01 - SO I - Fundamentos de Sistemas Operativos

• Os sistemas operativos são um conjunto de programas que gerem os recursos do sistema e fornecem uma interface entre a máquina, o utilizador e as aplicações.
• Simplificam o uso dos recursos lógicos, abstraindo a complexidade do hardware.
• Um sistema operativo cria uma "máquina virtual", que é independente do hardware.
• Sistemas operativos garantem a manutenção e evolução, sendo seguros, fiáveis e otimizados.

Utilizadores e Funções Principais

• Um sistema operativo é um intermediário entre o equipamento físico e o utilizador.
• Os "utilizadores" podem ser pessoas ou programas, ambos usufruindo dos serviços do sistema operativo.
• Um utilizador-pessoa interage diretamente com a máquina.
• Um utilizador-programa emprega os recursos partilhados pelo sistema.
• Um utilizador é o operador humano que interage com o computador
• Uma aplicação, programa ou processo é aquele que corre externamente ao sistema operativo.

Tipos de Sistemas Operativos e Classificação

• Os sistemas operativos são classificados com base na relação entre o tempo da máquina e o tempo real.
• Nos sistemas de tempo virtual, o tempo real não é um fator crítico.
• Nos sistemas de tempo real, o tempo real é relevante para assegurar o cumprimento de tarefas dentro de prazos predefinidos.
• Classificação adicional baseia-se no número de processadores e na sua utilização.
• Sistemas paralelos partilham memória e relógio entre múltiplos microprocessadores.
• Sistemas distribuídos operam com memória e relógios independentes para cada microprocessador.

Objetivos dos Sistemas Operativos

• Gerir eficientemente a máquina.
• Alocar recursos como CPU, memória e dispositivos de E/S de forma eficiente entre processos.
• Implementar políticas de otimização para maximizar o desempenho geral.
• Os utilizadores que efetuam a gestão eficiente da máquina efetuam a virtualização do hardware.
• Abstrair o hardware fornecendo uma máquina virtual com operações uniformizadas e interfaces simples para utilizadores e programadores.
• Fornecer serviços úteis aos "utilizadores."
• Facilitar a interação do utilizador com o sistema através de interfaces gráficas ou de linha de comandos.
• Disponibilizar para os programas um conjunto de recursos acessíveis através de uma interface de programação.
• Garantir a estabilidade da máquina, determinar a utilização adequada dos recursos.
• Verificar a validade das operações e o cumprimento de regras e permissões.
• Assegurar que utilizadores e programas não interfiram uns com os outros.
• Proporcionar mecanismos de deteção e recuperação de falhas.
• Garantir a segurança e proteção dos dados dos utilizadores contra acessos não autorizados.
• Isolar processos para manter a integridade do sistema.

Componentes Essenciais do Sistema Operativo

• Núcleo (Kernel): Parte central que gere operações básicas (processos, memória, dispositivos e ficheiros).
• Tipos de núcleo:
  • Monolítico: todo o código é executado no modo kernel.
  • Microkernel: apenas as funções essenciais são executadas no modo kernel, com outras em modo utilizador.
• Interface de Utilizador: Permite a interação do utilizador com o sistema.
  • Interface Gráfica (GUI): Usa janelas, ícones e menus.
  • Linha de Comandos (CLI): Usa comandos de texto.
• Gestão de Processos:
  • Criação e terminação.
  • Algoritmos de escalonamento.
  • Mecanismos de comunicação entre processos (IPC).
• Gestão de Dispositivos:
  • Drivers de dispositivos para a comunicação.
  • Gestão de interrupções.
• Sistemas de Ficheiros:
  • Possui estrutura hierárquica.
  • Oferece funções de armazenamento, recuperação, nomeação, partilha e proteção de ficheiros.
• Gestão de Memória:
  • Alocação de memória: Distribui memoria em processos em execução.
  • Paginação: Divide a memoria em blocos menores
  • Segmentação: Divide a memoria em segmentos de tamanhos variados.

Estados de um Processo:

• Novo: A ser criado.
• Pronto: Preparado para executar.
• Em Execução: A ser executado pela CPU.
• Bloqueado: À espera de um evento.
• Terminado: Concluído.

Escalonamento de Processos

• Objetivo: Otimizar o uso da CPU.
• Algoritmos de escalonamento:
  • FIFO: Executados na ordem de chegada.
  • Round Robin: Executados com tempo fixo e colocados no final da fila.
  • Prioridade: Baseados na prioridade de cada processo.

Comunicação entre Processos (IPC)

• Objetivo: Troca de informações.
• Mecanismos de IPC:
  • Pipes: Comunicação unidirecional.
  • Mensagens: Envio de mensagens.
  • Memória Partilhada: Acesso partilhado à memória.

Gestão de Dispositivos (Periféricos)

• Programas (drivers) possibilitam o sistema operar e comunicar com o hardware.
• Sinais (interrupções) indicam ao processador eventos que requerem ação imediata.
• Os tipos de interrupções podem ser de hardware ou software.

Modelo de Interação do Sistema

• O sistema operativo atua como a única entidade responsável pelo hardware, mantendo a interação com o utilizador e as aplicações indireta.
• As tarefas incluem a configuração, controlo, gestão de erros, e notificação de eventos do hardware.
• Device drivers são subprogramas que gerem de periféricos.

Interação Utilizador

• O utilizador percebe o sistema de maneira indireta.
• Tipicamente interage através de uma interface (explorer, shell, terminal, etc).
• O interface facilita utilização do sistema.

