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Sistemas Operacionais
Professor: Lucas Cambuim
Primeira Aula

Quem sou eu?
• Estudante de Doutorado em Engenharia da Computação
no Centro de Informática – UFPE
• Áreas de Interesse: Aprendizagem de Máquina,
Processamento de Imagem e Visão Computacional,
Computação de Alta Desempenho
• Tenho disponibilidade para orientação de trabalhos de
pesquisas
• Email: lucascambuim@gmail.com || lfsc@cin.ufpe.br
2

Sobre vocês
• Nome:
• O que busca?
— Pesquisar?
— Desenvolver?
— Concurso Público?
3

Objetivos da Disciplina
• Compreensão da importância dos sistemas operacionais para o
controle e aproveitamento dos recursos do computador;
4

• Compreensão da necessidade de estruturação adequada dos
sistemas operacionais;
5

• Conhecimento dos principais componentes de um sistema
operacional e dos mecanismos e técnicas usadas para
desenvolvê-los;
6

• Conhecimento dos principais componentes de um sistema
operacional e dos mecanismos e técnicas usadas para
desenvolvê-los;
• Conhecimento de programação concorrente e de mecanismos
de exclusão mútua e de sincronização;
7

Metodologia
• Aulas expositivas
• Exercícios
• Projetos
8

Material de Apoio
• Endereço eletrônico (provisório) da disciplina
— http://www.cin.ufpe.br/~lfsc/cursos/sistemasoperacionais
— Slides da disciplina serão disponibilizados neste endereço
• Livros de apoio:
— A.S. Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos, 4ª . Edição, Editora Prentice-Hall,
2016
— A.S. Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos, 3ª . Edição, Editora Prentice-Hall,
2010
— Silberschatz, P. Baer Galvin, e G. Gagne, Fundamentos de Sistemas Operacionais, 8ª ou
6ª. Edição, Editora LTC, 2010, OU 6ª Edição, Editora LTC, 2004.
— W. Stallings, Operating Systems: internals and design principles, 8th Edition, Editora
Prentice-Hall, 2014 OU 6th Edition
9

Ementa da disciplina
• Introdução
— O que é um sistema operacional?
— Evolução histórica
— Revisão sobre hardware de computadores
— Serviços dos sistemas operacionais
— Conceitos de sistemas operacionais
— Chamadas de sistema
— Estrutura de sistemas operacionais
— Estudo de casos
• Gerenciamento de processos
— Processos
— Threads
— Escalonamento de CPU
— Algoritmos de Escalonamento 10

• Sincronização e comunicação entre processos
— Conceitos básicos, condições de corrida, regiões críticas, abordagens de exclusão
mútua
— As primitivas Sleep e Wake-up
— Semáforos: conceitos e exemplos de uso
— Monitores: conceitos e exemplos de uso
— Problemas clássicos de sincronização
— Comunicação entre processos (IPC): memória compartilhada, troca de mensagens.
— Deadlocks
11

• Gerenciamento de memória
— Conceitos básicos: endereço lógico e físico, espaço de endereçamento, relocação de
endereços
— Políticas básicas
— Gerência de memória em sistemas monoprogramados
— Gerência de memória real: partições fixas e partições variáveis
— Swapping
— Memória virtual
o Paginação
o Segmentação
o Segmentação com paginação
— Estudo de casos
12

• Gerenciamento de entrada e saída (E/S)
— Visão geral
— Princípios do hardware de E/S
— Princípios do software de E/S
— Camadas do software de E/S
— Tratamento de pedidos de E/S
— Métodos de transferência de dados: espera ocupada, interrupção e acesso direto à memória
— Discos
— Relógios
— Interfaces com o usuário: teclado, mouse
— Drivers dos dispositivos
— Estudo de casos
13

Avaliação
• Listas de exercícios (L1)
• Projetos (P2)
• Prova 1 (T1)
• Prova 2 (T2)
• Nota da primeira unidade: N1 = (0.6 * T1 + 0.4 * L1)
• Nota da segunda unidade: N2 = (0.5 * T2 + 0.5 * P2)
• A média final é M = (N1 + N2)/2
14

Computador Moderno
• Componentes físicos (hardware)
— Um ou mais processadores
— Memória
— Discos
— Impressoras
— Vários outros dispositivos de E/S (tela, mouse…)
16

Computador Moderno
— Memória
— Discos
— Impressoras
17
Um programa (software) geralmente
utiliza:
...processaor,
...a memória,
...manipula arquivo,
...aparece na tela,
...recebe comandos, via teclado

