O sistema operacional é dividido em dois modos básicos, sendo estes o modo Kernel e o modo Usuário. Esta divisão permite que os aplicativos sejam executados com segurança.

Em uma divisão de camadas do sistema em auto-nível seria uma sequência como:

• Usuário
• Aplicativo
• Kernel
• Hardware

Modos de acesso

Os modos de acesso, referem-se aos privilégios de execução de um processo.

modo usuário

O processador, entende um conjunto de instruções. Cada instrução pode fica no modo Kernel ou no modo Usuário. Do lado do aplicativo, é possível apenas trabalhar com o conjunto de instruções que está do modo usuário.

modo Kernel

O modo Kernel, é composto pelo modo usuário e também por outro conjunto de comandos que são restritos apenas ao uso interno. Os processos, quando são executados, consultam o Kernel e verificam se o comando pertence ao modo usuário e não tem privilégios, comparado a um estagiário.

A linguagem de programação Assembly, é a linguagem que interpreta uma série de comandos e envia os comandos para o processador.

As rotinas do sistema operacional, podem fazer chamadas a respeito de x comandos.

Veja como é a definição do kernel do linux.

Questões sobre a arquitetura do Sistema Operacional

1. o que é um núcleo do sistema e quais são suas principais funções?

O núcleo do sistema é composto por um conjunto de rotinas, que estão disponíveis para ser usado pelo usuário e às suas aplicações. este núcleo, também recebe um outro nome: kernel, e as suas principais funções são:

• tratamento de interrupções e excessões
• criação e eliminação de processos e threads
• sincronização e comunicação entre processos e threads
• escalonamento e controle dos processos e threads
• gerência de memória
• gerência do sistema de arquivos
• gerência de dispositíivos de e/s
• suporte a redes locais e distribuídas
• contabilização do uso do sistema
• auditoria e segurança

2. o que são instrucões privilegiadas e não privilegiadas? qual a relação entre as instruções e seus modos de acesso?

O processador se comunica com o sistema operacional através de funções, que podem ser executadas básicamente em dois modos: kernel e usuário.

O modo kernel é conhecido como privilegiado por ter acesso completo ao computador, a todas as partes do hardware. Já o modo usuário, que limita as ações para garantir a segurança e não comprometer nenhuma parte do próprio sistema. neste modo, é mais difícil de um aplicativo violar a privacidade de outro.

Este mecanismo, garante que nenhuma parte da memória será violada por outro aplicativo.

3. como se faz uso deste mecanismo

O processador executa todas as operações em modo kernel, mas para isso, é necessário que as rotinas enviadas em modo usuário sejam carregadas e validadas e consideradas seguras. se algum dos passos falhar, o sistema envia uma excessão e nega a execução da operação.

Por exemplo, se desejo salvar um arquivo, uso uma linguagem de alto-nível como java, ruby e mando salvar, o sistema, em modo usuário tenta salvar, se o arquivo comprometer a integridade do so de alguma forma, então o sistema lançara uma excessão, e não permitirá a alteração. A linguagem que programou esta execução também receberá uma excessão mapeada para linguagem, que é resultado da excessão lançada pelo modo kernel.

Desta forma, foi enviado um comando do modo usuário, passado para o kernel, o qual se recusa a executar, e responde para a linguagem que deve tratar o erro.

As chamadas ao sistema são chamadas de “system calls” ou seja, chamada ao sistema.

4. como o kernel do sistema operacional pode ser protegido pelos mecanismos e modos de acesso?

Através do modo usuário. Neste modo, todos os comandos não privilegiados podem ser executados. Todos os aplicativos são executados no modo usuário, e enviam as instruções para o modo kernel que avaliam a segurança e garantia da execução protegida de cada “system call”.

Este forma de chamadas identifica se o aplicativo possúi permissão para executar o comando.

5. por que as rotinas do sistema operacional possuem instruções privilegiadas?

Como é o sistema operacional que controla tudo, apenas ele tem o poder de dizer o que está certo ou errado. Assim ele mesmo é responsável por qualquer situação de risco para o hardware ou software. Usar o modo kernel, o sistema pode administrar a memória de forma transparente, e também deve saber a hora de cada evento acontecer. No modo kernel, ações delicadas são realizadas e é seguro ao máximo para não falhar.

para gerenciar uma memória, liberar o espaço de memória utilizado por um aplicativo, não deve ser uma tarefa realizada pela programação do programador, mas sim pela observação do sistema operacional. operações deste tipo, são delicadas e devem ser executadas com segurança. para evitar erros e intenções maliciosas, apenas o sistema operacional consegue fazer isso, e só realmente faz se estiver seguro.

6. o que é uma system calll e qual a sua importância para a segurança do sistema?

system call é uma chamada do sistema, como sua própria tradução indica. em uma chamada ao sistema, o sistema operacional recebe um comando e possíveis parâmetros. como resposta, recebe um outro código, que pode indicar sucesso, falha ou até mesmo o resultado do próprio comando.

no processo de receber o comando, o sistema identifica o aplicativo que fez a chamada e verifica a sua permissão para execução do comando. dada a permissão executa e retorna o resultado.

7. quais das instruções abaixo devem ser executadas apenas no modo kernel?

