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ARQUITETURA DE COMPUTADORES
Sistema Operacional
Prof Daves MartinsMsc Computação de Alto Desempenho
Email: [email protected]
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Capítulo 8
Suporte do sistema
operacional
William Stallings Arquitetura e Organização de Computadores8a Edição
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Objetivos e funções
• Conveniência:—Tornar o computador mais fácil de usar.
• Eficiência:—Permitir o melhor uso dos recursos do computador.
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Camadas e visões de um sistema de computação
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Serviços do sistema operacional
• Criação de programas.• Execução de programas.• Acesso aos dispositivos de E/S.• Acesso controlado aos arquivos.• Acesso ao sistema.• Detecção e resposta a erros.• Contabilidade.
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S/O como gerenciador de recursos
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Tipos de sistema operacional
• Interativo.• Em lote (batch).• Único programa (uniprogramação).• Multiprogramação (multitarefa).
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Primeiros sistemas
• Final da década de 1940 a meados da década de 1950.
• Sem sistema operacional.• Programas interagem diretamente com o hardware.• Dois problemas principais:
—Escalonamento.—Tempo de preparação.
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Sistemas em lote simples
• Programa monitor residente.• Usuários submetem jobs ao operador.• Operador coloca jobs em lotes.• Monitor controla sequência de eventos para processar
lote.• Quando um job termina, o controle retorna ao
monitor, que lê próximo job.• Monitor trata do escalonamento.
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Layout de memória para um monitor residente
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Job Control Language
• Instruções ao monitor.• Normalmente indicada por $.• P.e.:
—$JOB—$FTN—... Algumas instruções em Fortran.—$LOAD—$RUN—... Alguns dados.—$END
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Recursos desejáveis do hardware
• Proteção da memória:—Para proteger o monitor.
• Temporizador:—Para impedir que o job monopolize o sistema.
• Instruções privilegiadas:—Executadas apenas pelo monitor.—P.e., E/S.
• Interrupções:—Permitem abdicar e retomar o controle.
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Sistemas em lote multiprogramados
• Dispositivos de E/S muito lentos.• Quando um programa está esperando E/S, outro
pode usar a CPU.
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Único programa
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Multiprogramação com dois programas
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Multiprogramação com três programas
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Histogramas de utilização
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Sistemas de tempo compartilhado
• Permitem que os usuários interajam diretamente com o computador.—Ou seja, interativos.
• Multiprogramação permite que uma série de usuários interajam com o computador.
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Escalonamento
• Chave para multiprogramação.• Longo prazo.• Médio prazo.• Curto prazo.• E/S.
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Escalonamento a longo prazo
• Determina quais programas são submetidos para processamento.
• Ou seja, controla o grau de multiprogramação.• Uma vez submetido, um job torna-se um processo
para o escalonador a curto prazo (ou torna-se um job não carregado na memória para o escalonador a médio prazo).
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Escalonamento a médio prazo
• Parte da função de troca de processo (descrita mais adiante…).
• Normalmente baseado na necessidade de gerenciar a multiprogramação.
• Se não há memória virtual, o gerenciamento de memória também é um ponto.
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Escalonamento a curto prazo
• Despachante.• Decisões de nível mais baixo de qual tarefa executar
em seguida.• Ou seja, qual tarefa realmente usa o processador no
próximo intervalo de tempo.
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Modelo de processo com cinco estados
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Bloco de controle de processo
• Identificador.• Estado.• Prioridade.• Contador de programa.• Ponteiros de memória.• Dados de contexto.• Status de E/S.• Informações contábeis.
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Diagrama do bloco de controle de processo
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Exemplo de escalonamento
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Principais elementos do sistema operacional
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Escalonamento de processador
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Gerenciamento de memória
• Uniprogramação:—Memória dividida em duas.—Uma para sistema operacional (monitor).—Uma programa atualmente em execução.
• Multiprogramação:—Parte do “usuário” é subdividida e compartilhada
entre processos ativos.
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Swapping (troca de processos)
• Problema: E/S é tão lenta, em comparação com a CPU, que até mesmo em sistema de multiprogramação a CPU pode estar ociosa na maior parte do tempo.
• Soluções:—Aumentar memória principal.
– Cara.– Leva a programas maiores.
—Swapping (troca de processos).
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O que é swapping?
