Sistemas operacionais

Prof. RobérioSISTEMAS OPERACIONAIS

Apresentação. Se você possui um computador ou trabalha com um, então já utilizou um sistema operacional. Todos os computadores vendidos para o uso doméstico ou para escritórios incluindo os “notebooks” (computadores portáteis) utilizam um programa chamado Sistema Operacional. A maioria dos computadores vendidos vem com o MS-Windows XP. Alguns computadores utilizados em empresas, denominados os Computadores Servidores possuem um sistema operacional chamado Unix, e existe um tipo de computador chamado Macintosh cujo sistema operacional é denominado Mac-OS X. O Sistema Operacional é o primeiro programa que um computador irá executar. Sem o sistema operacional, os computadores atuais seriam inutilizáveis. Recentemente os sistemas operacionais também são utilizados em telefones celulares,contendo a maioria das funcionalidades que são encontradas nos sistemas operacionais dos computadores. Um celular moderno é mais poderoso que um O objetivo de um sistema operacional é organizar e controlar o hardware e o software para que o dispositivo funcione de maneira flexível e previsível.computador de mesa, daqueles de 20 anos atrás.

Objetivos. Este módulo tem como objetivo passar ao alunos os conhecimentos gerais sobre os Sistemas Operacionais: como são construídos, quais são as características que devem estar presentes, os tipos de sistemas operacionais, quais as diferenças entre os sistemas, dentre outros tópicos.

Ementa.Esta disciplina será trabalhada da seguinte maneira:Parte Teórica - Conceitos Gerais, Estruturação do Sistema Operacional,Gerenciamento de Processos, Memória, Dispositivos e Arquivos, Diferenças entre os Sistemas de Arquivos Diferenças entre o MS-Windows e Linux, Sistemas Específicos.Parte Prática – Realização de exercícios, atividades, leituras adicionais, debates.Material Complementar – vídeos informativos e apostilas com assuntos diversos.

Unidade IPrimeiros ComputadoresPrimeiros MicrocomputadoresSistemas Operacionais Modernos

Primeiros Computadores Em 1890, foi desenvolvido o primeiro computador mecânico. A partir de 1930, começaram as pesquisas para substituir as partes mecânicas por elétricas. O Mark I, construído em 1944 por uma equipe da Inglaterra, é o primeiro computador eletromecânico capaz de efetuar cálculos mais complexos sem a interferência humana. Ele media 15m x 2,5m. Em 1946,surgiu o ENIAC (ElectronicNumericalIntegratorandComputer), primeiro computador eletrônico e digital automático: pesava 30 toneladas, utilizava cerca de 18 mil válvulas e realizava 4.500 cálculos por segundo. O ENIAC continha a arquitetura básica de um computador. A invenção do transistor, em 1947, substituiu progressivamente as válvulas,aumentando a velocidade das máquinas.Os primeiros computadores, por serem eletromecânicos, eram muito difíceis de serem operados. Era necessário ter o conhecimento de toda a sua arquitetura e a programação dessas máquinas era feita em painéis contendo cerca de 6.000 interruptores. E, além disso,esses computadores não possuíam monitor ou teclado, nem sistema operacional.

A partir de 1950 os computadores começaram a ser construídos com a utilização de transistores, tornando-se máquinas puramente eletrônicas. Surgiram dispositivos auxiliares para operarem em conjunto com o computador, tais como: disco-rígido, memória RAM,teclado e monitor. Foi nessa época que surgiu o primeiro computador, o Univac 1103, com um sistema operacional, o ERA, programa que permitia a interação, limitada, entre o operador e a máquina e possibilitava a execução das tarefas de maneira mais simplificada. Na década de 60 surgiram os circuitos integrados, que permitiram a criação de computadores por um preço bastante inferior. Um computador de capacidade média, da década de 50, custava centenas de milhares de dólares, e um com capacidade equivalente, da década de 1960, podia ser comprado por cerca de 20.000 dólares. Graças à queda nos preços, os computadores tornaram-se equipamentos comuns nas médias e grandes empresas dos Estados Unidos e Europa. Além da queda nos preços, houve também o surgimento de várias inovações, tanto na eletrônica quanto na área do desenvolvimento de programas. Em 1971, a Intel projetou o processador i4004, dispositivo que reuniu num mesmo circuito, todas as funções do computador, tecnologia que permitiu a criação do computador pessoal, ou microcomputador. O processador é a parte mais importante do computador, pois é responsável por coordenar a realização de todas as tarefas.

