Sistemas de Tempo Real

Definição e Aplicações

• Tempo Crítico

  Responde a eventos dentro de um limite de tempo específico.

• Aplicações

  Controladores industriais, sistemas de navegação, dispositivos médicos.

• Segurança

  Falhas podem ter concequências graves e até fatais.

• Exemplos

  sistemas de controle de tráfego aéreo, carros autônomos, robôs industriais.

Características e Serviços

• Capacidade

  Alto desempenho e capacidade de armazenamento

  Gerenciam grandes capacidades de dados

• Disponibilidade

  Operam continuamente com alta confiabilidade

  Minimização de interrupções e falhas

• Escalabilidade

  Capacidade de expanção para atender demandas crescentes

  Adaptação a diferentes necessidades e tamanhos

Execução de tarefas em tempo compartilhado

• Multiprogramação

  Múltiplas tarefas compartilham os recursos do sistema.

• Escalonamento

  Alocação de tempo de CPU para cada tarefa.

• Comunicação

  Mecanismos para troca de informações entre tarefas.

Alguns serviços oferecidos pelos sistemas operacionais de computadores de grande porte

• Sistemas em lote

  O sistema em lote (batch) processa tarefas de rotina sem a presença interativa do usuário. Por exemplo: processamento de apólices de companhia de seguro; relatório de vendas de uma cadeia de lojas.

• Sistemas de processamento de transações

  Os sistemas de processamento de transações administram grandes quantidades de pequenas requisições. Cada unidade de trabalho é pequena, mas o sistema precisa tratar centenas ou milhares delas por segundo.

  Por exemplo: processamento de verificações em um banco ou em reservas de passagens aéreas.

• Sistemas de tempo compartilhado

  Os sistemas de tempo compartilhado permitem que múltiplos usuários remotos executem suas tarefas simultaneamente no computador. Por exemplo: realização de consultas a um banco de dados.

Os sistemas operacionais variam quanto aos tipos de licenças, ou seja, o conjunto de ações que o usuário do SO pode ou não fazer. Vamos conhecer a seguir alguns tipos:

• Software Proprietário

  • Licenciado sob direitos legais exclusivos – copyright.
  • Usualmente o código-fonte total ou parcial não é disponibilizado para modificação por qualquer pessoa, apenas a fabricante possui o acesso.

• Software livre (Free software)

  Software livre se refere à liberdade dos usuários executarem, copiarem, distribuírem, estudarem, modificarem e aperfeiçoarem o software.

  Por exemplo, a licença GNU da Free Software Foundation (FSF) possui as seguintes liberdades:

  • Liberdade nº 0: Executar o programa, para qualquer propósito.
  • Liberdade nº 1: Liberdade de estudar como o programa funciona, e adaptá-lo para as suas necessidades. Acesso ao código-fonte é um pré-requisito para esta liberdade.
  • Liberdade nº 2: Liberdade de redistribuir cópias de modo que você possa ajudar ao seu próximo.
  • Liberdade nº 3: Liberdade de aperfeiçoar o programa e liberar os seus aperfeiçoamentos, de modo que toda a comunidade se beneficie. Acesso ao código-fonte é um pré-requisito para esta liberdade.

• Software de código aberto (Open source)

  O código-fonte é disponibilizado por meio de uma licença de código aberto para modificação ou melhoria por qualquer pessoa. O termo "código aberto" foi criado pela OSI (Open Source Initiative).

  O software de código aberto difere-se de um software livre por não respeitar as 4 liberdades definidas pela Free Software Foundation (FSF), compartilhadas também pelo projeto Debian em "Debian Free Software Guidelines (DFSG)". Vale ressaltar que qualquer licença de software livre é também uma licença de código aberto (Open Source), mas o contrário nem sempre é verdade.

  São exemplos de licenças de código aberto:

  • Apache License.
  • MIT License.
  • Mozilla Public License.
  • Common Development and Distribution License.
  • Eclipse Public License.

