Gerenciamento de recursos

Introdução aos sistemas operacionais

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Quando usamos Windows, Linux ou MacOS; estamos utilizando o que já nos acostumamos a chamar de sistema operacional, mas você já se perguntou o que isso significa? Se você tivesse que fazer um sistema operacional do zero, você saberia o que precisaria implementar? Essa seção visa tornar claro exatamente o que e para que serve um sistema operacional.

Antes de mais nada, vamos entender de onde surgiram os sistemas operacionais.

1. Uma breve história…

É completamente impossível dissociar a história dos sistemas operacionais da história dos próprios computadores digitais. Como vocês já devem ter visto em um outro artigo, a história da computação é bastante antiga, mas os primeiros computadores usáveis surgiram entre as décadas de 1940 e 1950. Tratavam-se de computadores que utilizavam tubos de vácuo como hoje utilizamos transistores.

Nessa primeira geração, o simples fato de ser possível realizar contas de forma automatizada já era um enorme avanço. Sendo assim, eles não tinham qualquer tipo de sistema operacional. Cada usuário tinha acesso exclusivo à máquina por um período definido e precisava ir ao computador com seu programa e dados, frequentemente em cartões perfurados, fitas de papel ou magnéticas. O programa era carregado manualmente, e a máquina configurada para a tarefa. A depuração era feita por meio de painéis de controle. A programação era realizada em linguagem de máquina ou até mesmo por meio da conexão de circuitos elétricos em painéis.

A segunda geração de computadores introduziu os computadores eletrônicos, mas para o estudo dos sistemas operacionais é mais importante notar o surgimento de sistemas em lote (batch). Operadores profissionais passaram a ser responsáveis por rodar os “mainframes”. Para otimizar o tempo de máquina, que era muito caro, trabalhos eram coletados e lidos em fita magnética por um computador menos dispendioso (ex: IBM 1401) e então transferidos para máquinas mais potentes (ex: IBM 7094) para o processamento principal. Após a execução, a saída era escrita em outra fita e impressa offline. Um programa especial, o ancestral do sistema operacional moderno, lia os trabalhos da fita, controlava sua execução e gravava o uso dos recursos. Cartões de controle (ex: $JOB, $FORTRAN, $LOAD, $RUN, $END) eram usados para instruir esse “monitor” ou “programa de monitoramento”, que foram os precursores dos interpretadores de linha de comando modernos (shells). Exemplos de SOs dessa era foram FMS (Fortran Monitor System) e IBSYS para o IBM 7094.

A terceira geração dos computadores surgiu com o advento dos processadores em circuitos integrados e os sistemas multiprogramáveis. Nessa geração, a IBM introduziu o System/360, uma série de máquinas compatíveis em software que variavam em preço e desempenho, visando unificar linhas de produtos científicas e comerciais. A intenção era ter um único SO, o OS/360, para toda a linha, mas a complexidade do projeto resultou em um conjunto de sistemas operacionais. O OS/360 e sistemas similares popularizaram técnicas como a multiprogramação. Para evitar ociosidade da CPU durante operações de E/S (I/O), a memória foi particionada para conter múltiplos trabalhos simultaneamente. Enquanto um trabalho esperava por E/S, outro poderia usar a CPU, mantendo-a quase 100% ocupada. Isso exigiu hardware especial para proteção de memória.