Primeiros Microcomputadores. O primeiro computador pessoal é o Apple I, inventado em 1976 pelos americanos Steve Jobs e StephanWozniak. Em 1981, a IBM lançou o seu PC (PersonalComputer), que se tornou um sucesso comercial, utilizando o processador Intel i8080. Posteriormente, os PC's passaram a usar processadores cada vez mais potentes: i286, i386SX, i386DX, i486SX,i486DX. Na década de 90 surgiram os computadores que, além do processamento de dados,reúnem fax, modem, secretária eletrônica, scanner, acesso à Internet e unidade para CD. Basicamente, o computador é formado por: Gabinete, Monitor, Teclado e Mouse. Os outros dispositivos (caixa de som, microfone, impressora, digitalizador, etc.) são dispositivos acessórios.Na década de 80 os computadores tornaram-se equipamentos populares, comprados para serem utilizados em casa, auxiliando a organização e planejamento doméstico, além de ser utilizado no entretenimento familiar. Havia uma diferença essencial nos sistemas operacionais feitos até a década de 80 e os sistemas feitos a partir de 1990: a maneira como o usuário realizava as operações no computador. Ainda em 1980 um determinado tipo de sistema operacional começa a se tornar popular: o Sistema Operacional com Interface Gráfica. Em 1984 surge o Apple Macintosh, primeiro computador popular com interface gráfica, e em 1985 surge o MS-Windows 1.0, primeira versão do sistema operacional Windows.

Sistemas Operacionais Modernos. Em 1993 a empresa Intel, que, na época, já detinha a liderança no desenvolvimento de processadores, criou o Pentium, e em 1995 a Microsoft lança o Sistema Operacional Windows 95, e a partir dessa data iniciou-se uma nova etapa na Computação, com avanços tecnológicos em praticamente todas as áreas. Atualmente quase todos os sistemas operacionais utilizam interfaces gráficas para permitir que o usuário possa realizar todas as tarefas no computador (ou em telefones celulares com várias funcionalidades). Os sistemas mais utilizados atualmente são: MS-Windows, Mac-OS X, Linux (KDE) e Symbian (utilizado na maioria dos aparelhos de telefone celular). A utilização de interfaces gráficas facilita em muito a utilização dos computadores, pois a torna mais intuitiva e mais simples.

Unidade IIClassificação Dos Sistemas OperacionaisClassificação Pela Arquitetura Do SistemaClassificação Pela Execução De TarefasClassificação Pela Quantidade De Usuários

Classificação Dos Sistemas Operacionais Os primeiros Sistemas Operacionais foram feitos para executarem uma única tarefa em um computador específico, sendo utilizado por um único usuário a cada tarefa. Com o desenvolvimento da informática, os sistemas operacionais foram evoluindo, e hoje podem ser classificados de acordo com as seguintes análises:Características básicas da Arquitetura do Sistema: Monolítico, Microkernel ou Híbrido.Capacidade de execução das tarefas: Monotarefa ou Multitarefa;Quantidade de usuários que podem operar o sistema: Monousuário ou Multiusuário.

