O que é um sistema operacional?

Um sistema operacional (SO) é uma coleção de programas que inicializam o hardware do computador. Fornece rotinas básicas para controle de dispositivos. Fornece gerência, escalonamento e interação de tarefas. Mantém a integridade de sistema.

Sistema operacional(SO)? O que é isso? Será que é apenas um grande software de alto porte que ópera simplesmente para digitar um texto qualquer ou jogar paciência spider? Errado! vamos saber a verdade sobre o que é um sistema operacional.

Há muitos tipos de Sistemas Operacionais, cuja complexidade varia e depende de que tipo de funções é provido, e para que computador esteja sendo usado. Alguns sistemas são responsáveis pela gerência de muitos usuários, outros controlam dispositivos de hardware como bombas de petróleo.

O sistema operacional funciona com a iniciação de processos que este irá precisar para funcionar corretamente. Esses processos poderão ser arquivos que necessitam de ser frequentemente atualizados, ou arquivos que processam dados úteis para o sistema. Poderemos ter acesso a vários processos do sistema operacional a partir do gerenciador de tarefas, onde se encontram todos os processos que estão em funcionamento desde a inicialização do sistema operacional até a sua utilização atual. 

O sistema operacional é uma coleção de programas que:

• Inicializa o hardware do computador
• Fornece rotinas básicas para controle de dispositivos
• Fornece gerência, escalonamento e interação de tarefas
• Mantém a integridade de sistema

Um Sistema Operacional muito simples para um sistema de controle de segurança poderia ser armazenado numa memória ROM (Só de Leitura - um chip que mantém instruções para um computador), e assumir o controle ao ser ligado o computador. Sua primeira tarefa seria reajustar (e provavelmente testar) os sensores de hardware e alarmes, e então ativar uma rotina monitorando ininterruptamente todos os sensores introduzidos. Se o estado de qualquer sensor de entrada for mudado, é ativada uma rotina de geração de alarme.

Em um grande computador multiusuário, com muitos terminais, o Sistema Operacional é muito mais complexo. Tem que administrar e executar todos os pedidos de usuários e assegurar que eles não interferiram entre si. Tem que compartilhar todos os dispositivos que são seriais por natureza (dispositivos que só podem ser usados por um usuário de cada vez, como impressoras e discos) entre todos os usuários que pedem esse tipo de serviço. O SO poderia ser armazenado em disco, e partes dele serem carregadas na memória do computador (RAM) quando necessário. Utilitários são fornecidos para:

• Administração de Arquivos e Documentos criados por usuários
• Desenvolvimento de Programas
• Comunicação entre usuários e com outros computadores
• Gerenciamento de pedidos de usuários para programas, espaço de armazenamento e prioridade

Adicionalmente, o SO precisaria apresentar a cada usuário uma interface que aceita, interpreta, e então executa comandos ou programas do usuário. Essa interface é comumente chamada de SHELL (=cápsula, manteremos o nome original em inglês) ou interpretador de linha de comando (CLI). Em alguns sistemas ela poderia ser uma simples linha de texto que usam palavras chaves (como MSDOS ou UNIX); em outros sistemas poderiam ser gráficas, usando janelas e um dispositivo apontador como um mouse (como Windows95 ou X - Windows).

As Várias Partes de um Sistema Operacional

Um sistema operacional de um computador que é usado por muitas pessoas ao mesmo tempo, é um sistema complexo. Contém milhões de linhas de instruções escritas por programadores. Para tornar os sistemas operacionais mais fáceis de serem escritos, eles são construídos como uma série de módulos, cada módulo sendo responsável por uma função. Os módulos típicos em um grande SO multiusuário geralmente são:

• Núcleo (Kernel em inglês - também conhecido como "executivo")
• Gerenciador de processo
• Escalonador (Scheduler, em inglês)
• Gerenciador de arquivo

O Núcleo - Um Executivo em Tempo-Real

O núcleo de um sistema operacional é algumas vezes chamado de EXECUTIVO em tempo real. Algumas das funções executadas por ele são:

• Chaveamento entre programas
• Controle e programação de dispositivo de hardware
• Gerenciamento de memória
• Gerenciamento de processos
• Escalonamento de tarefas
• Comunicação entre processos
• Processamento de exceções e de interrupção

·         Nosso sistema simples de monitoração de segurança não teria todas as funções acima, já que provavelmente seria um sistema mono-tarefa, executando apenas um programa. Como tal, não precisaria processar permutas entre mais de um programa ou permitir comunicação entre programas (comunicação entre processos). A gerência da memória seria desnecessária, já que o programa residiria permanentemente em ROM ou em EPROM (uma forma programável especial de ROM).

