Aula 01 Infraestrutura de Sistemas Computacionais - Sistemas Operacionais

INFRAESTRUTURA DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS Sérgio Johann Filho Aula 01 2 MAPA DA AULA Neste material você tem uma linha do tempo com os principais acontecimentos das videoaulas organizados nas seguintes seções Momentos importantes da disciplina Conceitos e termos relevantes para o conteúdo da aula Para lembrar Dinâmicas exercícios interativos e infográficos Para exercitar Para ir além Curiosidades personalidades e entretenimento Esta é uma versão simplificada do Mapa da Aula para impressão Os recursos interativos disponíveis no material não funcionarão nesta versão Para uma experiência mais enriquecedora acesse a versão completa do Mapa da Aula na aba AULAS 3 AULA 1 PARTE 1 Um sistema operacional é um programa que age como intermediário entre o usuário e o hardware de um computador Seria praticamente impossível uma aplicação fazer uso do sistema computacional se não houvesse um software básico que permitisse um certo nível de abstração para uso das estruturas do hardware A abstração inclui facilidades como por exemplo a possibilidade de os programas não terem que se preocupar com a locação básica de recursos Alguns dos objetivos do sistema computacional são executar programas do usuário e tornar a solução de problemas mais fácil tornar os sistemas computacionais convenientes ao uso sem que o usuário precise compreender detalhes inerentes ao hardware e usar o hardware do computador de maneira eficiente ou seja agendar as tarefas específicas de recursos básicos de maneira que o usuário não precise pensar sobre isso O que é um sistema operacional A estrutura de um sistema computacional pode se dividir em função de quatros componentes principais como o hardware que provê os recursos básicos de computação e irá precisar de uma CPU memória e dispositivos de entrada e saída Outro componente importante do sistema computacional é o sistema organizacional Ele é responsável por controlar e coordenar o uso do hardware entre vários aplicativos e usuários protegendo os programas e os usuários da melhor maneira O terceiro componente de um sistema computacional são os programas aplicativos Eles são responsáveis por definirem as formas como os recursos computacionais são usados para resolver problemas computacionais deles O quarto componente é o conhecido como usuários pessoas máquinas e outros computadores que interagem com o sistema computacional Estrutura O timesharing é compreendido como um gênero de multiprogramação As principais funções são reduzir a ociosidade do processador aumentar a eficiência para obter o máximo possível do hardware Timesharing Um sistema operacional é visto como um alocador de recursos e sua principal tarefa é implementar a gerência de todos os recursos do sistema computacional Ele decide entre as requisições conflitantes para o uso eficiente e justo dos recursos ou seja ele precisa efetuar tomada de decisões Definição e funcionamento 0808 1050 1717 4 O sistema operacional também é definido em relação ao controle Ele é responsável por controlar a execução de programas para prevenir erros e usos indevidos do computador Entretanto não existe uma definição única Os sistemas operacionais são feitos para diferentes propósitos da melhor forma possível Porque os sistemas operacionais eles são construídos muitas vezes não de forma a cobrir todas as necessidades mas sim a atender um determinado nicho O funcionamento do sistema operacional pode ser compreendido através da inicialização do computador Antes de ter um sistema operacional funcionando é necessário que esse sistema seja carregado Normalmente antes do carregamento do sistema operacional é carregado o programa de bootstrap ao ligar ou reiniciar o computador A respeito da organização do sistema computacional em geral ele é composto por uma CPU controladores de dispositivos que irão intermediar o acesso a memória e a unidade de processamento através de um barramento comum Os dispositivos de entrada e saída podem executar de forma concorrente Para cada tipo de dispositivo se tem o que é conhecido como controlador de dispositivo Os controladores de dispositivos informam à CPU que terminaram uma operação gerando uma interrupção A arquitetura de interrupção tem como objetivo salvar o endereço da instrução interrompida No momento que ocorre uma interrupção o sistema pode optar em como lidar com a interrupção utilizando a técnica de sondagem chamada polling ou através do vetor de interrupção O controlador de dispositivo em essência é o mediador entre o sistema operacional ou driver de dispositivo implementado no sistema operacional e o dispositivo em si Controlador de dispositivo Uma interrupção é um sinal informado por um controlador de dispositivo dizendo que uma determinada atividade de operação como de entrada e saída gera um sinal para o sistema operacional de tal forma que ele tenha que intervir Isso irá causar uma chamada para o sistema operacional e ele passará a ter o controle sobre a operação do sistema computacional Interrupção É um mecanismo de interrupção de software que pode ser gerado através de uma requisição do