Sistema operativo
Sistema operativo (português europeu) ou sistema operacional (português brasileiro) é um software que gerencia os recursos de um dispositivo, como a memória e o processamento, permite a execução de programas e aplicativos, define qual programa recebe atenção do processador, cria um sistema de arquivos, e fornece uma interface entre o computador e o usuário (português brasileiro) ou utilizador (português europeu). Embora possa ser executado imediatamente após a máquina ser ligada, a maioria dos computadores pessoais de hoje o executa através de outro programa armazenado em uma memória não-volátil ROM chamado BIOS num processo chamado "bootstrapping", conceito em inglês usado para designar processos autossustentáveis, ou seja, capazes de prosseguirem sem ajuda externa. Após executar testes e iniciar os componentes da máquina, o BIOS procura pelo sistema operacional em alguma unidade de armazenamento, geralmente o Disco Rígido, e a partir daí, o sistema operacional "toma" o controle da máquina. O sistema operacional reveza sua execução com a de outros programas, como se estivesse vigiando, controlando e orquestrando todo o processo computacional.
Na primeira geração (aproximadamente 1945-1955), os computadores eram tão grandes que ocupavam salas imensas, ou mesmo andares inteiros. Foram basicamente construídos com válvulas e painéis, e os sistemas operacionais "não existiam". Os programadores, que também eram os operadores, controlavam o computador por meio de chaves, fios e luzes de aviso. Nomes como Howard Aiken, John von Neumann, John Adam Presper Eckert Jr, William Mauchley e Konrad Zuse formaram, com suas contribuições, a base humana para o sucesso na construção dos computadores primitivos. Na geração seguinte (aproximadamente 1955-1965), foram criados os sistemas em lote (batch systems), que permitiram um melhor uso dos recursos computacionais. A base do sistema operacional era um programa monitor, usado para enfileirar tarefas (jobs). O usuário foi afastado do computador; cada programa era escrito em cartões perfurados, que por sua vez eram carregados, juntamente com o respectivo compilador (normalmente Fortran ou Cobol), por um operador, usando uma linguagem de controle chamada JCL (job control language).
Existem vários sistemas operativos; entre eles, os mais utilizados no dia a dia, normalmente utilizados em computadores domésticos, são o Windows, Linux e macOS. Um computador com o sistema operativo instalado poderá não dar acesso a todo o seu conteúdo dependendo do utilizador; isso, pois com um sistema operativo, podemos estabelecer permissões a vários utilizadores que trabalham com este. Para isso existem dois tipos de contas que podem ser criadas num sistema operativo, as contas de Administrador e as contas limitadas. A conta Administrador é uma conta que oferece todo o acesso à máquina, desde a gestão de pastas, ficheiros e software de trabalho ou entretenimento ao controle de todo o seu hardware instalado. A conta Limitada é uma conta que não tem permissões para aceder a algumas pastas ou instalar software que seja instalado na raiz do sistema ou então que tenha ligação com algum hardware que altere o seu funcionamento normal ou personalizado pelo Administrador. Para que este tipo de conta possa ter acesso a outros conteúdos do disco ou de software, o administrador poderá personalizar a conta oferecendo permissões a algumas funções do sistema como também poderá retirar acessos a certas áreas do sistema.
A estruturação em camadas é um modelo de sistema operacional que o divide em várias camadas sobrepostas. Cada camada proporciona um conjunto de funções que pode ser usado por outras camadas. Uma das maiores vantagens desse modelo de camadas é isolar o sistema operacional, facilitando sua alteração e depuração, além de criar uma hierarquia de níveis de modos, protegendo as camadas mais internas. O empilhamento de várias camadas de software faz com que cada pedido de uma aplicação demore mais tempo para chegar até o dispositivo periférico ou recurso a ser acessado, prejudicando o desempenho do sistema.
Um sistema operacional possui as seguintes funções:
Gerenciamento de processos
O sistema operacional multitarefa é preparado para dar ao usuário a ilusão que o número de processos em execução simultânea no computador é maior que o número de processadores instalados. Cada processo recebe uma fatia do tempo e a alternância entre vários processos é tão rápida que o usuário pensa que sua execução é simultânea. São utilizados algoritmos de escalonamento para determinar qual processo será executado em determinado momento e por quanto tempo. Os processos podem comunicar-se, isto é conhecido como IPC (Inter-Process Communication). Os mecanismos geralmente utilizados são: O sistema operacional, normalmente, deve possibilitar o multiprocessamento (SMP ou NUMA). Neste caso, processos diferentes e threads podem ser executados em diferentes processadores. Para essa tarefa, ele deve ser reentrante e interrompível, o que significa que pode ser interrompido no meio da execução de uma tarefa.