·         Um sistema operacional projetado para manusear um grande número de usuários precisaria de um núcleo para executar todas as funções acima.

Programas de usuários geralmente são armazenados em disco, assim precisa ser carregado em memória antes de ser executado. Isso apresenta a necessidade de gerência da memória, já que a memória do computador precisaria ser pesquisada para localizar uma área livre para carregar um programa de usuário na mesma. Quando o usuário tivesse encerrada a execução do programa, a memória consumida por ele precisaria ser liberada e se tornaria disponível para outro usuário quando solicitado.

Gerenciamento e Escalonamento (Scheduling) de processos também são necessários, de forma que todos os programas possam ser executados razoavelmente. Não há como um programa de um usuário específico ser executado numa área de extensão, negando o funcionamento de qualquer outro programa, e fazendo todos os outros usuários esperarem. Adicionalmente, alguns programas poderiam precisar ser executados mais freqüentemente que outros, por exemplo, checando comunicações de rede ou imprimindo. Alguns programas podem precisar ser suspensos temporariamente, e serem reiniciados depois, assim introduzindo a necessidade da comunicação inter-programas.

Programando um computador

Um programa é uma seqüência de instruções ao computador. Quando o programador de software (uma pessoa que escreve programas para serem executados em um computador) desenvolve um programa, este é convertido em uma longa lista de instruções que são executadas pelo sistema de computador.

Em sistemas operacionais nós falamos mais de um processo do que de um programa. Nos sistemas operacionais modernos, só uma porção de um programa é carregada em cada instante. O resto do programa espera numa unidade de disco até que se precise do mesmo. Isso economiza espaço de memória.

Os programas no computador são executados por processadores. Um processador é um chip no computador que executa instruções de programa. Processadores executam milhões de instruções por segundo.

Um Processo

Um processo ou tarefa é uma porção de um programa em alguma fase de execução. Um programa pode consistir de várias tarefas, cada uma com funcionamento próprio ou como uma unidade (talvez se comunicando entre si periodicamente).

A Thread (fileira, linha)

Uma thread é uma parte separada de um processo. Um processo pode consistir de várias threads cada uma das quais sendo executada separadamente. Por exemplo, uma thread poderia tratar refresh e gráficos na tela, outra thread trataria impressão, outra thread trataria o mouse e o teclado. Isso dá bom tempo de resposta em programas complexos. Windows NT é um exemplo de um sistema operacional que suporta multi-thread.

Sistemas operacionais de Multi-processo

Alguns sistemas executam só um único processo, outros sistemas executam múltiplos processos de cada vez. A maioria dos computadores é baseada num único processador, e um processador pode executar só uma instrução de cada vez. Assim, como é possível um único processador executar processos múltiplos? A resposta mais imediata é que ele não faz desse modo. O processador do computador executa um processo por um período pequeno de tempo, e então muda para o próximo processo e assim por diante. Como o processador executa milhões de instruções por segundo, isso dá a impressão de muitos processos serem executados ao mesmo tempo.

Em um sistema de computador que suporta mais de um processo de cada vez, algum mecanismo deve ser usado para intercalar de uma tarefa para outra. Há dois métodos principais usados para fazer essa troca:

• Escalonamento por Cooperação indica que uma tarefa que está sendo executada atualmente deixará voluntariamente em algum momento o processador e permitirá que outros processos sejam executados.
• Escalonamento Preemptivo significa que uma tarefa corrente será interrompida (forçou a se render) e o processador se dedica a outro processo em estado de espera.

O problema da mudança por cooperação é que um processo poderia demorar e assim negar a execução de outros processos e poderia resultar em nenhum trabalho ser feito. Um exemplo de um sistema de cooperação é o Windows 3.1. O escalonamento preemptivo é melhor. Dá mais respostas a todos os processos e ajuda a prevenir (ou reduz o número de ocorrências de) contra o medo de máquinas travadas. Windows NT é um exemplo de tal sistema operacional.