Componetes Principais do sistema operacional

• Kernel

  Núcleo do sistema operacional

• Gerenciador de arquivos

  Organiza e gerencia arquivos do sistema

• Interface de usuário

  Permite a interação com o sistema operacional

• Utilitários

  Ferramentas para gereniamento e manutenção do sistema

O Kernel: Definição e Funcionalidades

Parte central do sistema operacional, responsável por gerenciar o hardware e recursos.

• Gerenciamento de processos

  Cria, executa e encerra processos

• Gerenciamento de memória

  Aloca e dasaloca memória para processos

• Gerenciamento de dispositivos

  Controla acesso a dispositivos de hardware

• Gerenciamento de arquivos

  Controla acesso e organização de arquivos

System Calls: Conceito e importância

Interface entre processos de usuário e o kernel.

• Processo de usuário

  Solicita serviços do kernel

• Kernel

  Fornece serviços ao processo de usuário.

• System Calls

  Meio de comunicação entre kernel e processos.

Tratamento de interrupções pelo kernel

O kernel responde a eventos inesperados, como interrupções de hardware

• Evento

  Interrução de hardware, como precionar uma tecla.

• Processamento

  O kernel interrompe a execução atual e processa a interrupção.

• Retorno

  O kernel retorna a execução anterior

Gerência de memória pelo kernel

O kernel gerencia a alocação e o uso da memória RAM.

• Alocação

  Aloca memória para processos.

• Desalcação

  Libera memória quando processos terminam.

• Gerenciamento de páginas

  Organiza a memória em páginas para acesso eficiente.

Suporte a rede pelo kernel

O kernel gerencia a comunicação de rede entre dispositivos.

• Roteamento

  Encaminha pacotes de rede para dispositivos específicos.

• Gerenciamento de interfaces

  Controla as intefaces de rede, como Ethernet e Wi-Fi.

• Protocolos de Comunicação

  Implementa protocolos de comunicação, como TCP/IP.

O sistema operacional funciona com algumas particularidades quanto à execução das rotinas:

• - Tarefas não sequenciais, ou seja, as rotinas são executadas concorrentemente.
• - Sem ordem predefinida.
• - Eventos assíncronos.
• - Eventos relacionados ao hardware e eventos relacionados às tarefas internas do próprio SO.

Já o núcleo do SO deve atuar considerando essas particularidades, e para isso implementa funções como:

• - Tratamento de interrupções e exceções.
• - Criação e eliminação de processos e threads.
• - Sincronização e comunicação entre processos e threads.
• - Escalonamento e controle de processos e threads.
• - Gerência de memória.
• - Gerência do sistema de arquivos.
• - Gerência dos dispositivos de E/S.
• - Suporte a redes locais e distribuídas.
• - Contabilização do uso do sistema.
• - Auditoria e segurança do sistema.

A execução das rotinas no sistema operacional é controlada pelo mecanismo denominado system call ou chamada ao sistema, que é um mecanismo de proteção por software que garante a execução somente de rotinas previamente autorizadas.

Modo Kernel

O núcleo do sistema operacional, também conhecido como kernel, opera nesse modo. Ele tem acesso completo ao hardwaree aos recursos do sistema.

Modo Usuário

Aplicações e programas que você usa normalmente operam nesse modo. Eles tem acesso limitado, sendo impedidos de acessar diretamente o hardware para evitar erros ou acesso indevido.

Escalonamento de Processos e threds

Planejamento

O sistema operacional decide qual processo deve ser executado em determinad momento, distribuindo o tempo de processamento entre os processos.

Escalonamento

O sistema determina a ordem de execução dos processos, preiorizando processos importantes e garantindo que todos os procesos tenham oportunidade de executar.

Gerenciamento de Threds

O sistema gerencia a execução de threds dentro de um processo, permitindo que um processo execute váras tarefas simultaneamente.

Comunicação entre processos e sincronização

Mensagens

Processos podem se comunicar trocando mensagens, permitindo que eles compartilhem dados e coordenem suas ações.