Computador Moderno
— Memória
— Discos
— Impressoras
18
Gerenciar todos estes componentes
requer abstração – um modelo mais
simples do computador – o sistema
operacional
SO

Programas de sistemas e aplicativos
Sistema computacional em Camadas
• Um sistema de computação é dividido em basicamente quatro componentes: o hardware, o
sistema operacional, os programas aplicativos e os usuários.
19
Sistema operacional
Usuário1 Usuário2 Usuário 3
Hardware do
computador
Usuário n
...
Sistema operacional

O Hardware
• Um ou mais processadores, memória, discos, impressoras, vários outros dispositivos de E/S
• Fornece os recursos básicos de computação.
20
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...

Os programas aplicativos
• Definem as maneiras em que esses recursos são usados para resolver os problemas de
computação dos usuários
21
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
compilador Editor de texto Sistema
de
banco
de
dados
Shell

• Definem as maneiras em que esses recursos são usados para resolver os problemas de
computação dos usuários
22
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell
de
banco
de
dados
Shell GUI ...

• Pode haver muitos usuários diferentes tentando resolver problemas diferentes
24
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell GUI

— Pode haver muitos programas aplicativos diferentes
25
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell GUI

• O SO controla e coordena o uso do hardware entre os vários programas
aplicativos para os vários usuários.
26
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell
Sistema operacional
GUI

Modo usuário e Modo Kernel
• A maioria dos computadores tem dois modos de operação: modo núcleo e
modo usuário.
27
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell
Modo
Usuário
Modo
Núcleo
GUI

Modo Kernel
• O SO tem acesso completo a todo o hardware e pode executar qualquer
instrução que a máquina for capaz de executar.
28
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell
Modo
Núcleo
GUI

Modo Kernel
• Proporciona a base para todos os outros softwares
29
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell
Modo
Núcleo
GUI

Modo Usuário
• O resto do software opera em modo usuário, no qual apenas um
subconjunto das instruções da máquina está disponível.
30
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell
Modo
Usuário
GUI

Modo Usuário
• Em particular, aquelas instruções que afetam o controle da máquina ou
realizam E/S (Entrada/Saída) são proibidas para programas de modo usuário.
31
Sistema operacional
Hardware do
computador
Usuário n
...
de
banco
de
dados
Shell
Modo
Usuário
GUI

SO: Interface de Usuário
• Ele é a camada mais inferior de software de modo usuário.
• Permite que ele inicie outros programas, como um navegador web, leitor
de e-mail, ou reprodutor de música.
33
Shell GUI

Qual é a função do SO?
Máquina estendida
• Sistemas operacionais transformam o hardware pouco atraente
em abstrações mais interessantes
• Esconde detalhes do hardware
35

Exemplo da importância da Máquina estendida
Gravar um dado em um disco a partir de um controlador simples
• Controlador tem 16 comandos
— Leitura e escrita de dados
— Movimentação do braço do disco
— Formatação de trilhas
— Além disso, Inicialização, sinalização, reinicialização e
recalibração do controlador.
• Para o comando de leitura e escrita, cada um deles
requer 13 parâmetros agrupados em 9 bytes.
— Endereço do bloco de dados a ser lido
— o número de setores por trilha
— o modo de gravação usado no meio físico
— o espaço livre entre setores,
— etc … 36

Exemplo da importância da Máquina estendida
Para deixar ainda mais claro:
• Um livro de 2007 que descreve a interface dos discos
rígidos modernos que um programador deveria saber:
— Tinha mais de 450 páginas
— Essa interface foi revista múltiplas vezes e é mais
complicada do que em 2007.
37

Máquina estendida
• Uma maneira mais simples para o programador seria
aquela compreendida por um disco que contém uma
coleção de arquivos com nomes.
• Cada arquivo pode ser aberto para leitura e escrita e
depois fechado
38

Gerenciador de recursos
• O SO atua como gerente de recursos de hardware
• Computadores modernos consistem de processadores, memórias,
temporizadores, discos, dispositivos apontadores do tipo mouse, interfaces
de rede, impressoras e uma ampla gama de outros dispositivos.
‘
40
SO

• O trabalho do SO é fornecer uma alocação ordenada e
controlada de processadores, memórias, e dispositivos
de E/S entre vários programas que compete por eles.
41
SO