• desabilitar todas as interrupções
• alterar a data e hora do sistema
• realizar um desvio para uma instrução dentro do programa e acessar diretamente posições do disco

8. pesquise comandos disponíveis em linguagens de controle do sistema operacional.

unix

• ps: lista processos do sistema operacional
• ls: lista conteúdos e diretórios
• rm: remove algum arquivo, passando o parâmetro -r é possível remover um diretório
• cat: concatena e imprime arquivos
• >: aponta a saída de um programa para outro dispositivo ou arquivo
• |: concatena um comando a outro
• touch: altera a data de modificação de um arquivo

ms-dos

• md: cria uma pasta
• del: remove algum arquivo

Um pouco mais sobre comandos

Sou um fã de comandos interativos. Eles são eficientes e auxiliam muito no desenvolvimento de software. Porém a interface de comandos com o linux é muito mais fácil e compreensível que o cmd default do windows. Para estudar e conhecer mais os comandos no linux, existe um comando chamando “man” que abre o manual de um determinado comando. Por exemplo: “man ls” vai abrir a especificação do funcionamento do comando “ls”.

9. explique o processo de ativação do sistema operacional:

Quando o computador é ligado, não existe nada na memória, então o primeiro programa a ser chamado, é chamado boot, que fica gravado na memória rom.

Este programa chama um programa que testa a existência dos recursos mínimos para inicializar o sistema e se comunicar com o hardware. este sistema se chama post (power on self test), que identifica possíveis erros do hardware, como falta de memória, teclado etc. Se tudo estiver ok, é verificado a existência de algum sistema operacional instalado em algum dispositivo. Quando encontrado ele chama procura por um espaço chamado boot sector, que contém as informações iniciais para carregar o sistema operacional na memória.

compare as arquiteturas monolítica e de camadas. quais as vantagens e desvantagens?

A primeira, é composta por módulos que se comunicam livremente e a segunda é arquitetada em camadas, classificando as funções em cada uma destas camadas.

A arquitetura monolítica funcionou muito bem até o sistema operacional se tornar complexo. Como foi evoluindo muito rápido, também se tornou complexo e de difícil manutenção.

Em 1968 foi programado o primeiro sistema operacional em camadas implementando este conceito. E como vantagem, este sistema consegue isolar as funções do sistema operacional e cria uma hierarquia dos modos de acesso. isso é segurança.

quais as vantagens do modelo de máquina virtual?

Permite executar uma instrução sobre um computador virtual, desta forma não prejudica o hardware real. Sendo que uma computador real pode conter várias máquinas virtuais, qualquer comando não prejudica as outras máquinas virtuais, apenas a que está em execução.

como funciona o modelo cliente-servidor na arquitetura micro-kernel? quais as vantagens e desvantagens?

Funciona como um sistema de chamadas cliente-servidor. o cliente, que pode ser um usuário ou recurso do sistema, faz uma chamada e o sistema verifica a possibilidade de execução ou não do comando.

Como vantagem, o sistema desabilita e recusa as chamadas comprometedoras e disponibiliza mais recursos para as que possuem.

Como desvantagem, o sistema têm problemas com acesso a certas partes diretas do hardware, que seriam necessárias.

Por que a programação orientada a objetos é o caminho natural para o projeto de sistemas operacionais?

A programação orientada a objetos (OOP) é considerada um caminho natural para o projeto de sistemas operacionais devido às suas características e benefícios. Embora nem todos os sistemas operacionais modernos sejam projetados inteiramente com base na OOP, muitos incorporam alguns de seus princípios. Aqui estão algumas razões pelas quais a OOP é considerada adequada para o projeto de sistemas operacionais:

• Modularidade: A OOP permite projetar sistemas complexos de maneira modular, dividindo-os em componentes menores e mais gerenciáveis, chamados de objetos. Isso facilita o desenvolvimento, a manutenção e a evolução do sistema operacional, já que as mudanças em um objeto têm menos probabilidade de afetar outros objetos.
• Abstração: A OOP permite a criação de abstrações em diferentes níveis, o que ajuda a simplificar a complexidade do sistema operacional. Por exemplo, um sistema operacional pode ter uma classe abstrata “Arquivo”, que pode ser estendida por diferentes tipos de arquivos, como texto, imagem ou vídeo, simplificando a interação do usuário com diferentes tipos de arquivos.
• Encapsulamento: O encapsulamento permite agrupar dados e comportamentos relacionados em um único objeto, protegendo a integridade dos dados e restringindo o acesso a partes específicas do objeto. Isso ajuda a criar uma camada de proteção entre diferentes componentes do sistema operacional e minimiza o acoplamento entre eles.
• Herança: A herança permite a reutilização de código e a criação de hierarquias de classes, facilitando a extensão e a manutenção do sistema operacional. Isso também ajuda a manter a consistência e a padronização em todo o sistema.
• Polimorfismo: O polimorfismo permite que objetos de diferentes classes sejam tratados como objetos de uma classe comum. Isso simplifica a interação entre diferentes componentes do sistema operacional e permite que os desenvolvedores criem novas funcionalidades com facilidade.
• Reutilização de código: A OOP promove a reutilização de código, o que ajuda a reduzir a quantidade de código duplicado e a melhorar a eficiência do desenvolvimento. Isso é especialmente útil em um sistema operacional, onde a consistência e a eficiência são cruciais.

Apesar dessas vantagens, vale ressaltar que a OOP não é a única abordagem para projetar sistemas operacionais, e outras abordagens, como a programação procedural ou a programação orientada a eventos, também podem ser utilizadas em diferentes contextos. A escolha da abordagem depende das necessidades específicas do projeto e das preferências dos desenvolvedores envolvidos.