mitigar diferenças de velocidade em I/O

• Reentrância: Capacidade de um código executável ser compartilhado por várias tarefas exigindo apenas uma cópia em memória (guias em um mesmo programa ao invés de uma nova janela)

• Program Counter: Ponteiro que aponta para a próxima instrução a ser processada

Hyper-Threading: tecnologia onde o processador se apresenta para o SO como possuindo o dobro de núcleos que possui fisicamente; divisão do processamento entre dois ou mais processadores lógicos

Boot

• BIOS/UEFI: Software de baixo nível que inicializa o hardware do computador]

• UEFI (Unified Extensible Firmware Interface): Versão moderna de inicialização, mais compatível

• POST (Power On Self Test): Testes diagnósticos para verificar o funcionamento do computador

Boot Device

• Respeita a ordem de boot

• Bootloader - Programa pequeno que carrega o sistema operacional

Processo de Boot

Tipos

Sistemas Monoprogramáveis (Monotarefa)

• Primeiros sistemas operacionais

• Recursos computacionais são dedicados para apenas um programa

• Para execução de novo programa, aguarda término de programa concorrente

• Implementação simples

• jobs - programas

• MS-DOS

Sistemas Multiprogramáveis (Multitarefa)

• Escalonamento / concorrência de programas

• Recursos computacionais são compartilhados entre aplicações

• Reduz tempo de resposta e custo

• Implementação complexa

Podem ser classificados pela forma como gerencia suas aplicações:

• Sistemas BATCH: Primeiros sistemas multiprogramáveis (década de 60); execução por cartões perfurados, armazenados em disco ou fita; processamento sem interação humana

• Real-Time: Tempo de execução dentro de limites rígidos; programa ocupa o processador o tempo que for necessário ou até surgir um programa de maior prioridade (definida pela aplicação); utilizados em controle de processos (refinarias de petróleo, tráfego aéreo, usinas etc)

• Time Sharing: Compartilhamento de diversos recursos do sistema; permite execução de diversos programas a partir da divisão do tempo do processador em pequenos intervalos (time-slice); a maioria das aplicações comerciais atuais utiliza, pois oferece menos tempo de resposta ao usuário e menos custo

Sistemas com Múltiplos Processadores

• Cluster de processamento

• Possuem duas ou mais CPU's interligadas trabalhando em conjunto

• Permite a execução simultânea de programas ou a subdivisão do programa para execução em mais de um processador

• Permitiu criação de sistemas para processamento científico, simulações, processamento de imagem etc

Fortemente Acoplado: Uma memória é compartilhada pelo cluster de processadores e dispositivos I/O são gerenciados por um único SO; maior taxa de transferência e memória

• Multiprocessamento Simétrico (SMP): cada CPU executa uma cópia idêntica do SO

• Assimético: quando processadores são diferentes; resposta não é em tempo real

Fracamente Acoplado: Processadores estão em arquiteturas diferentes, somente unidos por cabos de interconexão; cada CPU é uma máquina independente, com SO próprio e possui sua própria memória individual

• Redes: Dois ou mais sistemas independentes (hosts) interligados por linhas telefônicas, permitindo que um host compartilhe seus recursos (impressora, diretórios)

• Distribuídos: Também compartilha recursos, porém neste modelo o SO omite detalhes dos hosts individuais e trata como se fossem um conjunto único (fortemente acoplado)

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Kernel

• Núcleo do SO

• Conjunto de rotinas que oferecem serviços essenciais aos usuários, aplicações e ao próprio sistema

• Gerencia os recursos do sistema

O usuário entra em contato com o sistema operacional por meio do shell que envia para o kernel o que foi solicitado

Shell: Interpretador de comandos; "casca", parte externa responsável pela comunicação (interface CLI ou GUI) com o usuário

• CLI - Command-Line Interface

• GUI - Graphic User Interface

Estruturas

Camadas: Sistema é dividido em níveis sobrepostos onde cada camada fornece funções que podem ser utilizadas apenas pelas camadas superiores; isolamento das funções do sistema; compromete desempenho dadas as mudanças de camadas

Microkernel - Client/Server: Cada função/serviço do SO é disponibilizada através de processos; cliente (aplicação/usuário) solicita ao servidor (processo) responsável; permite que servidores operem como modo usuário acessando componentes limitados, pois apenas o núcleo opera em modo kernel

Kernel e Espaço do Usuário

Processos

• Ambiente onde um programa é executado / "programa em execução"

• Contém quantidade de recursos que o processo pode utilizar

Bloco de Controle de Processo (BCP)