• Se houver muitos pedidos de recursos possivelmente conflitantes
— o SO deve decidir em que pedidos serão alocados recursos.
43

Gerenciador de recursos (Exemplo)
• Sistemas operacionais modernos permitem que múltiplos
programas estejam na memória e sejam executados ao mesmo
tempo.
45
Memória
Editor de texto
Navegador web
...
Leitor de pdf

• Imagine vários programas querendo imprimir
• As primeiras linhas de impressão poderiam ser do programa 1, as seguintes
do programa 2, então algumas do programa 3 e assim por diante
46
Memória
Editor de texto
Navegador web
...
Leitor de pdf

• O sistema operacional pode trazer ordem armazenando temporariamente
toda a saída destinada para a impressora no disco.
47
Memória
Editor de texto
Navegador web
...
Leitor de pdf

• O sistema operacional pode trazer ordem armazenando temporariamente
toda a saída destinada para a impressora no disco.
48
Fila de impressão

• No caso de um computador com múltiplos
usuários:
— o SO precisa evitar que usuários possam interferir
uns nos outros.
— prover proteção da memória, dispositivos de E/S e
outros recursos
49

• Duas maneiras de compartilhar recursos: no tempo e no espaço
— No tempo: diferentes programas ou usuários se revezam
usando-o
50

Exemplo de com compartilhamento no tempo
51

Exemplo de com compartilhamento no tempo
• Determinar como o recurso é multiplexado no tempo — quem vai em seguida e por
quanto tempo é a tarefa do sistema operacional.
52
Tempo

Outro exemplo de com compartilhamento no tempo
• Quando múltiplas saídas de impressão estão na fila para serem impressas em uma única
impressora, uma decisão tem de ser tomada sobre qual deve ser impressa em seguida
53
Memória
Editor de texto
Navegador web
...
Leitor de pdf
1º
2º
3º

Gerenciamento dos programas em execução
54

• Duas maneiras de compartilhar recursos: no tempo e no espaço
— No Espaço: Cada programa ocupa uma parte do recurso
55

Exemplo de compartilhamento no espaço
56
Memória
Editor de texto
Navegador web
...
Leitor de pdf
• Alocação da memória entre os diferentes programas
• O sistema operacional deve gerenciar a memória disponível no computador
• Prevendo mecanismo de proteção da memória entre diferentes programas

Outro exemplo de compartilhamento no espaço
57
• Em muitos sistemas um único disco pode conter arquivos de muitos
usuários ao mesmo tempo.
• Alocar espaço de disco e controlar quem está usando quais blocos do disco
é uma tarefa típica do sistema operacional.

Um pouco de hardware
58
• Um sistema operacional está intimamente ligado ao hardware
do computador no qual ele é executado.

Um pouco de hardware
59
• Ele estende o conjunto de instruções do computador e gerencia
seus recursos.

Definições de hardware
60
• Ele estende o conjunto de instruções do computador e gerencia
seus recursos.
• Para funcionar ele deve ter um grande conhecimento do
hardware pelo menos do ponto de vista do programador

O que é um programa?
É um conjunto de instruções que descrevem uma tarefa a ser realizada por
um computador
Por exemplo: Receita de Bolo
1 - Coletar os ingredientes.
2 - Misturar em uma tigela.
3 – Untar uma forma.
4 – Despejar a mistura na forma.
5 – Colocar a forma em um forno.
6 – Retirar a forma após 15 minutos
63

Que Linguagem o Computador entende?
• Entende sinais elétricos
• Alfabeto da linguagem entendida por HW possui dois valores:
— 0 e 1 (números binários)
• Instruções são sequências de números binários para que o computador realize uma
determinada ação.
64

Abstraindo a Linguagem de Máquina
• Escrever um programa em linguagem de máquina é impraticável!
• Conceitos de HW foram abstraídos para que ser humano pudesse instruir
o computador
• Criação de linguagens de programação
65

Linguagens de Programação
• Os programas têm que ser escritos em uma linguagem de programação:
— que possa ser entendida pelo computador
— que possa ser traduzida para a linguagem entendida pelo computador
66

Um computador típico
• A CPU, memória e dispositivos de E/S estão todos conectados por um
sistema de barramento e comunicam-se uns com os outros sobre ele
67

• É o “cérebro” do
computador
• Controla a operação do
computador e realiza
suas funções de
processamento de
dados;
• Normalmente é chamado
apenas de processador
• Ela busca instruções da
memória e as executa.
CPU: Central Processing Unit
68

