Visão geral dos sistemas de computação

CPU -> Barramento -> Controlador de dispositivo -> Dispositivo

Controlador de memória: A CPU e os diversos dispositivos podem acessar a memória concorrentemente.

Inicialização: POST (Power On Self Test), Bootstrap program (boot), carregamento do kernel e inicialização. Execução do primeiro processo (init, no Linux) e logo em seguida aguarda eventos (interrupções, erros e chamadas de sistema).

Existe um documento que descreve detalhadamente o processo de inicialização do Linux. http://www.tldp.org/HOWTO/From-PowerUp-To-Bash-Prompt-HOWTO.html

Tratamento de interrupção: CPU desvia para um ponto fixo que contém o código responsável por tratar da interrupção e retorna em seguida.

A interrupção deve salvar o estado do processador (registradores, flags, etc) e restaurá-lo depois de sua execução para que o processo executado anteriormente volte a rodar como se nada tivesse acontecido.

Os SOs modernos são baseados em interrupções. Se nada acontecer, o SO ficará parado, esperando.

Estrutura de E/S

Cada controladora trata de um tipo de dispositivo, podendo tratar mais de um dispositivo em alguns casos. Ela é responsável pela passagem dos dados do dispositivo e controle do seu próprio “buffer local”.

Entrada e saída programada (PIO):
O SO fica verificando constantemente (polling) se um determinado dispositivo concluiu sua operação.

Interrupções de E/S:
O SO “manda um sinal” para a controladora iniciar uma operação. Esta inicia a operação solicitada e quando termina gera uma interrupção. Quando o SO recebe a interrupção ele deve se encarregar de copiar os dados do buffer da controladora para a memória principal. Em geral essa operação ocorre quando um programa ou um usuário solicitam entrada e saída.

Acesso direto à memória (DMA):
Usado para dispositivos de alta velocidade. O DMA é capaz de transferir grandes quantidades de dados de/para a memória sem interromper o processador, exceto quando a operação termina.

Estrutura de armazenamento

Memória principal

Os programas precisam estar na memória para serem executados. A memória principal (além dos registradores) é a única área de armazenamento a que o processador tem acesso diretamente. Os dados e as instruções dos programas são armazenados na memória.

Seria ideal manter sempre todos os programas a serem executados na memória principal, mas esta em geral é pequena demais para armazenar todos os programas e dados permanentemente além de ser volátil. Sendo assim, a maioria dos sistemas fornece armazenamento secundário como uma extensão da memória principal.

Discos magnéticos

O dispositivo de armazenamento secundário mais comum é o disco magnético. A maior parte dos programas é armazenada em disco até ser carregado na memória e muitos usam os discos como origem e destino de seus dados, tornando a gerência de discos um dos aspectos mais fundamentais do SO.

Exemplos: Disco rígido, Disquetes, Discos magnéticos removíveis (Zip/Jaz)

Fitas magnéticas

Já foi usada como um meio inicial de armazenamento secundário. Embora seja relativamente permanente e possa armazenar grandes quantidades de dados, seu tempo de acesso é bem mais lento que o dos discos rígidos, sendo que em geral são usadas apenas para cópias de segurança (backup) ou para transferir grandes quantidades de dados entre computadores.

Hierarquia de armazenamento

↑ Velocidade e custo maiores ↑
    1 registradores
    2 cache
    3 memória principal
    4 "disco eletrônico"
    5 disco magnético
    6 disco ótico
    7 fitas magnéticas
↓ Velocidade e custo menores ↓

Cache

O acesso aos registradores podem ser feitos na base de uma ou mais operações por ciclo de clock, enquanto o acesso à memória principal é na velocidade do barramento (bem mais lenta) sendo que o processador teria que aguardar cada vez que acessa a memória. Como a memória é utilizada frequentemente esta espera é intolerável. A solução é acrescentar uma memória intermediária mais rápida (cache) para acomodar esta diferença de velocidade.

O caching consiste no seguinte. Antes de buscar uma determinada informação na memória, verificamos se ela está disponível no cache (que é muito mais rápido). Se a informação estiver lá, não é preciso buscá-la na memória, caso contrário é só copiar as informações da memória principal para o cache e todos os acessos subsequentes poderão consultar a informação no cache, sem precisar buscar na memória.

A memória principal pode ser considerada um “cache” para o armazenamento secundário, já que os programas devem ser lidos na memória antes de serem executados e os dados devem estar na memória param serem gravados em disco.

Coerência e consistência

Garantir que os dados em cache sejam atualizados corretamente de/para a memória é fundamental. A situação começa a complicar quando se tem vários processos acessando a mesma região da memória, depois vários processadores (sistemas paralelos). Isto é tratado em nível de hardware, independentemente do SO. Ainda existe a necessidade de consistência destas informações entre sistemas distribuídos. Neste caso a responsabilidade é do SO Distribuído.