Classificação Pela Arquitetura Do Sistema Em relação a Arquitetura os Sistemas Operacionais podem ser:Monolítico: possui um conjunto de instruções de alto nível que possibilitam o gerenciamento de processos, memória e dispositivos através de módulos dedicados que são executados com privilégios especiais. O sistema operacional é escrito como uma coleção de rotinas, em que cada uma pode chamar qualquer outra rotina, sempre que for necessário. Exemplos de sistemas desse tipo são: MS-Windows 98, Linux e Solaris.Microkernel: algumas das funções do sistema operacional foram separadas em programas chamados Servidores. Os servidores se comunicam com um sistema operacional mínimo, que possui todas as instruções de manipulação e acesso a todos os componentes do computador. O sistema Minix, que é uma variação do Unix, e possui uma arquitetura de microkernel.Híbrido: nesse caso os Servidores externos são executados em um modo chamado “protegido”, permitindo assim que esses programas tenham alguns privilégios de acesso a alguns componentes do computador, melhorando o desempenho geral do sistema. Sendo híbrido, tem a capacidade de agregar ou desagregar funcionalidades,sem perder performance ou estabilidade presentes na sua estrutura inicial. Sistemas com arquitetura híbrida são: MacOS X, Windows 2000 e BeOS.

Classificação Pela Execução De Tarefas A capacidade de execução de tarefas divide os sistemas em:stemasMonotarefa: executam uma tarefa de cada vez, como por exemplo: imprimir um arquivo. Praticamente não são mais utilizados hoje em dia, devido ao desperdício de recursos do computador que eles causam. O extinto MS-DOS da Microsoft é um exemplo de sistema operacional monotarefa.Sistemas Multitarefa: executam várias tarefas simultaneamente, como por exemplo: criar um desenho, tocar uma música e imprimir um documento. Sistemas Operacionais multitarefa conseguem maximizar a utilização dos recursos do computador. Até mesmo os sistemas operacionais de alguns aparelhos de telefone celular são multitarefa. Um exemplo é o MS-Windows XP. Os sistemas multitarefa podem ser classificados de acordo com a forma com que suas aplicações são gerenciadas, podendo ser divididos em: sistemas de tempo compartilhado e sistemas de tempo real.Sistemas de Tempo Compartilhado: (Time SharingSystens em inglês) permitem que diversos programas sejam executados a partir da divisão do tempo de utilização do processador em pequenos intervalos, denominados fatias de tempo (time slice). Se houver a necessidade de executar mais de um programa, o sistema operacional irá designar uma fatia de tempo para cada um, e se a fatia de tempo concedida a um programa não for suficiente para a conclusão do mesmo, ele será interrompido pelo sistema operacional e seu estado corrente será armazenado, e um outro programa entrará em execução. Essa etapa é denominada de Troca de Contexto. Essas trocas acontecerão enquanto houver algum programa que não tenha concluído a sua tarefa.

Figura 2.1: Diagrama funcional de um Sistema Operacional Monolítico

A figura 2.1 demonstra o funcionamento de um sistema de tempo compartilhado durante a execução de 2 programas, A e B. Inicialmente o sistema operacional executa o programa A, após um certo tempo, o programa A será interrompido, e a execução passará para o programa B. Quando o sistema operacional volta executar o programa A, ele continua a execução do ponto de parada anterior. Sistemas de Tempo Real: a diferença dos sistemas de tempo real para os sistemas de tempo compartilhado é a definição do tempo de execução de cada programa. Nos sistemas de tempo compartilhado, quem define o tempo de processamento dos programas é o sistema operacional, já nos sistemas de tempo real quem define o tempo de execução do programa é o próprio programa.

No sistema de tempo real não existe o conceito de fatia de tempo, um determinado programa será executado no processador pelo tempo que for necessário, até a sua conclusão, ou até que seja iniciado um programa com maior prioridade de execução. A prioridade também é definida pela própria aplicação e não pelo sistema operacional. Praticamente todos os sistemas operacionais utilizados nos computadores hoje em dia são de tempo compartilhado. Os sistemas Windows XP, Linux, MacOS X e Symbiansão sistemas operacionais de tempo compartilhado. Os Sistemas de Tempo Real são utilizados em aplicações de controle de processos, como monitoramento de refinarias de petróleo, controle de tráfego aéreo, de usinas, ou em qualquer aplicação em que o tempo de processamento é fator fundamental.