Sincronização

O sistema fornece mecanismos para sincronizar o acesso a recursos compartilhados, evitando conflitos entre processos que acessam os mesmos dados.

Semáforos

Uma estrutura de dados que permite controlar o acesso a recursos compartilhados, garantindo que apenas um processo tenha acesso ao recurso por vez.

Mutex

Um mecanismo de exclusão mútua que permite que apenas um processo tenha acesso a um recurso compartilhado por vez, garantindo a integridade de dados.

Arquitetura Monolítica

Vantagens

Simples de implementar e depurar, com alta performace para tarefas de baixo nível, como gerenciamento de memória.

Desvantagens

Menos segurança, pois falhas em um módulo podem afetar todo o sistema. Dificuldade para adicionar novos recursos.

Arquitetura em Camadas

Estrutura em camadas

Organiza o kernel em camadas, com cada camada responsável por um conjunto expecífico de funções.

Segurança aprimorada

Falhas em uma camada geralmente não impactam em outras camadas, melhorando a segurança.

Modularidade

Facilidade para adicionar novos recursos, pois cada camada pode ser modificada independentemente.

Arquitetura de Máquina Virtual

Virtualização

Permite que um sistema operacional rode em cima de outro sistema operacional, em uma camada de abstração.

Flexibilidade

Facilita a utilização de vários sistemas operacionais em um único hardware.

Isolamento

Os sistemas operacionais virtualizados são separados entre si, aumentando a segurança.

Arquitetura de Microkernel

Kernel mínimo

Oferece apenas os serviços essenciais, como gerenciamento de processos e comunicação entre processos.

Serviços como processos

Outros serviços, como drivers de dispositivos e gerenciamento de arquivos, são executados como processos separados.

Segurança Aprimorada

Falhas em um serviço não afetam o microkernel, proporcionando maior segurança.

Arquitetura Exokernel

Menos Abstração

O exokernel oferece menos abstração que o microkernel, expondo o hardware diretamente aos aplicativos.

Controle direto

Os aplicativos tem controle direto aos recursos do hardware, permitindo otimizações e melhor desempenho.

Segurança e desempenho

A segurança depende da confiabilidade dos aplicativos, que tem controle direto sobre o hardware.

Estrutura hierárquica de Diretórios

Raiz

O ponto de partida da estrutura, representado pelo caractere "/".

Todos os outros diretórios são organizados em relação a raiz.

Diretórios principais

Diretórios como "/bin", "/etc", "/home", "/usr". São ramificações da raiz, cada um com suas funções específicas.

Subdiretórios

Dentro dos diretórios principais, você encontra sobdiretórios, que podem conter arquivos ou outros subdiretórios, criando uma estrutura complexa mais organizada.

Diretórios Importantes

/home

Armazena os dados dos usuários, como arquivos, configurações e programas instalados, cada usuário possúi um diretório exclusivo dentro de "/home".

/bin

Contém os comandos essenciais para o sistema, como "ls", "cp", "rm", etc. Esses comandos são acessíveis por todos os usuários.

/etc

Armazena os arquivos de configuração do sistema, como configurações de rede, serviços e permissões. Alterações neste diretório exige cuidado.

/VAR

Armazenam arquivos que variam durante o uso do sistema, como logs, caches, arquivos temporários e bancos de dados.

cls : Limpa a tela

Para parar um programas temos as opções:

• Ctrl+c
• Ctrl+d
• Shift+z

sudo: Para executar um comando em modo super usuário

sudo apt install python3: Instala o Python 3

ls -lah: Lista os arquivos, "l" com detalhes, "a" com arquivos ocultos e "h" com as permições.

pwd: Mostra o diretório atual.

Comandos básicos para uso via terminal

• pwd → Mostra o diretório no qual o usuário está no momento.

• sudo "comando" → Permite que o usuário execute comandos como ‘root’, sem ter que usar a conta de ‘root’.