• Estrutura de dados que compõe o processo

Contexto de Software: Especificação de limites e recursos

1. Identificação - infos sobre o usuário, áreas de atuação no sistema

2. Quotas - limites de recursos; área utilizada em disco/memória; limite de linhas impressas; nº máx de arquivos abertos; nº máx de I/O pendentes e tempo limíte de CPU

3. Privilégios - prioridades assumidas pelo processo durante sua execução

Contexto de Hardware: Conteúdo dos registradores da CPU, uso geral e específico; troca de contexto

Espaço de Endereçamento: Área da memória p/ armazenar instruções e dados de um programa; cada processo possui seu próprio espaço de endereçamento isolado de outros processos

Estados do Processo

• New Processo está sendo alocado na memória; recursos necessários são reservados; mais de um processo ao mesmo tempo

• READY: Aguarda liberação da CPU (depois de criado ou após retorno da execução); "fila" gerenciada pelo SO

• RUN: Utilização da CPU; permanece no processador até sua interrupção ou término da execução; um processo por vez

• WAIT: Todos os processos que sofreram interrupção I/O; mais de um processo ao mesmo tempo (está em execução, aguarda periférico)

• Terminated: Final; término de processamento; mais de um processo ao mesmo tempo

Tipos de Processo

• CPU executa processos do sistema com certa prioridade concorrendo com processos do usuário

• CPU-bound: Processo que utiliza muito a CPU; utiliza a time-slice por inteiro; pouca entrada e muito processamento (programas científicos, cálculo estatístico)

• I/O-bound: Utiliza mais I/O que CPU; permanece mais tempo em espera do que em execução (aplicações em BD, consultas e atualizações em arquivos em disco)

Thread

• Linha de execução; sequência de instruções que faz parte de um processo principal

• Possui contexto de hardware próprio, porém compartilha contexto de software e espaço de endereçamento com as demais threads

Processo é dividido em threads, que formam tarefas independentes, mas relacionadas entre si

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Funções do SO

1. Gerenciamento de Processador

2. Gerenciamento de Memória

3. Sistema de Arquivos

4. Gerenciamento de I/O

5. Suporte a redes

6. Contabilização de uso do sistema

7. Segurança

Interrupções e Exceções

Eventos inesperados que causam um desvio forçado no fluxo normal de execução; é armazenado o contexto da execução de um programa, para então posteriormente retornar do ponto onde parou

• Interrupção: Gerada por um evento externo; permitiu a implementação da concorrência nos computadores; fundamento básico de sistemas multitarefa

• Exceção: Execução de instrução dentro do programa (divisão por 0, overflow)

Fluxo de Interrupção

System Call

Troca de mensagens entre cliente (aplicação/usuário) e servidor (processo)

• Porta de entrada p/ acesso ao kernel e aos serviços

• Necessária para execução de serviços através da chamada de rotinas

• Cada serviço disponível possui sua system call

• Cada SO possui conjunto específico de system call

Fluxo de System Call

Gerência do Processador

Gerenciamento de Processos:

• Criação / Eliminação ➡ Alocação em memória dos recursos necessários junto do contexto

• Escalonamento / Controle ➡ Organiza fila de acesso ao processador baseado nos parâmetros do sistema e do perfil o usuário

Funções:

• Manter CPU ocupada

• Balancear uso da CPU entre processos

• Privilegiar aplicações críticas

• Maximizar throughput

• Oferecer tempo de resposta razoável

Escalonamento

Política de Escalonamento: Critérios para fila de processamento; cada SO possui uma própria

Critérios de Escalonamento

• Utilização do Processador

• Throughput: número de tarefas executadas em função do tempo

• Tempo de processador: tempo que um processo leva em RUN

• Tempo de espera (pela CPU): tempo que um processo fica em READY

• Tempo de turnaround: tempo total do processo no sistema, de CREATE até EXIT

• Tempo de Resposta: do momento da requisição até o início da resposta

Não-Preeptivo

• SO não pode interromper os processos, a não ser que haja instrução para tal ou seja desviado para WAIT (operações I/O)

FIFO / FCFS (First-Come-First-Served): First in, first out; primeiro processo que chega na fila permanece utilizando o processador até o fim de sua execução; obedece a ordem de chegada á fila de READY; inicialmente implementado em sistemas monoprogramáveis

SJF: Escalonamento seleciona o processo que tiver menor tempo de CPU; parâmetro passado via contexto de software; se baseia em estatísticas de execuções anteriores

Cooperativo: Um processo em execução voluntariamente retorna à fila de pronto e libera a CPU para um novo processo; aumenta concorrência no processador; melhor distribuição do tempo do processador

