Estrutura de um Sistema Operacional

Até agora, vimos como os sistemas operacionais se parecem externamente, mas você sabe como eles são internamente? Quais são seus componentes e como eles se organizam? Quais tipos de estruturas foram utilizados para criar os sistemas operacionais?

Você sabe, por exemplo, como sua casa foi estruturada? Quantos e quais cômodos tem sua casa (quartos, sala, cozinha etc.)? Como eles estão dispostos (a cozinha é junto com a sala, os quartos são separados...)? Cada estrutura tem suas vantagens e desvantagens; por exemplo, se a cozinha for próxima da sala, posso cozinhar e assistir TV ao mesmo tempo, porém, se alguém fizer uma vitamina de banana na hora do meu filme favorito, essa estruturação pode não ser tão boa assim.

Podemos enxergar um sistema operacional como uma casa, que pode ser estruturada de diferentes formas e, obviamente, cada uma das formas terá suas vantagens e desvantagens. Nesta aula, vamos estudar duas estruturas: (1) monolítica e (2) microkernel.

Antes de detalhar cada uma dessas estruturas, precisamos apresentar para você alguns conceitos básicos usados em todos os sistemas operacionais, independentemente da sua estrutura. Por exemplo, independentemente de qual seja a arquitetura de nossas casas, podemos observar que todas elas têm quartos, cozinha e salas; o que varia de uma para outra é a disposição desses cômodos no projeto, o que poderá, dependendo de cada caso, facilitar a acomodação e comunicação entre as pessoas que habitam a casa, ou das pessoas da casa com as visitas, ou mesmo das pessoas estranhas que batem à nossa porta.

Trazendo essa analogia para o mundo dos sistemas operacionais, esses elementos que estão presentes em todos os SO correspondem ao kernel (traduzindo do inglês, núcleo) e às system calls (traduzindo do inglês, chamadas de sistema):

1. Kernel/núcleo: consiste em um conjunto de procedimentos que oferece serviços aos usuários e suas aplicações. Pode-se dizer que esse conjunto de rotinas corresponde ao cérebro do sistema operacional. O kernel é responsável, dentre outras coisas, por gerenciar a memória do seu computador, controlar os dispositivos de entrada e saída, os arquivos e os demais programas que são executados no computador. Ao longo de todo o curso, detalharemos cada uma dessas tarefas. Nesta aula, você não precisa entender ainda o que será feito em cada uma delas. Citamos aqui apenas para você saber que o kernel é o responsável por todo esse trabalho.
2. System calls/chamadas de sistema:mecanismo através do qual usuários (ou aplicações) solicitam os serviços do sistema operacional quando desejarem realizar tarefas envolvendo o acesso aos dispositivos de hardware e aos demais recursos controlados pelo sistema como, por exemplo, o acesso ao provedor de internet (Figura 3). Assim, usando essas facilidades do SO que está instalado no servidor (provedor) que oferece o acesso à internet, pode-se, por exemplo, contabilizar o valor a ser desembolsado por você no final do mês para pagar pelo tempo que acessar a internet.

As instruções que têm o poder de manipular esses elementos do sistema são conhecidas como instruções privilegiadas e, por conta disso, somente o SO pode manipulá-las. As demais instruções são caracterizadas como não privilegiadas podendo, portanto, ser executadas por qualquer aplicativo. A execução dessas instruções não oferece perigo à consistência do sistema.

Para que uma aplicação possa acessar uma instrução privilegiada, o processador dispõe de um mecanismo que determina o modo de acesso no instante atual. Existem basicamente dois modos de acesso definidos pelo processador: modo usuário e modo kernel.

Quando um processador estiver trabalhando com o modo de acesso definido como usuário, basicamente a aplicação só pode acessar as instruções não privilegiadas. Por outro lado, se o processador estiver com o modo de acesso definido como privilegiado, que normalmente nos referimos como modo kernel, o programa que estiver sendo executado (que nesse instante será o sistema operacional) pode ter acesso ao conjunto total de instruções do processador.

O mecanismo de modos de acesso também fornece proteção ao próprio núcleo do sistema. Suponha que um programa tenha acesso a áreas de memória onde está o sistema operacional. Assim, qualquer programador mal intencionado ou um eventual erro de programação poderia gravar nessa área, violando a consistência do sistema. Com o mecanismo de modos de acesso, para uma aplicação escrever na área de memória do sistema operacional, o programa deve estar sendo executado no modo kernel.

Imagino que você deve estar pensando: puxa vida! Como esse negócio é complicado! Como, quando e quem muda o modo de acesso? Realmente, é um pouco complicado, mas à medida que formos apresentando o funcionamento do sistema operacional, você irá amadurecendo e, com certeza, entenderá direitinho. Tenha um pouco de paciência!