Contas de Utilizador

• Definição: Uma conta com nome de utilizador (username) e palavra passe (password).
• Tipos de Contas:
  • Administrador: Privilégios elevados.
  • Utilizador Comum: Privilégios limitados.
• Permissões: leitura (read), escrita (write) e execução (execute).
• Privilégios: Nível de acesso que um utilizador tem aos recursos do sistema.

Autenticação e Autorização

• Autenticação: Validação da identidade do utilizador.
• Autorização: Concessão de acesso a recursos baseado em permissões.
• Gestão de Sessões: Início (login) e término (logout) de sessão, mantendo a segurança e libertando recursos.

Níveis de Privilégios

• Modos para garantir segurança e estabilidade:
  • Modo Kernel: Maior privilégio, acesso total.
  • Modo Utilizador: Menor privilégio, acesso restrito.
• A transição é feita via chamadas de sistema e interrupções.

Modo Kernel vs. Modo Utilizador

• Modo Kernel:
  • É o nível de privilégio mais alto para o SO.
  • Acesso completo permitindo operações críticas e segurança.
• Modo Utilizador:
  • Nível de privilégio mais baixo.
  • Acesso restrito para proteger de ameaças ou erros e executar aplicações.

Transição entre Modos

• Chamadas de Sistema:
  • Mecanismos por onde programas requerem serviços do núcleo.
• Interrupções:
  • Sinalizam ao processador eventos importantes.
  • A transição é feita entre hardware e software.

Operações em Cada Modo

• Modo Kernel:
  • Gerir memória.
  • Gerir processos.
  • Gerir dispositivos.
• Modo Utilizador:
  • Executar aplicações.
  • Solicitar serviços ao núcleo.

Importância dos Níveis de Privilégios

• Segurança: Protege contra ameaças.
• Estabilidade: Garante operações sólidas.
• Eficiência: Permite operações eficientes e isoladas.

Arquitetura de Sistemas Operativos

• Organiza e gere hardware/software.
• Descreve elementos, como o núcleo, a gestão de processos, memória, ficheiros e dispositivos.
• Tipos principais de arquiteturas incluem:
  • Monolítica
  • Microkernel
  • Camadas
  • Máquina virtual

Sistemas Monolíticos

• Sem estrutura modular, tudo num bloco.
• Procedimentos e funções podem interagir livremente.
• Chamadas de sistema diretas no modo núcleo.

Vantagens e Desvantagens, Sistemas Monolíticos

• Podem ser mais rápidos em desempenho, a comunicação é direta sem requerer troca de mensagens.
• Implementação mais simples com interfaces mais diretas.
• Difícil manutenção e isolamento de responsabilidades.
• Escalabilidade limitada, aumentando o risco de erros.

Arquiteturas em Camadas

• Cada camada tem função específica e interage com camadas adjacentes.
• Há isolamento de funções e organização clara e compreensível.
• Depuração é facilitada dentro de cada camada.
• Dificuldade: Definir hierarquia e gerir a sobreposição de funções.

Arquiteturas em Camadas - Implementação

• Camadas típicas incluem gestão de memória, comunicação e E/S, etc.
• Otimização de desempenho e proteção de processos.

Arquiteturas em Camadas - Modo de Operação e Evolução

• A Ordem correta deve ser implementada na memória. Arquiteturas mistas são aquelas que começam como monolíticas e constroem-se para arquitetura mista.
• Apresentam dificuldades como determinar hierarquia e sobreposição de funções.

Máquinas Virtuais

• Baseiam-se na virtualização do hardware, simulando várias máquinas com seus SOs individuais.
• Grande parte(s) do sistema operativo é movido para um nível superior, ganhando uma simplicidade e estabilidade
• Evolução: Originárias de sistemas de tempo partilhado, separando multiprogramação e virtualização do hardware.
• Hypervisors são sistemas operativos focados em virtualização, sem funcionalidades habituais de SOs.
• Tipos de Hypervisor:
• Hypervisor Tipo 1 (Nativo): Corre diretamente sobre o hardware e gere os recursos físicos.
• Hypervisor Tipo 2 (Hóspede): Corre sobre um existente como VirtualBox.

Máquinas Virtuais - Vantagens e Desvantagens

• As máquinas virtuais facilitam o desenvolvimento de novos sistemas.
• O Isolamento virtual opera de forma independente.
• Há dificuldade de implementação.
• O desempenho se torna virtual e pode aumentar a carga no sistema.

Conceitos Importantes - Máquinas Virtuais

• Modo Núcleo: A gestão do SO tem acesso total ao hardware.
• Modo Núcleo Virtual: Simula o acesso ao núcleo para sistemas operativos convidados.
• Modo Utilizador Virtual: Simulação de acesso para aplicações.

Máquinas Virtuais - Desvantagens do Hypervisor

• Hypervisor 1: Menor facilidade na interação com partes do utilizador. O acesso é remotamente através de outra máquina.
• Hypervisor 2: Forte dependência em sistemas e pode ser menos completo e menor poder.

Arquitetura Cliente-Servidor (Microkernel)

• O sistema operativo é divididos em unidades funcionais.
• Os serviços tem sido proporcionados por programas.
• A requisição está estruturada através de mensagens.
• É um conceito simples e otimista de implementação e tem uma complexidade mínima.

Arquitetura Cliente-Servidor (Microkernel) II

• Facilidade a sistemas distribuídos e a separação entre núcleo e a separrabilidade.
• A comunicação pode efetuar sobrecargas.
• A implementação é de vários processos complexos.

Cliente-Servidor (Microkernel): Filosofia de Construção

• A construção efetua-se na política, definindo o recurso. E o mecanismo que implementa o método de núcleo.
• Funções de Mecanismo são o Escalonamento, o Despacho e Gerência de Comunicações.
• Modelo de Aplicação Windows NT.