Foi nessa geração que surgiram sistemas operacionais que influenciam profundamente os sistemas modernos. Destacam-se:

• MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service): Um ambicioso projeto de “computador utilitário” do M.I.T., Bell Labs e General Electric. Embora não tenha sido um sucesso comercial inicial, o MULTICS introduziu muitas ideias seminais, como os níveis de privilégio de segurança e sistemas de arquivos hierárquicos. Sua influência foi enorme em sistemas operacionais subsequentes, especialmente o UNIX e seus derivados (Linux, macOS, iOS, FreeBSD).
• UNIX: Desenvolvido na AT&T Bell Laboratories no final da década de 1960 por Ken Thompson, originalmente para o PDP-7 e PDP-11. Sua popularidade cresceu devido à sua disponibilidade e facilidade de modificação. Sendo escrito em linguagem C, o UNIX se tornou altamente portável para diversas arquiteturas de máquina, tornando-se o primeiro sistema operacional a ter o mesmo conceito em múltiplas plataformas de hardware. Inspirou muitos e foi uma das raízes do movimento de software livre e de código aberto. Versões importantes incluem o System V (AT&T) e BSD (Berkeley Software Distribution). O padrão POSIX foi desenvolvido para garantir compatibilidade entre versões do UNIX. MINIX, um clone do UNIX para fins educacionais criado por Tanenbaum, inspirou o desenvolvimento do Linux.

Nessa geração também surgiram conceitos de extrema importância para definir os sistemas operacionais modernos. A saber:

• Spooling (Simultaneous Peripheral Operation On Line): Capacidade de ler trabalhos de cartões para o disco assim que chegavam, e carregar novos trabalhos do disco para a memória quando um anterior terminava. Também usado para a saída, eliminando a necessidade de máquinas como o IBM 1401 para E/S offline.
• Timesharing: Uma variante da multiprogramação que permitia a múltiplos usuários interagir com o computador simultaneamente através de terminais online. O CPU alternava entre os usuários, proporcionando um serviço rápido e interativo. O primeiro sistema de timesharing de propósito geral foi o CTSS (Compatible Time Sharing System) do M.I.T..
• Minicomputadores: Crescimento fenomenal com máquinas como o DEC PDP-1 e PDP-11.

A quarta geração da computação trouxe o domínio dos computadores pessoais (PCs). Com a disseminação da computação a esse nível, a preocupação passou a ser em criar sistemas com maior compatibilidade e com facilidade de uso.

A princípio, os PCs eram itens de nicho, utilizados apenas por entusiastas. A interface dos sistemas operacionais da época refletiam bem essa natureza. O CP/M-80 foi o primeiro SO importante para microcomputadores com CPUs como 8080/Z-80, dominando o início do mercado de PCs. A Microsoft desenvolveu o MS-DOS (ou PC DOS para IBM) para o IBM PC, projetado para ser similar ao CP/M-80. A estratégia da Microsoft de licenciar o MS-DOS para empresas de computadores o ajudou a dominar o mercado do IBM PC.

O uso de interfaces gráficas foi capitaneado por Doug Engelbart e desenvolvida na Xerox PARC. Steve Jobs viu seu potencial e a Apple a popularizou com o Macintosh, que foi um enorme sucesso por ser “amigável ao usuário”. Seguindo a tendência estabelecida pela Apple, a Microsoft desenvolveu o um ambiente gráfico que rodava sobre o MS-DOS, o Windows. A partir do Windows 95, tornou-se uma versão independente com muitas funcionalidades de sistema operacional. Versões posteriores como Windows NT (com base em ideias do VAX VMS), Windows XP, Vista, 7, 8, 10 e 11 continuaram a evolução.

Linux e macOS (baseado em Unix-like Darwin/FreeBSD) se tornaram os outros principais sistemas operacionais para PCs, sendo fortes em servidores de rede e ambientes corporativos, além de desktops e notebooks. Muitos usuários UNIX, especialmente programadores, preferem interfaces de linha de comando, mas também há o X Window System (X11) (e, mais recentemente, o Wayland) e ambientes de desktop completos como Gnome ou KDE.