usuário ou em função de um erro Trap 5 As estruturas podem ser compreendidas pelo modo síncrono e assíncrono No modo síncrono quando se tem o início de uma operação de entrada e saída o controle do programa será mantido até que a operação de entrada e saída tenha sido concluída Do ponto de vista de implementação é mais fácil de se realizar uma operação de entrada e saída utilizando o modo síncrono mas do ponto de vista do desempenho isso é bastante limitante No modo assíncrono é trabalhado com a ideia de suportar interrupções para a operação de entrada e saída Alguns mecanismos podem ser utilizados para isso como a chamada de sistemas e tabela de estudos de dispositivos Estrutura de entrada e saída O DMA permite que certos dispositivos de hardware num computador acessem a memória do sistema para leitura e escrita independentemente da CPU Controlador de DMA Assinale a definição correta para o conceito abaixo Entendendo sistema operacional 3257 Sistema operacional A estrutura de um sistema computacio nal pode se dividir em função de dois componentes principais É um programa que age como interme diário entre o usuário e o hardware de um computador Sua principal tarefa é implementar a ge rência de todos os recursos financeiros 6 AULA 1 PARTE 2 As estruturas de armazenamento no sistema operacional possuem características distintas Um dos níveis é a memória principal que é a única grande área de armazenamento que a CPU pode acessar diretamente Outro nível de armazenamento é o armazenamento secundário que é uma extensão da memória principal que fornece grande capacidade de armazenamento persistente não volátil ou seja quando foi removida à força do sistema é possível manter armazenado de forma persistente as informações das aplicações dos programas instalados naquele sistema Os discos magnéticos são uma forma de ampliar o armazenamento secundário Eles funcionam como um prato de metal rígido ou vidro coberto com material magnético para armazenamento de dados Para que a informação possa ser utilizada a superfície do disco é dividida de forma lógica em trilhas que são subdivididas em setores Intermediando entre o barramento principal e os dispositivos de entrada e saída encontramse os controladores Os controladores de disco determinam a interação lógica entre o dispositivo e o computador O armazenando funciona com uma hierarquia que define três aspectos principais velocidade custo e volatilidade A velocidade e o custo serão implementados de forma inversamente proporcional ou seja se o custo for reduzido você também uma percepção da velocidade sendo impactada Estruturas de armazenamento Em geral os sistemas computacionais utilizam um único processador de propósito geral A maioria dos sistemas tem processadores de propósito específico como aceleradores que tem como objetivo atender a aplicações específicas Além disso os sistemas implementam multiprocessadores que utilizam como princípio o paralelismo para extrair o desempenho das aplicações Sistemas multiprocessadores possuem diversas vantagens como melhorias de vazão aumentada economia de escala e confiabilidade aumentada Os multiprocessadores podem ser entendidos como simétricos e assimétricos Outro tipo de multiprocessamento são os sistemas agregados conhecidos como multiprocessamento assimétricos Toda sua estrutura computacional será replicada e os sistemas independentes estarão ligados através de uma rede local Usualmente o armazenamento será realizado através de uma SAN que tem como objetivo prover um acesso eficiente por parte de múltiplos computadores com tolerância às falhas As aplicações devem ser escritas para explorar o paralelismo Arquitetura de sistemas computacionais 0032 1512 7 Armazenamento secundário é um sistema não volátil por quê Porque ao remover a alimentação a força teoricamente você não perde a informação que está armazenada ali Fazem uso dos setores que são uma subdivisão do disco magnético para implementar uma estrutura hierárquica baseada em diretórios e subdiretórios e conteúdo dos arquivos armazenados ali Sistema de arquivos É conhecido pelo processo de copiar informação em um sistema mais rápido de armazenamento Ela é implementada em diferentes níveis entre o armazenamento secundário e a memória principal O funcionamento está relacionado com a verificação primeiramente do armazenamento mais rápido para determinar se a informação necessária está lá Em caso positivo a informação é utilizada do cache se não dados são copiados para o cache Caching Para a estrutura de sistemas operacionais é importante que a multiprogramação seja explorada para que haja eficiência no uso dos recursos Dessa forma um único usuário pode manter a CPU e outros dispositivos de entrada e saída ocupados todo o tempo A multiprogramação organiza jobs que são códigos e dados de forma que a CPU sempre tenha um para ser executado O sistema de tempo compartilhado é uma extensão lógica na qual a CPU altera programas tão frequentemente que os usuários podem interagir com cada programa durante sua execução criando computação interativa Para isso funcionar é necessário ter um tempo de resposta altamente rápido menor que um segundo Estrutura de sistemas