Gerenciamento de memória
O sistema operacional tem acesso completo à memória do sistema e deve permitir que os processos dos usuários tenham acesso seguro à memória quando o requisitam. Vários sistemas operacionais usam memória virtual, que possui 3 funções básicas: Dentro de gerenciamento de memória, pode não ser possível manter todos os processos em memória, muitas vezes por não existir memória suficiente para alocar aquele processo. Para solucionar esse problema existe um mecanismo chamado swapping, onde a gerência de memória reserva uma área do disco para o seu uso em determinadas situações, e um processo é completamente copiado da memória para o disco; este processo é retirado da fila do processador e mais tarde será novamente copiado para a memória; Então, o processo ficará ativo na fila novamente. O resultado desse revezamento no disco é que o sistema operacional consegue executar mais processos do que caberia em um mesmo instante na memória. Swapping impõe aos programas um grande custo em termos de tempo de execução, pois é necessário copiar todo o processo para o disco e mais tarde copiar novamente todo o processo para a memória. Em sistemas onde o usuário interage com o programa durante sua execução, o mecanismo de swapping é utilizado em último caso, quando não se é possível manter todos os processos na memória, visto que a queda no desempenho do sistema é imediatamente sentida pelo usuário.
Gerenciamento de recursos
Uma das tarefas com extrema importância atribuída ao sistema operacional é o gerenciamento de recursos, que tem a função de definir políticas para gerenciar o uso dos recursos de hardware pelos aplicativos, resolvendo disputas e conflitos. Vários programas de entrada de dados competem pela vez na CPU (Unidade Central de Processamento) e demandam memória, espaço em disco e largura. O sistema operacional tem a função de cuidar de cada aplicativo e para que os mesmos tenham recursos necessários para o melhor funcionamento e gerencia a capacidade limitada do sistema para que possa atender todas as necessidades de aplicativos e usuários.
Entrada e saída de dados
Sistemas operacionais controlam e gerenciam a entrada e saída (E/S) de dispositivos por três razões. Primeiro, porque a maioria do hardware do dispositivo utiliza uma interface de baixo nível, a interface do software é complexa. Em segundo lugar, porque um dispositivo é um recurso compartilhado, um sistema operacional fornece acesso de acordo com as políticas que tornam a partilha justa e segura. Em terceiro lugar, um sistema operacional define uma interface de alto nível que esconde detalhes e permite que um programador possa usar um conjunto coerente e uniforme das operações ao interagir com os dispositivos. O subsistema de E/S pode ser divididos em três peças conceituais:
Sistema de arquivos
A memória principal do computador é volátil, e seu tamanho é limitado pelo custo do hardware. Assim, os usuários necessitam de algum método para armazenar e recuperar informações de modo permanente. Um arquivo é um conjunto de bytes, normalmente armazenado em um dispositivo periférico não volátil (p.ex., disco), que pode ser lido e gravado por um ou mais processos.
Os sistemas operacionais fornecem abstração de hardware para que seus recursos possam ser usados de maneira correta e padronizada, mas para ser possível operar um computador, é necessário fornecer também uma interface para que o usuário possa desfrutar dos recursos do sistema. Atualmente (2009) as principais interfaces de uso são as seguintes:
Interface de terminal
A interface de terminal, também chamada de interface de linha de comando ou "CLI" (Command Line Interface) funciona exclusivamente com o teclado. Os comandos são digitados a partir de um prompt e são interpretados por um interpretador de comandos, conhecidos também por shells, bastante comuns em sistemas padrão POSIX. Um exemplo de interpretador de comandos seria o Bash. Usada geralmente por usuários avançados e em atividades específicas, como gerenciamento remoto, utiliza poucos recursos de hardware em comparação a interface gráfica.
Interface textual
Assim como a interface de terminal, a interface textual também é baseada em texto, porém também tem à disposição um ambiente de trabalho composto por menus, janelas e botões. Esse tipo de interface tinha um uso difundido em aplicações baseadas no MS-DOS, que, inclusive, nas versões mais recentes contava com um gerenciador de programas e arquivos baseados nesse tipo de interface (o DOS Shell). Essa interface é muito rara, praticamente restrita a sistemas implementados na década de 1980 e início da década de 1990. Esse ambiente ainda prescinde do uso mouse, embora seja possível usá-lo através do uso da biblioteca ncurses no desenvolvimento dos softwares.