Proteção de hardware

A princípio os sistemas de computação eram operados por um único usuário e este tinha controle total do SO. Se algum problema ocorresse durante a operação de um programa, apenas este seria afetado.

À medida que os SOs se desenvolveram eles passaram a controlar e monitorar uma série de funções que antes eram de responsabilidade do programador. Para melhorar a utilização do sistema, o SO passou a compartilhar recursos - inclusive memória e CPU - para que vários programas pudessem ser executados simultaneamente.

Embora o compartilhamento tenha melhorado a utilização, ele também aumentou os problemas. Um erro em um programa poderia causar falhas em outros programas sendo executados ao mesmo tempo. O SO deve cuidar para que erros em um programa não afetem a execução dos outros programas.

Operação em modo dual

A abordagem mais usada para garantir a operação do sistema é termos vários níveis ou modos de operação. São necessários ao menos 2: modo usuário e modo monitor (ou supervisor, sistema, privilegiado). Sendo assim, algumas tarefas passam a ser executadas apenas pelo sistema operacional, quando em modo monitor. No modo usuário certas operações passam a ser proibidas.

Sempre que a operação passar para o SO (e também na inicialização) o sistema passa para o modo monitor. Quando a execução voltar a executar os processos comuns, o modo usuário é ativado.

Este modo dual protege o SO dos usuários e os usuários uns dos outros.

Sistemas como o MS-DOS, projetados para as CPUs 8088 da Intel não tinham essa capacidade de modo de operação dual, o que permitia que qualquer programa pudesse alterar o SO durante a operação (daí a facilidade de criação e a diversidade de vírus para tal sistema). A partir do processador 80386 essa capacidade foi incluída e os sistemas operacionais mais recentes (Windows NT, OS/2) puderam tirar proveito desta proteção para o SO.

Proteção de E/S:
Processos errantes podem perturbar o sistema emitindo operações de E/S ilegais. Para evitar isto, trata-se toda operação de E/S como privilegiada, sendo que todo programa deve passar pelo SO para executar tais operações.

Proteção de memória:
Para evitar que um processo altere dados (ou mesmo código) na memória de outros processos ou até do próprio SO é preciso delimitar o espaço de memória a que o processo tem direito. Todo processador moderno oferece esse tipo de proteção. Só o modo monitor possui acesso irrestrito à toda memória.

Proteção de CPU:
Para evitar que um processo “guloso” tome todo o tempo da CPU do sistema (num laço infinito, por exemplo) utiliza-se um timer (temporizador) que interrompe o processador periodicamente (a cada 1/100 de segundo por exemplo). Antes de passar a execução para um processo, o SO delimita um determinado tempo para sua operação. Se o processo não termina sua operação durante esse tempo uma interrupção é gerada pelo timer e o controle volta para o SO. Além disso o timer é usada para fazer o compartilhamento de tempo. Quando o controle é devolvido ao SO, este pode escolher outro processo para ser executado no lugar do que foi interrompido e assim por diante. Para fazer esta troca, uma série de informações referentes a cada processo deve ser controlada. Esta troca de execução de um processo para outro é chamada de “troca (ou mudança) de contexto”.

Arquitetura geral do sistema

• Modo dual: instruções privilegiadas que só o SO pode executar
• Os programas de usuário devem solicitar tais operações ao SO, que tem acesso e controle sobre elas. Tais solicitações recebem o nome de chamadas de sistema.

Questões para estudo

1 - Qual a função do programa de inicialização (bootstrap program)?

2 - Cite alguns tipos de controlador de dispositivo que você conhece.

3 - Qual a vantagem do uso do DMA sobre o modo PIO (entrada e saída programada)?

4 - A CPU é capaz de acessar os dispositivos diretamente? É possível executar diretamente um programa armazenado em disco ou fita?

5 - Faça uma pesquisa rápida de preços, visando obter a relação MB/R$ para os seguintes dispositivos: Memória RAM, Disco rígido, CDs e Fitas magnéticas

6 - Por que é necessário o uso de cache? A memória principal já não é rápida o bastante?

7 - Na operação em modo dual, os programas de usuário estão proibidos de fazer certas operações. Quais destas operações devem ser permitidas para o modo usuário e quais apenas para o modo monitor (SO):

• Acesso à própria memória
• Acesso à memória de outros processos
• Controlar as interrupções do sistema
• Fazer chamadas ou solicitações ao sistema operacional
• Acesso direto aos dispositivos de E/S
• Usar todo o tempo de CPU que for necessário