• su → Permite que o usuário entre no modo Super Usuário. Aconselha-se usar esse comando somente quando for necessário, não sendo aconselhado usar o modo super usuário para executar suas ações de rotina. Configure primeiramente usando o comando sudo passwd para poder usar o comando su. A linha de comandos, então, ficará da seguinte maneira:

root@teste-VirtualBox:/#

root: Usuário ‘root’

teste-VirtualBox: Nome da máquina

/#: Usuário que possui nível de acesso privilegiado a partir da raiz do sistema Depois que tiver realizado o procedimento que demandou o uso da conta ‘root’, volte para o usuário padrão digitando exit.

• cd [opções] "caminho" → Navega entre as pastas do sistema.

o cd .. ➔ Acessa um diretório de nível acima do atual.

o cd / ➔ Vai para o diretório raiz.

o cd ~ ➔ Vai para o seu diretório pessoal.

o cd – ➔ Volta para o diretório no qual o usuário se encontrava antes de mudar.

• ls → Lista arquivos e diretórios. A opção –a mostra arquivos ocultos e a opção –l mostra mais informações (detalhes). Exemplo: “ls” ou “ls –l” ou “ls –a” ou “ls –la”

• Símbolo ~ → Representa o diretório pessoal (home) do usuário, também chamado de diretório de login.

• Exemplos:

o ~teste → Caminho para a pasta pessoal do usuário ‘teste’

• cd ~teste

o Acessa a pasta pessoal do usuário ‘usuário’.

• ls ~teste/documentos

o Lista os arquivos na pasta ‘documentos’, contida na pasta pessoal do usuário.

• cat → Exibe o conteúdo de um arquivo na tela do terminal. Exemplo: “cat /etc/resolv.conf”

• head [opção] → Exibe o conteúdo do início de um arquivo.

o -n → Exibe as n primeiras linhas

o Ex.: “head -3 /etc/hosts”

• tail → Exibe o conteúdo do final de um arquivo.

o -n → Exibe as n primeiras linhas

o Exemplo: “tail -3 /etc/hosts”

Limpa a tela do terminal.

• cp → Copia arquivos.

o Exemplo: “cp arquivo1 arquivo2”

▪ Observação: Origem e destino no mesmo diretório.

o Ex.: “cp arquivo1 /dir/arquivo2”

▪ Obs.: Destino em diretório diferente.

o Exemplo: “cp /dir/arquivo1 /dir/arquivo2”

▪ Observação: Origem e destino em diretórios diferentes.

• mv → Move arquivos.

o Exs.: “mv /home/teste/resolv.conf /tmp/”

o “mv /home/teste/resolv.conf /tmp/”

• rm → Remove arquivos/diretórios. Opção –rf remove de forma recursiva e forçada (muito cuidado ao usar, pois poderá apagar tudo acidentalmente).

o Exemplo: “rm /tmp/musica.mp3”

• mkdir → Cria um diretório.

o Exemplo: “mkdir /home/teste/musicas”

• rmdir → Remove um diretório, apenas se ele estiver vazio.

• Exemplo: “rmdir /home/teste/musicas”

• man "comando" → Exibe uma página de instruções para um comando ou arquivo de configuração.

• Exemplo: “man head”.

• exit ou logout → Sai da sessão atual, ou realiza o logout do usuário.

o Pode-se encerrar a sessão também com a combinação de teclas CTRL+D.

• reboot → Reinicia a máquina.

• poweroff ou halt → Desliga a máquina de forma segura.

• shutdown "opção" "quando" [Mensagem] → Reinicia ou desliga a máquina.

o Exemplo: ‘shutdown –h +5 “Aviso: Servidor desligando”’: O servidor desligará em 5 minutos e será enviada a mensagem aos demais usuários conectados.

o Lembre-se de usar “sudo”.

• date → Mostra a data e hora do sistema.

o Exemplo: “sudo date 082013502020”: Altera a data e hora para 13:50h de 20/08/2020.

• history → Exibe o histórico de comandos já digitados no terminal.

• touch "nome" → Cria o arquivo vazio. Se o arquivo já existe, sua hora é atualizada.

• apt → Gerenciador de pacotes do Ubuntu, evolução do Apt-Get.