2. Definindo um SO

A história dos sistemas operacionais escancara a natureza deste tipo de software. Por ela, é possível perceber que trata-se de um sistema que surgiu como uma forma de prover acesso ao hardware para os usuários e evoluiu com o tempo para também ser capaz de escalonar processos. Sendo assim, podemos definir um sistema operacional como:

Um software que atua como uma ponte ou intermediário entre as aplicações do usuário e o hardware do computador. Ele é responsável por controlar e sincronizar o hardware e assegurar que os programas funcionem corretamente. Ao contrário da percepção comum, o sistema operacional não se resume apenas à sua interface visual, como a interface gráfica do usuário (GUI) ou o terminal (Shell), que são programas que rodam sobre ele e utilizam suas funcionalidades. As funções do SO incluem:

1. Abstração e Extensão da Máquina:

   • Um dos principais papéis do SO é esconder a complexidade do hardware e apresentar aos programadores e usuários um conjunto de recursos abstratos, limpos, elegantes e consistentes.
   • Nos primeiros computadores sem SO, cada programa precisava de drivers específicos e configurava o hardware completo para rodar. A complexidade crescente do hardware e das aplicações tornou o SO necessário para facilitar o desenvolvimento e o uso diário.
   • Por exemplo, para criar, ler ou escrever arquivos, o usuário não precisa lidar com os detalhes técnicos de discos rígidos (HDDs) ou SSDs; o SO fornece a abstração de “arquivos”. Essa abstração torna tarefas quase impossíveis em duas gerenciáveis: definir e implementar as abstrações, e usá-las para resolver o problema.

2. Gerenciamento de Recursos (Multiplexação):

   • O SO é crucial para gerenciar e alocar de forma ordenada e controlada os recursos do sistema, como processadores, memória principal e dispositivos de entrada/saída (E/S).
   • Ele impede o caos que ocorreria se múltiplos programas tentassem acessar os mesmos recursos simultaneamente (por exemplo, várias impressões na mesma impressora).
   • O gerenciamento de recursos envolve a multiplexação, que pode ser de duas formas:
     • Multiplexação no tempo: Diferentes programas ou usuários se revezam no uso de um recurso. Por exemplo, a CPU é alocada a um programa por um tempo, depois a outro, e assim por diante. Filas de impressão são outro exemplo.
     • Multiplexação no espaço: O recurso é dividido, e cada programa recebe uma parte dele. Exemplos incluem a divisão da memória principal entre vários programas e a alocação de espaço em disco para arquivos de diferentes usuários.

3. Provisão de Serviços e Facilidades:

   • Os SOs oferecem serviços essenciais para a execução de programas, como gerenciamento de processos, controle de E/S, manipulação de arquivos, comunicação entre processos (IPC) e segurança.
   • Processos: Um conceito fundamental, um processo é um programa em execução. Cada processo tem seu próprio espaço de endereçamento (memória que pode ler e escrever) e um conjunto de recursos (registros, arquivos abertos, etc.). O SO gerencia a criação, suspensão, reinício e término de processos.
   • Espaços de Endereçamento: O SO gerencia o espaço de endereçamento que cada processo pode usar. A técnica de memória virtual permite que programas maiores que a memória física sejam executados, movendo partes do código e dados entre a memória principal e o armazenamento não volátil (SSD/disco) conforme necessário.
   • Sistema de Arquivos: Organiza e gerencia arquivos em hierarquias de diretórios (pastas), permitindo operações como criar, remover, ler e escrever arquivos, e ocultando as peculiaridades dos dispositivos de armazenamento. Dispositivos de E/S podem ser modelados como “arquivos especiais” para padronizar o acesso.
   • Proteção e Segurança: Garante que informações e recursos sejam acessíveis apenas a usuários autorizados, protegendo o sistema contra intrusos e erros.

Neste momento, estamos mais interessados na capacidade do sistema operacional de gerenciar recursos através de abstrações de sistemas periféricos. Para entendermos o nível de complexidade dessa tarefa, vamos brevemente revisar que tipos de dispositivos podem ser integrados ao computador e devem, portanto, ser gerenciados pelo sistema operacional.