operacionais Um processo é um programa em execução ele é uma unidade de trabalho no sistema Já um programa pode ser entendido como uma entidade passiva Os processos são programas que foram carregados e estão em execução Gerência de processos 2739 3532 8 Um processo é um programa ativo é uma unidade de trabalho viva no sistema O programa é passivo A terminação de processos necessita reaproveitar quaisquer recursos reusáveis Os processos com uma única thread possuem um contador de programa especificando a localização da próxima instrução a ser executada pela CPU Processos com várias threads possuem um contador de programas por thread Assinale a definição correta para o conceito abaixo O que são processos Processo É uma unidade de trabalho no sistema Um processo não é um programa ativo Os processos com uma única thread não possuem um contador de programa 9 AULA 1 PARTE 3 A respeito de gerência de armazenamento é um aspecto importante do sistema operacional O sistema operacional tem uma função de fornecer uma visão lógica e uniforme do armazenamento de informações Existem algumas propriedades físicas do armazenamento que serão abstraídas para a unidade de armazenamento lógico para um sistema de arquivos Cada mídia será controlada por um dispositivo e na verdade cada mídia terá sua própria controladora padronizada É importante lembrar que em relação ao armazenamento se tem propriedades bastantes distintas de velocidade acesso capacidade e método com o qual o dispositivo será acessado A gerência de armazenamento será intermediada pelo mecanismo de gerência de sistemas de arquivos O sistema de arquivos será implementado de acordo com algumas características como organização dos arquivos em diretórios e controle de acessos O sistema operacional irá definir as políticas de acesso e impôlas ao usuários O armazenamento em massa está relacionado com discos que são usados para armazenar dados que não cabem na memória principal ou dados que devem ser guardados por um longo período A gerência do armazenamento de massa é de vital importância que significa a gestão de acessos e cópias de segurança Gerência de armazenamento O sistema de arquivos tem um papel em manter a consistência do armazenamento em massa Tem como objetivo armazenar de forma temporária algumas informações que estão sendo transferidas entre diferentes níveis da arquitetura Bufferização É conhecido por criar uma lista de solicitações sendo providas por meio de vários processos de tal forma que essa lista possa ser reordenada de acordo com seu interesse Spooling 0015 10 Alguma atividades para a gerência do armazenamento em massa são gerência do espaço livre alocação de armazenamento e escalonamento de disco Os níveis de armazenamento são diversos e os tamanhos também Em relação a hierarquia de armazenamento começando com registrador memória cache memória principal e armazenamento de massa As máquinas tornamse obsoletas com o tempo e não necessariamente essa obsolescência condiz com a necessidade de processamento de aplicações modernas Um exemplo destacado pelo professor seria um ambiente de escritório que possui um conjunto de máquinas conectadas à rede As redes caseiras costumavam ser sistemas isolados mas atualmente estão conectadas em rede e com firewall O ambiente computacional conhecido como modelo clienteservidor é o modelo mais amplamente utilizado no sistema distribuído Com ele é possível ter um conjunto de máquinas restritas com relação a capacidade de armazenamento e processamento e ainda assim as aplicações que são executadas nessa máquina possam performar de maneira adequada desde que o servidor seja uma máquina com uma quantidade maior de recursos disponíveis O modelo peertopeer é outro exemplo de sistema distribuído O modelo não faz distinção entre clientes e servidores É possível distribuir requisição por serviço e responder as requisições por serviço via protocolo de descoberta Outro modelo de sistema distribuído é a computação baseada na web Esse modelo possui conteúdo dinâmico onde a independência de tecnologia para comunicação permite integração dos sistemas Ambientes computacionais Em relação a proteção ela pode ser entendida como qualquer mecanismo utilizado para controlar o acesso de processos ou usuários aos recursos definidos pelo sistema operacional Ela tem objetivo de garantir o isolamento entre os diferentes programas e usuários A segurança é a defesa do sistema contra os ataques internos e externos É um conceito amplo que inclui evitar a exploração de falhas de forma deliberada ou não Em relação às permissões um sistema operacional determina quem pode fazer o que e existem permissões realizadas para cada usuário Proteção e segurança Associe as colunas com as respostas corretas Clique nas opções e identifique a resposta correta de acordo com sua cor correspondente Associe conceitos 1643 1315 Caching É conhecido por criar uma lista de so licitações sendo providas por meio de vários processos de tal forma que essa lista possa ser reordenada de acordo com seu interesse Tem como objetivo armazenar de forma temporária algumas informações que estão sendo transferidas entre diferen tes níveis da arquitetura É