Escrito por Mateus Almeida
em  8 Março 2023

Probabilidade e Estatística

Chamadas de Sistema (syscall)

• Funções que permitem a interação com o SO;
• Permitem um controle mais eficiente sobre as operações do sistema.

Formas de Processamento do SO

• Serial (Monoprogramação);
  • Recursos alocados a um único programa.
• Concorrente (Multiprogramação);
  • Recursos dinamicamente reassociados entre uma coleção de programas em diferentes estágios.

Tipos e Estruturas de SO

Tipos de SOs

• Monoprogramados ou Monotarefa;
  • Só permitem um programa ativo em um dado período;
  • A execução permanece na RAM até o seu fim (Ex: MS-DOS);
  • Permite que o processador, a memória e os periféricos permaneceçam exclusivamente dedicados à execução de um único programa;
  • Recusos são mal utilizados, entretanto, são implementados com facilidade;
  • Pode-se pensar que o processo estará em um destes estados:

• Multiprogramados ou Multitarefa;
  • Mantém mais de um programa na memória;
  • Permite o compartilhamento de tempo de CPU e demais recursos (Ex: UNIX, Windows);
  • Multicore (executa diversas tarefas ao mesmo tempo);
  • A ideia é manter vários programas em memória ao mesmo tempo;
  • Há várias tarefas simultâneas em um único processador: enquanto uma espera, a outra roda;
  • Demandam mecanismos de trocas rápidas de procesos.
  • O sistema multitarefa pode ser classificado em outros três sistemaas: Batch, Tempo Compartilhado (Time-sharing) e Real.

• SO Multitarefa em Batch;
  • Sistema Batch (lote) consiste em submeter ao computador um lote (batch) de programas de uma só vez;
  • Um job é um conjunto de tarefas à ser executado pela CPU (Ex: Makefile);
  • Os jobs (scripts com lote de programas) dos usuários são submetidos em ordem sequencial para a execução;
  • Não existe interação entre o usuário e o job durante sua execução.
• SO Multitarefa Interativo;
  • O sistema permite que os usuários interajam com suas computações na forma de diálogo (Ex: Caixa do banco através de um mainframe);
  • Pode ser projetado como um sistema monousuário ou multiusuário (usando conceitos de multiprogramação e time-sharing).

Estruturas de SOs

• Monolítica;
  • O SO é um único módulo;
  • Consiste de um conjunto de programas que executam sobre o hardware, como se fosse um único programa;
  • Os programas de usuário invocam rotinas do SO (Ex: UNIX, Windows, MS-DOS).

• Micronúcleo;
  • Busca tornar o núcleo do SO o menor possível;
  • A principal função é gerencias a comunicação entre processos;
  • O núcleo fornece serviços de alocação de CPU e de comunicação aos processos (IPC) (Ex: Minix, Symbian).

• Camadas;
  • Modular;
    • Divisão de programas complexos em módulos de menor complexidade.
  • Hierárquico;
    • A cada nível, os detalhes de operação dos níveis inferiores podem ser ignorados.
  • A ideia é criar um SO modular com caracteristicas hierárquicas;
  • As interfaces são definidas para facilitar a interação entre os módulos hierárquicos (Ex: MULTICS, OpenVMS).
• Máquina virtual;
  • Cria um nível intermediário entre o hardware e o SO, denominado Gerência de VM;
  • Esse nível cria diversas VMs independentes;
  • Cada VM oferece uma cópia virtual do hardware;
  • Um outro exemplo de VM é a estrutura da linguagem Java;
  • Para executar um programa Java é necessário uma Java Virtual Machine (JVM);
  • A JVM gera um overhead (queda de performace), devido a passagem de execução de um nível para o outro até alcançar o hardware.

Chamadas de Sistema e Interrupção

Visão geral

• São funções que realizam determinada operação no SO;
• Chamadas de sistema são a porta de entrada para o modo kernel;
• As chamadas de sistemas são realizadas através de instruções Traps;
• Traps são conhecidas como interrupções de software;
• Após o término da chamada (Ex: ler um arquivo), a execução continua após a chamada de sistema.

Passos de uma SysCall

• Aplicativo faz a chamada ao sistema (Trap);
• Através de uma tabela, o SO determina o endereço da rotina;
• Rotina de Serviço é acionada (rotina compartilhada);
• Serviço solicitado é executado e o controle retorna ao aplicativo.

Exemplo com a chamada open()

• A função open() é requisitada;
• É realizada a busca da função open() no vetor de endereço;
• Uma vez que o endereço é encontrado, irá executar cada instrução presente no open();
• Após Finalizar a execução do open(), retorna para a interface de chamada de sistema;
• Recebe o resultado da execução do open.

Interfaces e Estrutura das SysCalls

• Interface para esconder a complexidade das syscalls;
• interface de programação fornecida pelo SO;
• Geralmente escrita em linguagem de alto nível (C, C++ ou Java);
• Normalmente as aplicações utilizam uma API;
• Interface que encapsula o acesso direto às chamadas do sistema.