3. Montanha de periféricos

O kernel do sistema operacional atua como o intermediador fundamental entre o software de aplicação e o hardware da máquina. Ele é responsável por gerenciar todos os recursos do sistema e fornecer uma interface abstrata e limpa para os programadores e programas, escondendo os detalhes do funcionamento do hardware.

Para cumprir suas funções, o kernel precisa interagir de forma íntima e controlada com diversos tipos de hardware:

• Processadores (CPUs):

  • O que são: Considerados o “cérebro” do computador, os processadores buscam e executam instruções da memória. Cada CPU possui um conjunto específico de instruções que pode executar. Processadores modernos podem ter múltiplos núcleos (multicore) ou serem multithreaded.
  • Interação do Kernel: A maioria das CPUs possui (pelo menos) dois modos de operação: modo núcleo (kernel mode/supervisor mode) e modo usuário (user mode). O sistema operacional, especificamente o kernel, opera no modo núcleo, onde tem acesso completo a todas as instruções do conjunto e a todas as funcionalidades do hardware. Programas de usuário, por sua vez, sempre rodam no modo usuário, com um subconjunto restrito de instruções e funcionalidades (instruções de E/S e proteção de memória são geralmente proibidas). Para que um programa de usuário solicite um serviço que exija privilégios do modo núcleo, ele deve fazer uma chamada de sistema (system call), que causa uma “trap” para o kernel, mudando a CPU para o modo núcleo. O kernel também é responsável por salvar e restaurar todos os registradores da CPU quando alterna entre programas (context switch), garantindo o escalonamento e a multiprogramação.

• Memória Principal (RAM):

  • O que é: É o principal local de trabalho do sistema de memória, onde os programas em execução são armazenados temporariamente. É uma memória volátil, o que significa que perde seu conteúdo ao desligar.
  • Interação do Kernel: O kernel é o responsável por gerenciar e proteger a memória, dividindo-a entre vários programas em execução (multiplexação no espaço) para evitar interferências e permitir que todos residam ao mesmo tempo.

• Memória Cache:

  • O que é: Uma memória de alta velocidade, localizada dentro ou muito próxima à CPU, que armazena as linhas de memória mais usadas para acesso rápido.
  • Interação do Kernel: Embora seja controlada principalmente pelo hardware, o sistema operacional utiliza o conceito de cache extensivamente, mantendo, por exemplo, partes de arquivos frequentemente usados na memória principal para evitar acessos repetidos ao armazenamento secundário.

• Memórias Não Voláteis (ROM, EEPROM, Flash, CMOS):

  • O que são: Tipos de memória que não perdem seu conteúdo quando a energia é desligada. A ROM (Read Only Memory) é programada de fábrica e contém o bootstrap loader (BIOS), um programa usado para iniciar o computador. A EEPROM (Electrically Erasable PROM) e a Flash memory são reescrevíveis e usadas em dispositivos portáteis, SSDs e também para o BIOS. A CMOS é volátil, mas alimentada por bateria para manter informações como hora/data e parâmetros de configuração de boot.
  • Interação do Kernel: O kernel interage com a firmware do sistema (BIOS ou UEFI) durante o processo de boot para carregar-se na memória. O kernel precisa detectar e inicializar vários recursos e dispositivos através da BIOS.

• Memória Virtual:

  • O que é: Uma técnica que permite que programas maiores que a memória física sejam executados, usando o armazenamento não volátil (SSD ou disco) como uma extensão da RAM. A MMU (Memory Management Unit), parte da CPU, realiza o remapeamento de endereços em tempo real.
  • Interação do Kernel: O kernel é o responsável por gerenciar o espaço de endereçamento de processos e a memória virtual, movendo partes do programa entre a memória principal e o armazenamento secundário conforme necessário.

