Tipos de Sistemas Operacionais

Conteúdo integrante da disciplina de Sistemas Operacionais

Visão Geral

Máquina de Níveis

Introdução

• Evolução dos Sistemas Operacionais -> Hardware
• Programa e Job X Processo e Subprocesso X Tarefa e Thread.
• Tipos de Sistemas Operacionais
  • Monoprogramáveis / Monotarefa
  • Multiprogramáveis / Multitarefa
  • Multiplos Processadores

Sistemas Monoprogramáveis / Monotarefa

• Execução de um único programa (JOB).
• Relacionados ao surgimento dos mainframes -> PCs, estaçoes de trabalho
• Todos recursos do sistema ligados a apenas uma tarefa

Sistemas Multiprogramáveis / Multitarefa

• Mais complexos e eficientes que os monoprogramáveis.
• Vários programas dividem os mesmos recursos.
• Sistema Operacional gerencia o acesso concorrente aos recursos e dispositivos.
• Aumento de produtividade
• Mais de um usuário pode interagir com o sistema.
• Sistemas Monousuários X Multiusuários

Tipos de Sistemas Multiprogramáveis

• Sistemas Batch X Tempo Compartilhado X Tempo Real

Sistemas Batch (LOTE)

• Execução Sequencial.
• Os JOBS não exigem interação com o usuário, como compilação, sorts, backups.

Sistemas de Tempo Compartilhado (Sistemas OnLine)

• Interação usuário – Vídeo, Teclado, Mouse, etc.
• Usuário comunica direto com o Sistema Operacional.
• Cada usuário possue fatias de tempo dos recursos, aparentando estarem dedicados.

Sistemas de Tempo Real

• Tempos de respostas devem estar dentro de limites rígidos.
• Recursos dedicado ao Programa de maior prioridade, controlado pela própria aplicação.

Sistemas com Múltiplos Processadores

• Uma ou mais CPUs interligadas, trabalhando em conjunto.
• Fator Chave = Comunicação entre CPUs e grau de compartilhamento dos recursos.
• Sistemas Fortemente Acoplados X Fracamente Acoplados

Sistemas Fortemente Acoplados

• Vários processadores compartilhando única memória e apenas um Sistema Operacional
• Vários programas podem ser executados ao mesmo tempo
• Um programa pode ser dividido em subprogramas.
• Ampliação da capacidade, adquirindo apenas novos processadores, menos custos.

Com Memória Compartilhada

Com Memória Independente

Sistemas Assimétricos

• Um processador primário responsável pelos demais e pelo Sistema Operacional
• Outros processadores são secundários e executam programas de usuários
• Se o processador primário falhar, o sistema para.
• O Sistema pode ser reconfigurado para outro processador assumir
• Utilização ineficiente do Hardware devido a assimetria dos processadores, que não realizam as mesmas funções.

Sistemas Simétricos

• Todos processadores têm as mesmas funções.
• Podem executar o Sistema Operacional Independentemente.
• Sistema Operacional e Hardware responsáveis pela distribuição dos recursos.
• Se o sistema falha, o sistema continua rodando.
• Mais poderosos que o s assimétricos, melhor balanceamento do processamento e das operações de I/O.
• Implementação bastante complexa.

Multiprocessamento

• Uma tarefa pode ser dividida e executada, ao mesmo tempo, por mais de um processador.
• Processamento Vetorial
  • Permite manipulação de vetores inteiros
  • Exemplo “c = a + b” substitui ”para i=1 até 100 fazer c[i] = a[i] + b[i]”
  • Possui também um processador escalar
  • Identifica o tipo de instrução e envia ao processador adequado
• Processamento Paralelo
  • Aplicação pode ser executada por mais de um processador
  • A aplicação precisa ser dividida em partes independentes

Sistemas Fracamente Acoplados

• Possui dois ou mais sistemas de computação interligados
• Cada nó possui seu sistema operacional gerenciando os recursos.

Sistemas Operacionais de Rede

• Cada nó possui
  • seu próprio Sistema Operacional, podendo eles serem diferentes
  • conexão à outros nós
  • recursos de hardware compartilhados
  • total independência dos outros
• Caso algum nó caia, o sistema pode continuar rodando apesar de alguns recursos indisponíveis
• Exemplo : Local Area Network (LAN).

Sistemas Operacionais Distribuídos

• Cada nó possui
  • Seu próprio Sistema Operacional que devem ser todos iguais.
  • Recursos de hardware
  • Possui um relacionamento mais forte entre seus componentes.
• Para o usuário é como se não existisse uma rede de computadores, mas apenas um único sistema centralizado.
• Vantagem da possibilidade do balanceamento da carga (processador mais ocioso é escolhido).
• Exemplo de SO distribuído: Amoeba

Clusters

• Num cluster, qualquer usuário conectado ao mesmo poderá Ter acesso aos dispositivos compartilhados, independente de que sistema ele está rodando a aplicação.
• Permite que a aplicação seja dividida em diferentes partes, podendo cada uma ser processada em um sistema independente (aplicação distribuída).
• Possui a vantagem da redundância, se ocorrer algum problema com algum componente outro assume o papel do defeituoso.