Classificação Pela Quantidade De Usuários Por último, abordaremos a classificação quanto a quantidade de usuários que operam um sistema operacional:Monousuário: O sistema operacional foi criado para que um único usuário utilize os recursos do computador. Na prática mais de uma pessoa pode utilizar, mas, nesse caso, o sistema operacional não fará distinção entre as pessoas, tratando todas como se fossem a mesma. Isso significa que um documento escrito por alguém poderá ser lido (ou alterado) por outra pessoa. Além disso, qualquer um poderá executar qualquer tarefa no computador. As agendas eletrônicas atuais, chamadas PDA (PersonalData Assistentem inglês), utilizam um sistema operacional monousuário.Multiusuário: Um sistema operacional multiusuário permite que diversos usuários utilizem os recursos do computador. O sistema operacional deve garantir que as tarefas dos usuários estejam separadas e não haja interferência entre as mesmas. Cada um dos programas utilizados deve dispor de recursos suficientes e separados, de forma que o problema de um usuário não afete toda a comunidade de usuários. Unix e sistemas operacionais mainframe como o MVS são exemplos de sistemas operacionais multiusuário. Os sistemas operacionais Windows XP e MacOS X estão sendo considerados sistemas multiusuário, pois fazem distinção entre os vários usuários que utilizam o computador.

Unidade IIIDefinição De Sistemas Avançados De ProcessamentoComputadores Com Vários ProcessadoresProcessador Com Vários NúcleosProcessamento Distribuído

Definição De Sistemas Avançados De Processamento Os Sistemas Avançados de Processamento caracterizam-se por possuir duas ou mais unidades de processamento interligadas e trabalhando em conjunto, podendo ter dois (ou mais) processadores em um computador, ou vários computadores conectados em rede. A vantagem desse tipo de sistema é permitir que várias tarefas possam ser realizadas simultaneamente, sem a necessidade de compartilhamento do tempo do processador, ou então que uma determinada tarefa possa ser dividida entre as unidades de processamento para agilizar a sua conclusão. Como o sistema operacional é responsável por gerenciar a execução das tarefas, deve estar devidamente adaptado para operar em sistemas com mais de uma unidade de processamento, para poder distribuir a execução dos programas e maximizar a utilização dos recursos disponíveis. A construção de Sistemas Avançados de Processamento foi feita pensando-se em aplicações voltadas para o processamento científico, exploração de minerais e petróleo,simulações e computação gráfica. Grande parte dos supercomputadores instalados ao redor do mundo está em uso em Laboratórios de Pesquisa dos EUA, Europa e Japão, e em grandes empresas como Dupont, Petrobrás, entre outras.

Computadores Com Vários Processadores Os computadores com vários processadores eram utilizados basicamente em pequenos laboratórios científicos. Atualmente estão disponíveis a todas as pessoas, por um preço muito acessível. Nesses computadores, o sistema operacional pode distribuir a execução das tarefas pelos processadores, e em teoria, aumentar o desempenho geral do sistema proporcionalmente à quantidade de processadores disponíveis na própria máquina. Atualmente, os sistemas operacionais Windows 2003, MacOS X, e algumas versões do Unix podem ser executados em computadores com vários processadores. O Windows XP não oferece suporte para execução nesses computadores. Na prática o ganho de desempenho não é proporcional à quantidade de processadores instalados no computador, pois para trabalhar em um computador com vários processadores o próprio sistema operacional deve executar operações de gerenciamento e controle das rotinas para distribuir os programas pelos processadores. Alguns sistemas conseguem uma performance superior a 90%, isto é, se o computador possui 16 processadores, o desempenho geral será 14,4 vezes melhor do que um computador com 1 processador.

