Fundamentos de Sistemas Operacionais (FSO)

1. Conceitos Básicos

Um computador é formado por duas partes principais:

Hardware (parte física)
Software (programas e instruções)

1.1 Definição

Tanenbaum: Sistema Operacional (SO) é a parte fundamental do software que executa em modo protegido, com acesso total ao hardware e capacidade de executar qualquer instrução da máquina.

Exemplo: apenas o SO tem acesso direto ao disco, memória e dispositivos. Aplicativos precisam solicitar esse acesso ao SO.

Machado e Maia: O SO é uma aplicação capaz de executar de forma assíncrona, em vez de linear.

Exemplo: podemos ouvir música, baixar arquivos e usar antivírus ao mesmo tempo; se fosse síncrono, só rodaria uma tarefa por vez.

1.2 Funções

Abstração do hardware (máquina estendida / máquina abstrata):

O SO atua como interface entre usuário e computador.
Inicialmente, programadores precisavam conhecer linguagem de máquina e hardware em detalhes.
Atualmente, o SO esconde a complexidade, simplificando e tornando o uso mais seguro.

Compartilhamento de recursos:

O SO gerencia recursos físicos (CPU, memória, disco, dispositivos) e lógicos de forma organizada e protegida. - Exemplo multiusuário: o SO organiza impressões de vários usuários em uma mesma impressora. - Exemplo monousuário: em um laptop, o SO organiza múltiplas tarefas simultaneamente.

Responsabilidades do SO:

Gerenciar dispositivos (HD, memória, CPU, periféricos);
Controlar operações de leitura/escrita;
Transferir dados entre hardware e memória;
Informar programas sobre conclusões de operações;
Definir quem pode acessar quais recursos.

3. Classificação dos Sistemas Operacionais

3.1 Monoprogramáveis / Monotarefa

Primeiros a surgir.
Executam apenas uma aplicação por vez.
Todos os recursos são dedicados a uma única tarefa.

3.2 Multiprogramáveis

Permitem que múltiplos programas compartilhem recursos.
Enquanto um programa espera por E/S, outro pode usar o processador.
Implementação mais complexa.

3.2.1 Classificação por número de usuários:

Monousuário
Multiusuário

3.2.2 Classificação pela forma de gerenciamento:

Batch (em lote):

Programas armazenados e processados em lotes, sem interação do usuário.
Exemplo: geração de boletos de clientes.

Tempo compartilhado:

Divisão do tempo do processador em fatias (time-slice).
Usuários interagem diretamente com o SO.
Alternância rápida → aparência de simultaneidade.
Exemplo: celular executando vários aplicativos.

Tempo real:

Cumprimento rígido de prazos temporais.
Pontualidade > desempenho.
Exemplo: controle de tráfego aéreo, airbags, indústria automobilística.

3.3 Sistemas com Múltiplos Processadores

Dois ou mais processadores trabalhando em conjunto.
Vários programas executados em paralelo.
Maior desempenho, escalabilidade e disponibilidade.

Tipos:

Fortemente acoplados: memória compartilhada.
Fracamente acoplados: memórias independentes.

4. Sistemas Operacionais Usuais

4.1 Computadores Pessoais

Desktop, notebooks.
Exemplo: Windows 10, Ubuntu, Fedora.

4.2 Servidores

Objetivo: atender vários usuários simultaneamente.
Serviços: web, e-mail, autenticação.
Exemplo: Windows Server 2008, CentOS, Red Hat.

4.3 Embarcados

Equipamentos que não aparentam ser computadores.
Exemplo: Android, iOS, sistemas embarcados de TVs, micro-ondas, carros.

5. Estrutura dos Sistemas Operacionais

5.1 Básico

O núcleo (kernel) é responsável por oferecer serviços essenciais.
Comunicação com o núcleo:
Chamadas de sistema (system calls): exemplo, criar/escrever arquivos.
Utilitários: interfaces gráficas (gerenciador de arquivos, tarefas).
Linguagem de comando: terminal (prompt de comando, shell).

5.2 Funções do Núcleo

Tratamento de interrupções e exceções.
Criação e eliminação de processos e threads.
Comunicação e sincronização entre processos.
Escalonamento de tarefas.
Gerência de memória e arquivos.
Controle de dispositivos de E/S.
Suporte a redes locais e distribuídas.
Contabilização e auditoria de recursos.

5.3 Modo de Acesso

Modo Usuário: execução de instruções não privilegiadas.
Modo Kernel: acesso total às instruções e recursos.

5.4 System Calls

Permitem que aplicações solicitem serviços privilegiados do SO.
Executadas em modo kernel.
O processador alterna entre modo usuário ↔ modo kernel durante chamadas.

5.5 Arquiteturas do Núcleo

5.5.1 Monolíticos

Núcleo único formado por módulos compilados em um único programa.
Apenas o SO roda em modo protegido.
Vantagem: melhor tempo de resposta.
Desvantagem: difícil manutenção.
Exemplo: Linux.

5.5.2 Em Camadas

Dividido em camadas sobrepostas.
Cada camada acessa apenas a imediatamente inferior.
Vantagens: isolamento, proteção.
Desvantagens: menor desempenho, mais trocas de modo.
Exemplos: THE, MULTICS.

5.5.3 Máquinas Virtuais

Camada intermediária que cria máquinas virtuais independentes.
Cada VM possui cópia virtual configurável do hardware.
Vantagens: isolamento, consolidação de servidores, testes.
Exemplo: VMware ESX, VirtualBox.

5.5.4 Microkernel

Modelo cliente-servidor.
Núcleo mínimo: gerencia processos, memória básica, IPC e interrupções.
Serviços do SO implementados em nível usuário.
Vantagens: estabilidade, segurança.
Desvantagens: implementação complexa, menor desempenho.

5.5.5 Exokernel

Núcleo mínimo que apenas gerencia recursos básicos (CPU, memória, disco).
Aplicações acessam diretamente o hardware.
Vantagens: alta performance, customização.
Desvantagens: complexidade de uso.

5.5.6 Contêineres

Alternativa às máquinas virtuais.
Não emulam hardware nem rodam um SO completo.
Compartilham o mesmo kernel, mas têm bibliotecas isoladas.
Exemplo: Docker.

6. Considerações Finais

O Sistema Operacional é essencial para abstrair, organizar e proteger recursos.
Diferentes arquiteturas e classificações atendem a necessidades distintas (tempo real, multiprogramação, servidores, embarcados).
Evoluções recentes como máquinas virtuais e contêineres expandem seu papel para ambientes de nuvem e escalabilidade.