Preeptivo

• Possibilidade de interrupção pelo SO (retorna para READY), permite priorização de processos

Circular: Preepção por tempo; projetado para sistemas time-sharing; semelhante ao FIFO, obedece ordem de chegada, porém respeita limite de time-slice Prioridade: Funcionamento com base na prioridade de execução (valor atribuído a cada processo), no caso processos com prioridades iguais é processado o primeiro a chegar (critério FIFO)

Circular com Prioridade: Conceito de time-slice e prioridade de execução; processo permanece em execução até que termine seu processamento, ou voluntariamente passe para o estado de espera (interrupção por E/S), ou sofra uma preempção por tempo ou prioridade; possibilidade de diferenciar grau de importância através da prioridade

Múltiplas Filas: Várias filas com processos em estado de pronto, cada uma com prioridade específica; a fila detém a prioridade, não o processo; processos sempre voltam para a mesma fila de onde saíram

Múltiplas Filas com Realimentação: Semelhante ao anterior, mas permite ao processo voltar para uma outra fila de maior ou menor prioridade; SO identifica dinamicamente o comportamento de cada processo e o redireciona para a fila mais conveniente

Gerência de Memória

• Memória principal sempre foi vista como um recurso escasso e caro

• Gerência de sistemas multiprogramáveis é bem mais complexa do que em monoprogramáveis; alto número de usuários e aplicações enquanto deve utilizar espaço da MP eficientemente

Programas são armazenados em memórias secundárias não voláteis Como o processador somente executa o que está na MP, o SO deve sempre transferir programas da memória secundária para a principal antes de serem executados

Alocação de Memória

Alocação Contígua Simples: Primeiros SO sistemas monoprogramáveis; MP dividia em parte do SO e parte do usuário; limitado a apenas 1 usuário; gerenciamento não eficiente

Segmentação de Programas - Overlay: Divisão do programa em módulos independentes que utilizam a mesma área de memória; módulo principal ocupa a memória durante todo tempo de execução; permite execução de programas maiores que a memória física disponível

Overlay

Alocação Particionada Estática: Código realocável, referências a endereços no programa são relativas ao início do código e não a endereços fixos; programas podem ser realocados em qualquer partição livre; tanto em sistemas de alocação absoluta como nas realocáveis, programas deixam espaço livre na partição (fragmentação interna)

Alocação particionada estática absoluta: Antigamente quando programas só podiam ser carregados/executados em uma partição específica, mesmo com outras disponíveis; referências a endereços são posições fixas na memória (código absoluto)

Alocação Particionada Estática

Alocação Particionada Dinâmica: Eliminado o conceito de partições de tamanho fixo; tamanho da partição é definido de acordo com o espaço necessário à execução de tal programa; eliminação da fragmentação interna, porém, dada a variação de tamanho utilizado pelos programas, restam blocos de memórias cada vez menores impedindo o ingresso de novos programas (fragmentação externa) Soluções para problema de fragmentação externa:

• União dos blocos livres adjacentes em uma grande área livre (nova partição)

• Realocação das partições ocupadas para a parte inicial da memória, eliminando blocos livres entre elas, grande área livre no final da memória (alocação particionada dinâmica com realocação)

Estratégias de Alocação de Partição: Estratégias para determinar em qual área livre um programa será alocado para execução

• Best-fit: Partição que deixa o menor espaço sem utilização; deixa pequenos blocos, fragmentação aparece mais rápido

• Worst-fit: A que deixa maior espaço livre; aproveita primeiro partições maiores e deixa grandes espaços livres, retarda fragmentação

• First-fit: Primeira partição que couber, independente do espaço livre que vai deixar; estratégia mais rápida, menos consumo de recursos

Swapping: Técnica que visa dar maior taxa de utilização à memória principal e melhorar compartilhamento; quando não há espaço na MP, o SO escolhe os processos com menor previsão de utilizar a CPU e "descarrega" em uma área reservada no disco, chamada arquivo de swap

Memória Virtual

• Combina memória principal e secundária, permitindo que os programas acessem mais memória do que a capacidade real da memória principal

• Elimina a limitação do tamanho dos programas e suas estruturas de dados; permite um número maior de processos compartilhando a memória principal, minimizando o problema da fragmentação

Paginação

• Técnica utilizada para gerenciar memória física de forma eficiente

• Divide o programa em blocos de tamanho fixo chamados páginas, facilitando o controle do acesso à memória e melhorando o desempenho geral do sistema

  • Cada página tem um número único de página (PAN) que identifica sua localização na memória física

• Páginas do espaço virtual são chamadas páginas virtuais, enquanto as páginas do espaço real são chamadas páginas reais ou frames