Processador Com Vários Núcleos Um outro tipo de Sistema Avançado é formado por computadores em que o processador central é feito com mais de uma unidade principal de processamento. Esses sistemas estão sendo feitos atualmente para serem utilizados também em computadores de escritório e domésticos, principalmente por causa da queda de preços. Os processadores Intel Pentium Dual Core, Intel Core Duo e AMD Athlon X2, entre outros utilizam duas unidades de processamento em cada processador. De maneira análoga aos sistemas com vários processadores, o ganho de desempenho em processadores com vários núcleos não é proporcional à quantidade de núcleos do mesmo. Os processadores Intel QuadCore, e AMD Phenom utilizam 4 unidades de processamento em um único processador. E existem outros com vários núcleos como o SUN UltraSPARC T1 que possui 8 núcleos internos, e o Tile64 com 64 núcleos de 16 bits.

Processamento Distribuído Um computador de Processamento Distribuído é um sistema formado por uma rede de computadores interligados, denominados “nós” da rede, com o objetivo de realizarem o processamento conjunto de uma tarefa de grandes proporções. Esta tarefa será então dividida em pequenas sub-tarefas, e cada uma das sub-tarefas será executada em um nó da rede, e dessa forma consegue-se um ganho substancial no tempo de execução da tarefa. Esses sistemas são construídos com alguns sistemas operacionais disponíveis para computadores de mesa, a diferença é a inclusão de alguns programas especiais, o mais utilizado chama-se LAM-MPI, que permite que os computadores da rede realizem a comunicação necessária para a divisão da execução das tarefas. O LAM-MPI também possui uma biblioteca de funções que devem ser utilizadas nos programas a serem executados nos sistemas distribuídos, de modo que realizem as devidas comunicações e transferências de dados. Os agregados de computadores (computer clusters em inglês) também são sistemas distribuídos, a diferença entre um Sistema Distribuído Real, como o IBM BlueGene e um cluster é que o primeiro possui uma arquitetura eletrônica especializada e um sistema operacional específico, enquanto que os clusters são formados por computadores comuns conectados via Ethernet e geralmente utilizam o sistema operacional Linux (o Windows NT é raro).

Unidade IVEstrutura Do SistemaFunções do Sistema OperacionalChamadas ao Sistema

Estrutura Do Sistema O sistema operacional é utilizado para organizar e controlar a realização das tarefas feitas no computador. Para que isso aconteça de maneira ordenada, a relação atualmente utilizada entre os componentes do sistema, isto é, o computador, o sistema operacional, os programas, e até mesmo o usuário, é a seguinte: O Usuário utiliza programas para realizar suas atividades, esses programas são: aplicativos (Word, AutoCAD, Oracle), utilitários (WinZip, MediaPlayer, MSN) e jogos (FIFA, Ragnarok,Warcraft). Até mesmo o Painel de Controle do Windows XP é um programa: “C:\Windows\System32\control.exe”. Os programas em execução necessitam em determinados instantes realizar o acesso a algum dispositivo, como o monitor de vídeo ou a impressora, para apresentar o resultado de uma tarefa ou interagir com o usuário. Imagine que um programa atualize um arquivo no disco-rígido. O programa não pode acessar diretamente os dados no disco, pois é um recurso compartilhado e sua utilização deve ser gerenciada pelo sistema operacional. Para que isso aconteça, os programas executam algumas operações com o auxílio do sistema operacional, essas operações são realizadas utilizando-se funções denominadas “Chamadas ao Sistema”, ou “System Calls” em inglês. O Sistema Operacional deve verificar qual usuário está utilizando o computador naquele instante, se os programas em execução estão ativos ou esperando alguma conclusão de uma tarefa, se não existe conflito entre os programas, se os dispositivos conectados ao computador estão disponíveis para utilização, dentre outras tarefas.