• Conjunto de estações de trabalho ou PCs
• Interconexão: redes locais
• Nós: elementos de processamento = processador + memória
• Não existe um escalonador centralizado
• Redes de interconexão tendem a ser mais lentas do que sistemas fortemente acoplados
• Cada nó tem seu próprio escalonador local
• Compartilhamento de recursos sem partição dedicada a uma aplicação
• Aplicação deve considerar impacto no desempenho
• Não tem o sistema dedicado
• Possibilidade de compor um sistema de alto desempenho e um baixo custo

Cluster Beowulf

Beowulf é um poema épico, escrito em língua anglo-saxã, por autor desconhecido, possivelmente no século VIII, cujo único manuscrito existente está datado para ca. 1 000. Escrito em 3 182 linhas, com o emprego de aliteração, é o poema mais longo do pequeno conjunto da literatura anglo-saxã, e um marco da literatura medieval. Aborda eventuais acontecimentos e personagens da Dinamarca, e em menor grau do sul da Suécia, no século VI, tendo como figura central o lendário Beowulf.

Beowulf é um projeto para aglomerados de computadores (ou Clusters) para computação paralela, usando computadores pessoais, não especializados e portanto mais baratos. O projeto foi criado por Donald Becker da NASA, e são utilizados em todo mundo, por exemplo no processamento de dados com finalidade científica e na renderizacão de filmes de animação 3D.

Site: https://www.beowulf.org/

O objetivo era construir um cluster "poderoso" e, ao mesmo tempo, poupar gastos com equipamentos, licenças de software e manutenção. O cluster montado por Thomas Sterling e Donald Becker para a NASA, por exemplo, era composto por 16 PCs com processador Intel 486 DX4 e sistema operacional Linux conectados por uma rede Ethernet de 10 Mb/s. Esta foi uma solução consideravelmente mais barata e, possivelmente, menos complexa que um supercomputador.

Um cluster Beowulf se define, basicamente, pela ênfase nas seguintes características

• entre os nós, deve haver pelo menos um que atue como mestre para exercer o controle dos demais. As máquinas mestres são chamadas de front-end; as demais, de back-end. Há a possibilidade de existir mais de um nó no front-end para que cada um realize tarefas específicas, como monitoramento, por exemplo;
• a comunicação entre os nós pode ser feita por redes do tipo Ethernet, mais comuns e mais baratas;
• não é necessário o uso de hardware exigente, nem específico. A ideia é a de se aproveitar componentes que possam ser encontrados facilmente. Até mesmo PCs considerados obsoletos podem ser utilizá-los;
• o sistema operacional deve ser de código aberto, razão pela qual o Linux e outras variações do Unix são bastante utilizados em cluster Beowulf;
• os nós devem se dedicar exclusivamente ao cluster;
• deve-se fazer uso de uma biblioteca de comunicação apropriada, como a PVM (Parallel Virtual Machine) ou a MPI (Message Passing Interface). Ambas são direcionadas à troca de mensagens entre os nós, mas o MPI pode ser considerado mais avançado que o PVM, uma vez que consegue trabalhar com comunicação para todos os computadores ou para apenas um determinado grupo.

Grids: Grades Computacionais

Set@Home

• Projeto para procura de vida Extra-terrestre
• Radiotelescópio de Arecibo
• Artigo: SETI@home: An Experiment in Public-Resource Computing in ACM, Vol. 45 No. 11, November 2002, pp. 56-61

Grids

• Utilização de computadores independentes geograficamente distantes
• Diferenças: clusters X grades
  • heterogeneidade de recursos
  • alta dispersão geográfica (escala mundial)
  • múltiplos domínios administrativos
  • controle totalmente distribuído
  • controlados por diferentes entidades e diversos domínios administrativos
• Vários projetos tem proposto o desenvolvimento de middlewares de gerenciamento
  • camada entre a infra-estrutura e as aplicações a serem executadas na grade computacional
• Aplicação deve estar preparada para:
  • Dinamismo
  • Variedade de plataformas
  • Tolerar falhas

Sobre a utilização de Grids

• Sistema não dedicado e diferentes plataformas
• Usuários da grids devem obter autorização e certificação para acesso aos recursos disponíveis na grade computacional
• Falhas nos recursos tanto de processamento como comunicação são mais freqüentes que as outras plataformas paralelas
• Mecanismos de tolerância a falhas devem tornar essas flutuações do ambiente transparente ao usuário
• Deve haver gerenciamento da execução da aplicação através de políticas de escalonamento da aplicação ou balanceamento de carga
• Deve ser feito escalonamento durante a execução da aplicação se faz necessário devido as variações de carga dos recursos da grade

Lista de Exercícios

Formulário

1. A que se deve a evolução dos Sistemas Operacionais? Exemplifique e comente.
2. O que são Sistemas "Monoprogramáveis/monotarefa? Comente suas principais características.
3. O que são Sistemas Multiprogramáveis/multitarefa? Comente suas principais características.
4. Comente sobre as diferenças entre Sistemas Batch, Sistemas de tempo ompartilhado e Sistemas de tempo real.
5. Caracterize os sistemas com Multiplos Processadores.
6. Diferencie Sistemas Fortemente Acoplados de Sistemas Fracamente coplados. Cite e comente que tipos de aplicações podem melhor se adequar à cada um deles.
7. Caracterize e faça comentários sobre Sistemas Simétricos, Assimétricos e com Multiprocessamento.
8. O que são Sistemas Operacionais de Rede? Cite e comente suas características básicas.
9. O que são Sistemas Operacionais Distribuídos? Cite e comente suas características básicas.
10. Descreva os clustes, pesquise e apresente aplicações que utilizam clusters.
11. Descreva com suas palavras o cluster beowulf e as caracteristicas que deve ter.
12. O que são grids computacionais, mostre problemas que foram resolvidos com grids e descreva-os.