Nota: Só para programas de 32bits em Windows 95 há escalonamento preemptivo. Programas de 16bits ainda são escalonados cooperativamente, o que significa que ainda é fácil para um programa de 16bits travar um computador Windows.

Contexto de Troca

Quando o processador muda de um processo a outro, o seu estado (o processador registra e associa os dados) deve ser salvo, pois algum tempo depois, será reiniciado o processo e continuará como se nunca fora interrompido. Uma vez esse estado tenha sido salvo, o próximo processo em espera é ativado. Isso envolve carga nos registradores do processador e na memória, com todos os dados previamente salvos, e reiniciando na instrução que seria executada quando houve a última interrupção. O ato de mudar de um processo a outro é chamado troca de contexto. Um período de tempo que um processo execute antes de ser trocado é chamado de time slice ou período de quantum.

Escalonamento (Scheduling)

A decisão de qual o próximo processo deve ser executado é chamado escalonamento (scheduling), e pode ser feito em uma grande variedade de maneiras. Escalonadores por cooperação geralmente são muito simples, já que os processos são organizados em fila circular (ROUND ROBIN). Quando um processo corrente se deixa, vai para o fim da fila. O processo no topo da fila é então executado, e todos os processos se movimentam um lugar para cima na fila. Isso provê uma medida justa, mas não impede que um processo monopolize o sistema (não se deixando).

Escalonadores preemptivos usam um relógio em tempo real que gera interrupção a intervalos regulares (digamos, a cada 1/100 de um segundo). Cada vez que uma interrupção ocorre, o processador muda para outra tarefa. Sistemas que geralmente empregam esse tipo de escalonamento atribuem prioridades a cada processo, de forma que alguns podem ser executados mais freqüentemente que outros.

Carga do Sistema Operacional

O SO pode ser carregado na memória de um computador de duas maneiras.

• Já está presente em ROM
• É carregado a partir do disco quando o computador é ligado.

Se o SO já está presente em ROM (para sistemas tipo controladores industriais, bombas de petróleo, etc), ele ganhará controle imediato do processador ao ser ligado o computador. Para sistemas mais complexos, o SO é armazenado normalmente em mídia secundária (como disco), e é carregado em RAM quando o computador é ligado. A vantagem desse tipo de sistema é que o escalonamento para o SO é mais fácil de fazer e programar.

O PROCESSO de BOOTSTRAP

Descreve a ação da carga inicial do sistema operacional do disco para a RAM. Uma pequena rotina armazenada em ROM, chamada de CARREGADOR de BOOTSTRAP ou IPL (Carregador de Programa Inicial), lê uma rotina especial de carga no disquete. Em sistema baseado em disquete, essa rotina normalmente reside na trilha 00, setor 00 (ou 01), e é chamado de setor de booting. O código contido no setor é transferido para a RAM, e então é executada. Tem a responsabilidade exclusiva de carregar o resto do sistema operacional na memória

Tipos diferentes de processamentos em sistemas operacionais

Sistemas operacionais são divididos em categorias que definem as suas características. Sistemas modernos podem usar combinações de essas categorias descritas a seguir.

BATCH (em LOTE)

O tipo mais antigo de SO permite só um programa ser executado de cada vez. O programa que é carregado no computador é executado completamente. Os dados usados pelo programa não podem ser modificados enquanto o programa está sendo executado. Qualquer erro no programa ou nos dados significa começar tudo novamente.

INTERATIVO
Esses permitem a modificação e entrada de dados ainda durante a execução do programa. Sistemas típicos são reservas de vôo aéreo e linguagens como BASIC.

TIME-SHARING/MULTI-USUÁRIO
Esses SOs compartilham o computador entre mais de um usuário, e adota técnicas de escalonamento preemptivo.

MULTI-TAREFAS
Mais de um processo pode ser executado concorrentemente. O processador é escalonado rapidamente entre os processos. Um usuário pode ter mais de um processo executado de cada vez.

TEMPO REAL

Principalmente usado em controle de processos, telecomunicações, etc. O SO monitora várias entradas que afetam a execução de processos, mudando os modelos de computadores do ambiente, e assim afetando as saídas, dentro de um período de tempo garantido (normalmente < 1 segundo).

MULTI-PROCESSAMENTO
Um computador que tem mais de um processador central dedicados na execução de processos.