Funções do Sistema OperacionalAs principais funções do Sistema Operacional são: Tratamento de Interrupções: Durante a execução dos programas, o Sistema Operacional deve estar preparado para tratar eventos inesperados. A interrupção é gerada por um evento externo ao programa em execução, não dependente da instrução que está sendo executada, como por exemplo, a movimentação do mouse. Ao término de cada instrução do programa, o processador verifica se houve a ocorrência de alguma interrupção e caso haja, avisa o sistema operacional, para que o mesmo possa realizar as devidas operações. O programa em execução será momentaneamente paralisado, e para que possa retornar à execução posteriormente,um determinado conjunto de informações sobre sua execução será armazenada. As interrupções sempre são geradas por algum dispositivo do computador: disco-rígido, impressora, teclado, processador, etc. Tratamento de Exceções: as exceções são semelhantes às interrupções, pois ambas ocasionam a paralisação da execução dos programas ativos no computador. A diferença entre ambas é que nas exceções a causa da paralisação é originada em algum programa em execução. Por exemplo, em um programa que realiza operações matemáticas não pode existir uma instrução que faça a divisão de um número por zero, caso isso aconteça, essa instrução não poderá ser executada (pois não existe resposta).Quando ocorre uma exceção, o sistema operacional deve emitir um aviso apenas no programa que causou a exceção indicando que uma operação inválida foi executada. (De fato, a operação em si é executada, se o sistema operacional estiver preparado para lidar com a situação, apenas um aviso será exibido ao usuário, caso contrário, o sistema inteiro pode falhar. Atualmente é comum o tratamento preventivo de exceções dentro do próprio programa).

Gerenciamento de Programas: o sistema operacional é responsável por colocar em execução, administrar e finalizar todos os programas executados no computador. No gerenciamento é feita a alocação de memória, a disponibilização de recursos, a administração dos programas em execução é feita fornecendo a cada programa o devido tempo de utilização do processador e dos dispositivos do computador. Gerenciamento da Memória RAM: O sistema operacional deve a todo instante verificar a disponibilidade de memória RAM no computador, para evitar que haja travamento do sistema inteiro por falta de espaço para armazenamento dos programas ou dados. Gerenciamento de Arquivos: a criação, edição e exclusão de qualquer arquivo no computador só acontecem com a permissão do sistema operacional. Nesta etapa é feita a verificação do usuário que está solicitando acesso a um determinado arquivo,qual programa será executado para manipulá-lo, e em alguns sistemas, é feito também o registro em um local separado do acesso ao arquivo pelo usuário, para fins de controle.Gerenciamento de Dispositivos: todos os dispositivos conectados ao computador são gerenciados pelo sistema operacional, onde é feita a verificação de utilização do dispositivo, disponibilidade do dispositivo, liberação para uso, entre outras funções. Suporte a Redes: praticamente todos os principais sistemas operacionais comercializados atualmente oferecem mecanismos de gerenciamento e acesso às redes de computadores. Isto é feito por meio de controle de computadores interconectados, protocolos de comunicação utilizados e usuários que estão autorizados a utilizar os recursos disponíveis na rede.

Além das tarefas citadas, atualmente os sistemas operacionais tem que possuir a seguinte característica: Sistema de Segurança: característica de muita importância nos dias de hoje, devido à grande utilização da internet e dos recursos por ela oferecidos. O sistema operacional deve garantir entre outras coisas que:Apenas programas confiáveis (que tenham a permissão do usuário) sejam executados no computador;Apenas usuários cadastrados previamente (ou autorizados momentaneamente) tenham acesso aos recursos do computador;As informações armazenadas no computador só podem ser acessadas por usuários e programas autorizados a manipulá-las.

Chamadas ao Sistema Durante o projeto de Sistemas Operacionais as maiores preocupações são: proteção do núcleo do sistema (kernel) e controle do acesso aos recursos do computador. Se um determinado programa realizar uma operação que comprometa ou bloqueie, indevidamente,um ou mais recursos do computador, todos os outros programas podem ficar comprometidos. Imagine que um programa acesse o disco-rígido para gravar um arquivo, e não libere o disco mesmo depois de gravar, todos os programas não terão acesso ao disco por causa disso. Para organizar a execução dos programas, os sistemas operacionais são feitos com um conjunto de rotinas denominado “Chamadas ao Sistema”. Essas rotinas são responsáveis por executarem as operações especiais de acesso aos recursos do computador e de acesso ao núcleo do sistema. Através das informações passadas a uma rotina, que será executada pelo próprio sistema operacional, garantindo assim o controle de todos os recursos disponíveis no computador. Ao término da execução da rotina uma resposta será enviada ao programa que solicitou a sua execução.