Interrupções

• Interupções no nível de software;
  • write();
  • read();
  • open();
  • Entre outras chamadas.
• Interupções no nível de hardware;
  • Ocorre fora do processador;
  • Provém de um sinal elétrico do hardware;
  • Causa: dispositivos de E/S ou clock;

Interrupção vs. Traps

• Interrupção;
  • Evento externo ao processador (dispositivos de E/S);
  • Gerada por dispostivos que precisam de atenção do SO.
• Traps;
  • Evento inesperado interno ao processador;
  • Causado pelo processo corrente no processador.

Processos

Definição

• Um processo é um programa em execução;
• Possui dados de entrada, saída e um estado (executando, bloqueado e pronto).

Programa vs. Processo

• Programa;
  • Um programa pode ter várias instâncias em execução (em diferentes processos);
  • Algoritmo codificado;
  • Forma como o programador vê a tarefa a ser executada.
• Processo
  • Código acompanhado de dados e estado;
  • Forma pela qual o SO vê um programa e possibilita sua execução.

Processo em Primeiro Plano

• Interação direta com o usuário (Ex: ler um arquivo, executar um programa).

Processo em Segundo Plano

• Não tem uma interação direta com o usuário (Ex: recepção e envio de emails);
• Processo genérico;
• Serve uma quantidade grande de usuários.

Componentes de um Processo

• Conjunto de instruções;

• Espaço de endereçamento (espaço reservado para que os processos possam ler e escrever - 0 até max);

• Contexto de hardware;
  • Contador de Programa (Program Counter)
    • Armazena as informações de contexto do processo.
  • Valores nos registradores;
  • Ponteiro de pilha;
  • Registradores de propósito gerais.
• Contexto de software;
  • Atributos em geral;
  • Lista de arquivos abertos.
  • Váriáveis;
  • Entre outros.

Espaço de Endereçamento

• Texto: código executável do(s) programa(s);
• Dado: as variáveis;
• Pilha de execução;
  • Controla a execução do processo;
  • Empilha chamadas a procedimentos, seus parâmetros, variáveis locais, etc.

Tabela de Processos

• Bloco de Controle de Processo (Process Control Block - PCB);
• Contém informações de contexto de cada processo (Ex: ponteiros de arquivos abertos, posição do próximo byte a ser lido em cada arquivo, etc.);
• Contém informações necessárias para trazer o processo de volta, caso o SO tenha que tirá-lo de execução;
• Contém os estados de um processo em um determinado tempo;
• O PCB só não guarda o conteúdo do espaço de endereçamento do processo;
• Um processo é constituído de seu espaço de endereçamento e PCB (com seus registradoresm, etc.), representando uma entrada na tabela de processos;
• PID: identificador do processo.

Características de um Processo

• Processos CPU-bound (orientado à CPU);
  • Utiliza muito do processador;
  • Tempo de execução é definido pelos ciclos do processador.
• Processos I/O-bound (orientados à E/S);
  • Utiliza muita E/S;
  • Tempo de execução é definido pela duração das operações de E/S.
• Ideal: existir um balanceamento entre processos CPU-bound e I/O-bound.

Criação de Processos

• Inicialização do sistema;
• Execução de uma chamada de sistema para criação de processo, realizada por algum processo em execução;
• Requisição de usuário para criar um novo processo (duplo clique do mouse, etc.);
• Inicialização de um processo em batch (em sistemas de mainframes).

Processos criando outros processos

• No UNIX (fork());
  • Cria um clone do processo pai: cópias exatas na memória, mas com identificadores diferentes.
• No Windows (CreateProcess);
  • Cria processo filho, já carregando novo programa nele.

  int main () {
    int pid;
    pid = fork();
    printf("%d", num);

    if (pid == 0) {       // child
      num = 1;            // execução do processo filho
    } else if (pid > 0) { // parent
      num = 2;            // execução do processo pai
    }

    printf("%d", num);
  }

Finalizando Processos

• Término normal (voluntário);
  • A tarefa a ser executada é finalizada;
  • Ao terminar, o processo executa uma chamada de sistema (exit - UNIX, ExitProcess - Windows).
• Término por erro (voluntário);
  • O processo sendo executado não pode ser finalizado.
• Término com erro fatal (involuntário);
  • Erro causado por algum erro no programa (bug);
  • Divisão por zero;
  • Referência à memória inexistente.
• Término causado por algum outro processo (involuntário);
  • kill (UNIX);
  • TerminateProcess (Windows).

Estados de Processos

• Executando: usando a CPU naquele momento em tempo real;
• Bloqueado: incapaz de executar enquanto um evento externo não ocorrer;
• Pronto: em memória, pronto para executar (ou para continuar sua execução), apenas aguardando a disponibilidade do processador.