Espaço de Endereçamento

• Espaço de endereçamento real: Espaço de endereçamento que um programa ocupa na memória física; limitado pela quantidade total de memória disponível

• Espaço de endereçamento virtual: Conceito abstrato que permite aos programas acreditar que têm acesso contínuo e ilimitado à memória, mesmo quando essa não está disponível fisicamente; SO mapeia automaticamente as referências virtuais para endereços reais na memória física

Mapeamento: Processo pelo qual o SO traduz os endereços virtuais em endereços físicos Tabela de Endereçamento de Páginas: Estrutura de dados usada para armazenar informações sobre cada página na memória, inclui o endereço físico correspondente, status da página (se está em uso ou livre), e outras informações relevantes

Page Fault: Ocorre quando o SO tenta acessar uma página que não está atualmente na memória física; para resolver isso, o sistema deve buscar a página na unidade de armazenamento secundário (como disco rígido), o que pode causar um atraso significativo conhecido como latência de página

Working Set: Conjunto de páginas que um programa precisa ter na memória para executar corretamente durante um período de tempo; gerenciar eficientemente o working set é crucial para evitar o thrashing

Thrashing: Acontece quando o SO passa muito tempo buscando páginas na unidade de armazenamento secundário, em vez de executar programas; isso ocorre quando há muitas trocas de página, indicando que a memória física está sobrecarregada

Tamanho da Página: Deve estar entre 512 bytes e 128 KB, aproximadamente

Política de Busca de Páginas: Definem como as páginas serão carregadas da memória virtual para a memória real

• Política por Demanda: Estabelece que uma página somente será carregada quando for referenciada

• Paginação Antecipada: Funciona carregando antecipadamente várias páginas da memória virtual para a principal, na tentativa de economizar tempo de E/S

Política de Alocação de Páginas: Determinam quantos frames cada processo pode manter na memória real; algumas políticas comuns incluem best fit, first fit e worst fit

• Política de Alocação Fixa: Determina um limite de working-set igual para todos os processos, e pode ser vista como uma política "injusta", na medida em que processos maiores normalmente necessitam de um working-set maior

• Política Variável: Define um limite de working-set diferente e variável para cada processo, em função de seu tamanho, taxa de paginação ou até mesmo da taxa de ocupação da memória principal

Política de Substituição de Páginas: Decide qual página será removida da memória quando ela está cheia e uma nova página precisa ser carregada. Métodos populares incluem LRU e FIFO.

• Política Local: Somente as páginas do processo que gerou o page fault são candidatas a serem substituídas

• Política Global: Todas as páginas alocadas na memória principal são candidatas à substituição independente do processo que gerou o page fault

Algoritmos de substituição de páginas

• Têm o objetivo de selecionar os frames que tenham as menores chances de serem referenciados num futuro próximo. Caso contrário, o frame poderia retornar diversas vezes para a memória real, provocando excesso de page faults

Algoritmo Aleatório: Escolhe qualquer página, entre as alocadas na memória, para fazer a substituição; em função de sua baixa eficiência, este algoritmo não muito utilizado, embora consuma poucos recursos do sistema

FIFO (First In, First Out): Escolhe a página que está há mais tempo na memória principal para fazer a troca; algoritmo de simples implementação, mas corre o risco de retirar uma página que, embora tenha sido carregada há mais tempo, esteja sendo muito utilizada

LFU (Least Frequently Used): Escolhe a página menos frequentemente usada para efetuar a troca; através de um contador, armazenado na tabela de endereçamento de páginas, o sistema identifica quantas referências cada página teve e utiliza esta informação para escolher a página

LRU (Least Recently Used): Escolhe a página menos recentemente usada para fazer a troca; o sistema mantém na tabela de endereçamento de páginas um campo onde são armazenadas a data e a hora da última referência de cada página, e com base nestas informações faz a seleção

NRU (Not Recently Used): NÃO elege a página mais recentemente usada para efetuar a troca; o sistema exclui da decisão a página mais recente e escolhe entre as outras, pelo método FIFO, qual página deve sair

Sistemas de Arquivos

FL	Capacidade Máx de Arquivo	Compatível c/ Windows	Compatível c/ Linux
FAT32	4 GB	Sim	Sim
exFAT	16 EB	Sim	Sim (Kernel 5.4+)
NTFS	16 TB	Sim	Leitura (Drivers p/ gravação)
ext3	2 TB	Não (Requer drivers)	Sim
ext4	16 TB	Não (Requer drivers)	Sim
UDF	Depende da implementação	Sim	Sim