o armazenamento de partes dos da dos de um nível inferior ou seja com objetivo de melhorar o desempenho no acesso a informação Spooling Bufferização 11 AULA 1 PARTE 4 A interface com o usuário através da linha de comando é um estilo de interface com o usuário Ela permite a entrada de comandos diretos algumas vezes implementadas com kernel outras por programas de sistemas Outras vezes a interface pode ser vista através de múltiplas operações como shells Outro tipo de interface são as interfaces gráficas São interfaces que possuem uma área de trabalho mais amigável ao usuário Normalmente possuem ícones que representam os arquivos Interface com o usuário O conceito de chamadas de sistemas pode ser entendido como uma interface de programação aos serviços fornecidos pelo sistema operacional que estão disponíveis para as aplicações de usuários Em geral são escritas por linguagens de alto nível como a linguagem C São acessados por programas via API Os APIs mais comuns são Win32 API para Windows POSIX API para sistemas baseados em POSIX e Java API para a máquina virtual Java No que tange a implementação de chamadas de sistema um número é associado como cada chamada de sistema com uma única API Chamadas de sistemas Os programas de sistema são responsáveis por fornecer um ambiente conveniente para o desenvolvimento e execução de programas por parte do usuário Podem ser divididos em grupos como manipulação de arquivos informações modificação de arquivos suporte a linguagens de programação execução e carga de programas comunicações programas aplicativos Programas de sistema 2417 1027 0444 Os objetivos estão relacionados com a descrição de serviços que um sistema operacional fornece aos usuários assim como discutir as várias formas de estruturar um sistema operacional Ainda um dos objetivos é explicar como sistemas operacionais são instalados e customizados e como é o processo de inicialização O conjunto de serviços de um sistema operacional oferece funções que são úteis ao usuário possuem uma interface com o usuário variação entre interface e linha de comando e execução de programas Além disso outros serviços são as operações de entrada e saída e manipulação de sistemas de arquivos Estrutura 0009 12 Quando houver a invocação de uma chamada de sistema existe uma comutação entre o modo usuário que é o modo de operação do processador no qual o usuário está protegido dos outros programas do sistema para o modo kernel Para que as chamadas de sistema sejam realizadas é necessário um mecanismo chamado passagem de parâmetros nas chamadas O tipo exato e conjunto de informações varia de acordo com o sistema operacional e com a chamada Há vários tipos de chamadas de sistema como o controle de processos gerenciamento de arquivos gerenciamento de dispositivos manutenção de informações comunicações e proteção Grande parte da visão do usuário de um sistema operacional é definida pelos programas de sistemas e não pelas chamadas de sistemas O conjunto de serviços de um sistema operacional oferece funções que são úteis ao usuário possuem uma interface com o usuário variação entre interface e linha de comando e execução de programas Aprofundando Verdadeiro Falso 13 AULA 1 PARTE 5 O projeto e implementação de um sistema operacional é um problema em aberto A estrutura interna de um sistema operacional pode variar muito A melhor forma de começar o projeto e implementação é definindo os objetivos e especificações Os objetivos do usuário e do sistema devem ser levados em consideração No que tange aos princípios importantes é preciso separar a política e o mecanismo O mecanismo determina como fazer algo as políticas decidem o que será feito Alguns exemplos de sistemas operacionais e suas estruturas são o MSDOS O sistema foi escrito para fornecer a maior funcionalidade no menor espaço Um sistema operacional é dividido em camadas cada uma construída no topo das camadas abaixo A camada mais inferior conhecida como 0 é o hardware A camada de mais alto nível conhecida como N é a interface com o usuário Alguns exemplos de sistemas operacionais são o UNIX Projeto e implementação de SO A ideia por traz do microkernel é mover tanto quanto possível do kernel para o espaço do usuário Estrutura microkernel Ao evitar que muito código execute em modo privilegiado a ideia é que seja possível capturar erros de forma mais agressiva e com isso possase interceptar problemas As vantagens da estrutura microkernel se dão pela facilidade de extensão facilidade de portar o sistema operacional para novas arquiteturas além de maior confiabilidade As desvantagens estão relacionadas com a sobrecarga causada pela comunicação entre o modo usuário e modo kernel Grande parte dos sistemas operacionais modernos implementam o conceito de módulo A ideia de módulo é a de adicionar funcionalidades ao kernel sem que seja necessário reiniciar a máquina Um exemplo de implementação de módulos de kernel é a estrutura modular do sistema Solaris que é semelhante ao UNIX Os módulos são carregados sob demanda Módulos de kernel 1139 1337 0012 14 Mecanismo e políticas O mecanismo determina o que será feito as políticas decidem como fazer Verdadeiro Falso PUCRS online