Unidade VDefinição de ProcessoGerenciamento de ProgramasEstados de um processoComunicação Entre Processos

Definição de Processo Um programa é uma seqüência de instruções ordenadas escritas em uma linguagem computacional (Pascal, C++, Java, etc.). Um processo é uma instância de um programa que está sendo executado, ou seja, é o programa sendo executado no computador. Dependendo de como o programa foi criado, mais de um processo pode estar associado a ele durante a execução, sendo que cada processo representa um determinado conjunto de instruções do programa original. Isto acontece no Mediaplayer, por exemplo, quando há uma música tocando e o usuário está procurando uma outra música na lista de músicas, neste caso existe um programa em execução e pelo menos dois processos associados também em execução. Os sistemas operacionais mais utilizados hoje em dia são multitarefa, realizada através do compartilhamento do tempo do processador. Desta forma, vários programas podem ser executados, e consequentemente vários processos, em um mesmo computador. Para realizar esta tarefa o sistema operacional deve separar os programas, e processos, para que a execução seja feita de maneira organizada, e para isso as seguintes propriedades devem ser armazenadas para cada processo:

Código executável do programa associado ao processo; Espaço de Memória utilizado, onde fica armazenados o código executável, dados utilizados, estruturas de controle de execução;Descritores do Sistema Operacional, como tabela de arquivos em disco ou servidores de banco de dados;Atributos de Segurança, indicando o nome do usuário que iniciou o processo, as permissões de execução no computador;Estado do Processo, que informará se o processo está em execução, esperando a liberação de algum recurso, bloqueado ou em outra situação.

Gerenciamento de Programas O sistema operacional, sendo multitarefa, realiza o compartilhamento do processador entre os processos por meio da ativação, momentânea, do processo que será executado no processador. Se o processador possuir mais de um núcleo de processamento, mais de um processo poderá estar em execução no processador. Como apenas um processo pode estar ativo em cada núcleo do processador, os outros deverão esperar alguns instantes, até que o processo em execução tenha sido executado pelo tempo que o sistema operacional designou a ele. Quando o tempo do processo atual terminar, o sistema operacional realizará uma operação chamada “Troca de Contexto”, em que o processo atual será substituído por um outro processo que estava esperando a liberação de um núcleo no processador. A Troca de Contexto é a etapa em que o sistema operacional armazenará todas as informações relativas à execução do processo atual, para permitir que o mesmo possa continuar a execução em outro momento, e incluir um outro processo para ser executado. Esta etapa deve ser executada de maneira quase instantânea, pois o processador deve ser utilizado principalmente para executar os programas. Existem três eventos que podem iniciar a Troca de Contexto:

Escalonamento de Processo: como foi dito anteriormente, cada processo em execução irá utilizar um núcleo do processador por uma fatia de tempo, quando este tempo se esgotar, o processo atual deverá ser substituído por um outro processo;Ocorrência de Interrupção ou exceção: quando há a ocorrência de uma interrupção/exceção, o sistema operacional deve entrar em operação para tratar da interrupção/exceção, e para isso, o próprio sistema operacional iniciará um (ou mais) processo (s) próprio(s).O terceiro cenário é a troca de modo usuário para modo kernel. Quando tal transição é requisitada pelo sistema operacional, uma troca de contexto não é necessária, mas dependendo da implementação isso é feito.

Os programas são um conjunto de instruções escritos em linguagem computacional. Exemplos de programas são: MS-Word, MS-Excel, AutoCAD, Adobe Photoshop,MediaPlayer, InternetExplorer, Need for Speed, World of Warcraft, entre outros. Quandoum programa está em execução, pode ter um ou mais processos associados, os próprios sistemas operacionais possuem vários processos em execução durante o funcionamento do computador. Além de controlar a execução de cada processo, o sistema operacional deve manter a associação entre um processo e o programa que o originou. Quando um programa é iniciado, um processo chamado Pai ou Principal é criado, e todos os outros existentes associados ao mesmo programa são denominados Processos Filhos. Se o mesmo programa tiver mais de uma execução simultânea, por exemplo, duas telas do InternetExplorer representam dois programas em execução, cada programa será considerado independente do outro, com seus processos tratados de maneira independente.