• Cada CPU tem um conjunto específico de instruções que ela consegue
executar.
• Desse modo, um processador x86 não pode executar programas ARM e um
processador ARM não consegue executar programas x86.
69

Conceitos básicos
• Programas são armazenados na memória
• Conteúdo da memória é acessado através de um endereço, não importando o tipo de
dado armazenado
• Execução ocorre de maneira sequencial (a não ser que seja explicitamente
especificado), uma instrução após a outra
70
Memória
Editor de texto
Navegador web
...
Leitor de pdf
0
200
500
1000

• O ciclo básico de toda CPU é buscar a primeira instrução da
memória, decodifica-la para determinar o seu tipo e
operandos, executá-la, e então buscar, decodificar e executar
as instruções subsequentes
71

Estrutura do processador
• Unidade de controle
• Unidade lógica e aritmética (ALU)
• Registradores
72
Introdução

• Unidade de controle:
— controla a operação da CPU e, portanto, do computador.
73
Introdução

• Unidade lógica e aritmética (ULA):
—realiza as funções de processamento de dados do computador.
—operações lógicas (ou, e, negação, etc.) e aritméticas (adições,
subtrações, etc...)
74
Introdução

• Registradores: oferece armazenamento interno a CPU.
— Necessários para o processamento de uma dada instrução.
— Funcionam como uma memória de acesso extremamente rápido
— Baixa capacidade de armazenamento
75
Introdução

• Registradores: oferece armazenamento interno a CPU.
— Baixa capacidade de armazenamento
— Alguns têm funções especiais
76
Introdução

• Exemplo de Registradores:
—Registradores de propósito geral
—PC (program counter): contém o endereço de memória da próxima
instrução a ser executada. Após essa instrução ter sido buscada, o
contador de programa é atualizado para apontar para próxima instrução
— Registrador de instrução: onde é copiada cada instrução a ser executada
— etc ...
77
Introdução

• O SO deve estar absolutamente ciente do que está gravado nos
registradores
• Toda vez que ele para um programa em execução, o sistema
operacional tem de salvar todos os registradores de maneira
que eles possam ser restaurados quando o programa for
executado mais tarde.
78

Pipeline
• Para melhorar o desempenho, os projetistas de CPU há
muito tempo abandonaram o modelo simples de
buscar, decodificar e executar uma instrução de cada
vez.
• Muitas CPUs modernas têm recursos para executar
mais de uma instrução ao mesmo tempo.
79

Conceito de Pipeline: Lavanderia
• Podemos dividir a tarefa de lavar roupa em 4 etapas:
— Lavar: 30 min
— Secar: 30 min
— Dobrar: 30 min
— Guardar : 30 min
80
Pipeline

Lavanderia: Execução Sequencial de Tarefas
• Para 4 lavagens de roupa:
— 8 horas
81
Pipeline

Lavanderia: Execução Pipeline de Tarefas
• Para 4 lavagens de roupa:
— 3,5 horas
• Diferentes lavagens podem ser executadas simultaneamente, desde que
não utilizem o mesmo recurso em um mesmo período de tempo
82
Pipeline

• Pipeline
83
Pipeline
Unidade
de busca
Unidade de
decodificação
Unidade de
execução

Barramentos e Dispositivos de E/S
• “conduítes” elétricos que
carregam a informação entre
os vários componentes da
máquina
84

• Dispositivos de E/S:
—Conexão da máquina com o mundo externo
—Conectados ao barramento de E/S por
o controladores (chips no próprio
dispositivo ou na placa mãe) ou
o adaptadores (quando placa separada)
• O SO controla os drivers, que controlam os controladores que controlam
os dispositivos de E/S.
85

• Dispositivos de E/S:
—Conexão da máquina com o mundo externo
—Conectados ao barramento de E/S por
o controladores (chips no próprio
dispositivo ou na placa mãe) ou
o adaptadores (quando placa separada)
• O SO controla os drivers, que controlam os controladores que
controlam os dispositivos de E/S.
86

Memória
• Logicamente, a memória principal corresponde a uma enorme região no qual podemos gravar
informações.
• Cada posição é localizada através de um endereço único (o índice)
87

Memória
88
Introdução
Pinos de Conexão
Módulo de memória RAM
Chips de memória
Placa mãe

Hierarquia de Memória
• Idealmente, uma memória deveria ser bastante rápida além de muito
grande e barata.
89

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