Interface gráfica
Nesse tipo de interface, também chamada GUI (Graphic User Interface) além de menus, janelas e botões também existem figuras, tanto vetoriais quanto fotografias. O usuário interage com esse tipo de interface usando o mouse, podendo também usar o teclado e teclas de atalho, ou então usando toques e gestos em touchscreens. A interface gráfica permite atuar com algumas aplicações que seriam impossíveis através da linha de comando puramente, como edição de imagem e vídeo. Acrescentar facilidade de uso e agilidade é o objetivo da interface gráfica, tendo a desvantagem de consumir muito mais memória que interfaces de linha de comando. Ao contrário das interfaces textuais e de terminal, as interfaces gráficas dependem de um servidor gráfico para funcionar e se comunicar com o sistema, e no caso dos sistemas para desktops e laptops, inclui um gerenciador de janelas em muitos casos, para que seja possível usar mais de um aplicativo na mesma tela. Em sistemas padrão POSIX é comum existir mais de um ambiente gráfico para o mesmo sistema, podendo ser escolhido a critério do usuário.
Interface de voz
Interfaces de voz, ou VUI (Voice User Interface), são aquelas em que o usuário interage com o sistema por meio de comandos sonoros. Sendo de desenvolvimento relativamente recente, tem sua aplicação em dispositivos adaptados para cegos e recentemente têm aparecido também para uso geral em smartphones, tablets e desktops.
Imagem: Angel Chata · BY-SA · Openverse
Sistema Mono-programado
Também chamados como sistema mono-tarefa, o sistema operacional mono-programado possui apenas um processador, realiza alocação de memória para somente um processo e um usuário por vez. Apresenta também uma CPU ociosa durante E/S e sua implementação é feita de forma simples.
Sistema em Lote
O sistema em lote é também um sistema monoprocessado e utiliza a linguagem de Controle de Tarefas (JLC). Caracteriza-se por ter programas armazenados em disco ou fita, que uma vez iniciados, exigem pouca ou nenhuma interação do usuário, processando de forma sequencial e contínua até o fim do job, quando então é devolvido o resultado final do processamento.
Sistema multiprocessadores
Os sistemas multiprocessadores – dois ou mais processadores trabalhando juntos – podem ser divididos em duas partes: Dentro de sistemas fortemente acoplados – memória única compartilhada por dois ou mais processadores, tendo um mesmo sistema operacional gerenciando todos os processadores –, encontramos mais duas divisões: Dentro de sistemas fracamente acoplados – mais de dois sistemas operacionais que são ligados por canal de comunicação, tendo hardware e sistemas operacionais independentes – temos:
Sistema Multi-programado para Tempo Real
Os sistemas multi-programado para tempo real além de serem sistemas multiprogramados, possuem um tempo de resposta rígido e por isso são muito utilizados no controle de processos. Têm menos time-slice e mais prioridade, ademais, seus processos são ativados por sensores. A aplicação deste tipo de sistema está em máquinas de usinas, refinarias, tráfego aéreo, etc.
Imagem: Lady Madonna · BY-NC-ND · Openverse
Um sistema computacional moderno consiste em um ou mais processadores, memória principal, discos, impressoras, teclado, mouse (português brasileiro) ou rato (português europeu), monitor, interfaces de rede e outros dispositivos de entrada e saída. Os computadores têm um dispositivo de software denominado sistema operacional, cujo trabalho é fornecer aos programas do usuário um modelo de computador melhor, mais simples e mais limpo e lidar com o gerenciamento de todos os recursos mencionados. Um dos conceitos mais fundamentais dos sistemas operacionais modernos é a distinção entre o programa e a atividade de executá-lo. O programa é apenas um conjunto estático de diretrizes e sua execução é uma atividade dinâmica. Outra das diferenças que podemos observar entre um sistema operacional e aplicações convencionais é a forma com que suas rotinas são processadas em função do tempo. Um sistema operacional não é executado de forma estruturada. Suas rotinas são executadas concorrentemente em função de eventos assíncronos. Em outras palavras, eventos que podem ocorrer a qualquer momento.