• Armazenamento Não Volátil (Discos Magnéticos/HDDs, SSDs, Memória Persistente):

  • O que são: Dispositivos para armazenamento de dados de longo prazo. Os discos magnéticos (HDDs) são dispositivos mecânicos com platters giratórios. Os SSDs (Solid State Drives) armazenam dados em memória Flash eletrônica, sendo muito mais rápidos que os HDDs. A memória persistente (como Intel Optane) é uma camada mais recente e rápida que mantém o conteúdo sem energia.
  • Interação do Kernel: O kernel esconde as particularidades desses dispositivos e apresenta uma abstração de arquivos aos programadores. Ele aloca espaço em disco, rastreia qual programa está usando quais blocos de disco. O sistema de arquivos, que agrupa arquivos em diretórios (pastas), é um conceito chave gerenciado pelo sistema operacional.

• Dispositivos de Entrada/Saída (E/S):

  • O que são: Todos os dispositivos físicos que permitem ao computador receber entrada e produzir saída, como teclados, monitores, impressoras, mouses, etc.. Geralmente consistem em um controlador (um chip que controla fisicamente o dispositivo e aceita comandos do SO) e o próprio dispositivo.
  • Interação do Kernel: O kernel possui um subsistema de E/S para gerenciar esses dispositivos. A comunicação entre o kernel e os controladores é feita por meio de drivers de dispositivo, que são softwares específicos para cada tipo de controlador e geralmente rodam em modo núcleo. Existem diferentes métodos de E/S, como busy waiting (polling), interrupções (onde o dispositivo sinaliza o CPU quando termina a operação), e DMA (Direct Memory Access) (onde um chip dedicado gerencia o fluxo de dados entre memória e controlador sem intervenção constante da CPU).

• Barramentos (Buses):

  • O que são: Caminhos de comunicação que conectam a CPU, a memória e os dispositivos de E/S. Exemplos incluem PCIe, USB, SATA e DMI.
  • Interação do Kernel: O kernel deve estar ciente de todos os barramentos para configuração e gerenciamento. Ele usa esses barramentos para se comunicar com os controladores de dispositivos e transferir dados.

4. Uma palavra sobre segurança

Um programa que serve para gerenciar a integração de hardware do computador e expor abstrações deve, por definição, ter acesso irrestrito a esses dispositivos. Esse fato por si mesmo não configura um problema, mas quando consideramos que os computadores modernos devem executar milhares de programas feito por autores distintos, surge o problema de manter a segurança do sistema. Uma das heranças do MULTICS é justamente a divisão de privilégios de segurança. A divisão é feita em dois modos:

• Modo Núcleo (Kernel Mode/Modo Supervisor): Neste modo, a CPU tem acesso completo a todas as instruções e funcionalidades do hardware. O próprio sistema operacional geralmente executa neste modo.
• Modo Usuário (User Mode): Programas de usuário rodam neste modo, que possui um conjunto restrito de instruções e funcionalidades. Instruções que envolvem E/S ou proteção de memória são geralmente proibidas, e não é permitido ao programa de usuário mudar para o modo núcleo diretamente.

Resta aqui a pergunta: se o usuário não tem acesso direto aos dispositivos protegidos pelo kernel, como pode um programa, por exemplo, ler um arquivo armazenado dentro do SSD de um computador? A resposta para esta dúvida está na existência de uma interface do kernel chamada System Call. Para que um programa de usuário obtenha serviços do sistema operacional, ele deve fazer uma “chamada de sistema”. Essa chamada faz com que a CPU mude do modo usuário para o modo núcleo, permitindo que o SO execute a tarefa privilegiada e, em seguida, retorne o controle ao programa de usuário.

:::info How a Single Bit Inside Your Processor Shields Your Operating System’s Integrity

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:::info Searchable Linux Syscall Table

Link

Esse material não deve ser lido de cabo a rabo, mas serve como uma referência dos syscall de Linux. Talvez a existência desse autoestudo indique que vai ter alguma atividade relacionada com syscalls. Algo para se pensar…

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