Estados de um processo Durante o funcionamento do computador, os vários processos executados passarão por diferentes estados: em espera, em execução, bloqueado. Esses estados definem a maneira como serão tratados pelo sistema operacional. O funcionamento específico de cada estado depende do sistema operacional utilizado, mas de modo geral os processos são divididos em três grupos. Quanto um processo é criado, ele deve esperar que o sistema operacional conceda a ele um tempo de execução em um núcleo do processador, então logo após a criação o processo fica em Estado de Espera e fica armazenado na memória principal do computador. Quando o processo recebe do sistema operacional a autorização para utilizar um núcleo do processador ele passa para o Estado de Execução, e assim o processo executa suas instruções internas. E assim o processo fica alternando entre os estados de Espera e Execução, enquanto o programa que o originou não for finalizado. Se durante o estado de Execução o processo fizer uma solicitação de algum recurso do computador ao sistema operacional, por exemplo, gravar alguma informação no disco rígido, e o recurso não puder ser liberado imediatamente, por exemplo, já houver um outro processo utilizando o discorígido,o processo que ficar esperando a liberação do recurso passará para o Estado de Bloqueio. Neste estado, o processo não participará das trocas de contexto feitas pelo sistema operacional, ou seja, não voltará ao estado de Espera, até que o recurso solicitado seja liberado. Após a liberação do recurso, o processo passará do estado de Bloqueio para o estado de Espera.

Comunicação Entre Processos A comunicação entre os processos é algo de extrema importância, pois sem ela, a execução dos programas não seria feita de maneira organizada. Veja a seguinte situação: quando um programa imprime um arquivo, o sistema operacional inicia um programa de gerenciamento da impressão. Esse programa deverá controlar a lista de arquivos a serem impressos, permitir que outros arquivos sejam incluídos na lista, e enviar um arquivo por vez à impressora. Nesse caso, pelo menos três processos serão necessários para organizar o gerenciamento das impressões, e se não houver comunicação entre esses processos, o gerenciador nunca saberá quando incluir um arquivo novo na lista de impressão ou quando retirar um arquivo da lista de impressão. Para que essa comunicação exista, tanto os programas quanto o sistema operacional devem ser construídos de modo a permitir a efetivação da comunicação. Esta efetivação é garantida utilizando-se mecanismos de controle e estruturas de dados que possibilitem a identificação,organização e separação entre os processos e informações trocadas entre os processos. Os sistemas operacionais oferecem algumas funções e rotinas para fornecerem suporte aos programas, sendo que essas funções devem ser incluídas no programa durante o seu desenvolvimento. Alguns exemplos de mecanismos de comunicação entre processos são:

FIFO (First In First Out): Neste mecanismo, um processo abre um canal de comunicação com outro processo, sendo que o primeiro apenas escreve dados na FIFO, enquanto o segundo processo lê dados da FIFO, este mecanismo deve ser utilizado e gerenciado dentro dos programas, e não pelo sistema operacional.PIPES unidirecionais: tem funcionamento semelhante ao FIFO, a diferença é que nesse caso o controle da comunicação é feito pelo sistema operacional.FILA DE MENSAGENS: Uma fila de mensagens (messagequeue) permite criar uma área de troca de mensagens entre os processos, sendo que essa área será administrada pelo sistema operacional. A característica mais importante da Fila de Mensagens é a possibilidade de acesso a uma mensagem de maneira seletiva, pois existe um identificador especial para cada mensagem.Memória Compartilhada: a memória compartilhada é semelhante à Fila de Mensagens, a diferença é que o controle deve ser feito dentro dos programas que utilizam este mecanismo.

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