• Fila a longo prazo dos processos armazenados no disco.• Processos “trocados” para a memória quando existe
espaço disponível.• Quando um processo termina de executar, ele é movido
para fora da memória principal.• Se nenhum dos processos na memória estiver pronto
(ou seja, toda a E/S bloqueada).—Retirar um processo bloqueado para a fila
intermediária.—Entra com um processo pronto ou um novo processo.—Mas o swapping é um processo de E/S…
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Uso do swapping
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Particionamento
• Dividir a memória em seções para alocar processos (incluindo sistema operacional).
• Partições de tamanho fixo:—Podem não ser do mesmo tamanho.—Processo é encaixado no menor espaço que o
poderá conter.—Alguma memória desperdiçada.—Leva a partições de tamanho variável.
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Particionamento fixo
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Particionamento fixo
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Partições de tamanho variável
• Alocam exatamente a memória requisitada a um processo.
• Isso leva a um buraco no final da memória, muito pequeno para ser usado.—Apenas um buraco pequeno – menos desperdício.
• Quando todos os processos estão bloqueados, retira um processo e traz outro.
• Novo processo pode ser menor que o processo removido.
• Outro buraco.
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• Por fim terá muitos buracos (fragmentação).• Soluções:
—Aglutinação – juntar buracos adjacentes em um grande buraco.
—Compactação – de vez em quando, percorre a memória e move todos os buracos para um bloco livre (desfragmentação de disco).
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Efeito do particionamento dinâmico
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Relocação
• Nenhuma garantia de que o processo será carregado no mesmo local na memória.
• Instruções contêm endereços:—Localizações dos dados.—Endereços para instruções (desvio).
• Endereço lógico – relativo ao início do programa.• Endereço físico – local real na memória (desta vez).• Conversão automática usando endereço de base.
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Paginação
• Memória dividida em pedaços pequenos de mesmo tamanho – frames de página.
• Divide programas (processos) em pedaços pequenos de mesmo tamanho – páginas.
• Aloca o número exigido de frames de página a um processo.
• Sistema operacional mantém lista de frames livres.• Um processo não exige frames de página contíguos.• Usa tabela de página para registrar.
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Alocação de frames livres
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Endereços lógicos e físicos – paginação
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Memória virtual
• Ilusão de uma memória maior do que a que realmente se tem (sem os altos custos da DRAM)
• • A memória física (Physical Memory - DRAM) age como uma cache para a memória virtual (Virtual memory - hard disk)
• • Somente um sub-conjunto da memória virtual está na memória física
• • O Procesador gera endereços virtuais (virtual addresses) porém faz acesso à memória física (physical addresses)
• • Endereços virtuais têm que serem traduzidos em endereços físicos
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Memória virtual
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Memória virtual
• Paginação por demanda:—Não exige todas as páginas de um processo na
memória.—Traz páginas conforme a necessidade.
• Falta de página:—Página exigida não está na memória.—Sistema operacional deve entrar com a página
requisitada.—Pode ter que retirar uma página para criar espaço.—Seleciona página para remover com base na
história recente.
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Thrashing
• Muitos processos em muito pouca memória.• Sistema operacional gasta todo o seu tempo trocando
páginas.• Pouco ou nenhum trabalho real é feito.• Luz do disco acesa o tempo todo.
• Soluções:—Bons algoritmos de substituição de página.—Reduzir número de processos em execução.—Colocar mais memória.
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Bônus
• Não precisamos de um processo inteiro na memória para que ele seja executado.
• Podemos trocar páginas conforme a necessidade.• Assim, podemos agora executar processos que são
maiores que a memória total disponível!• Memória principal é denominada memória real.• Usuário/programador vê memória muito maior –
memória virtual.
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Estrutura de tabela de página invertida
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Translation Lookaside Buffer
• Cada referencia à memória virtual causa dois acessos à memória física:—Buscar entrada da tabela de página.—Buscar dados.
• Usar cache especial para tabela de página.—TLB.
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Operação do TLB
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TLB e operação da cache
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Segmentação
• Paginação não é (normalmente) visível ao programador.
• Segmentação é visível ao programador.• Normalmente, diferentes segmentos alocados a
programa e dados.• Pode ser uma série de segmentos de programa e
dados.
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Vantagens da segmentação
• Simplifica o tratamento de estruturas de dados que crescem.
• Permite que programas sejam alterados e recompilados independentemente, sem nova link-edição e recarregamento.
• Permite compartilhamento entre processos.• Serve para proteção.• Alguns sistemas combinam segmentação com
paginação.