Quais as instruções a seguir devem ser executadas apenas em modo kernel?

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Modo de usuário e modo kernel

• Artigo
• 09/24/2022
• 2 minutos para o fim da leitura

Neste artigo

Um processador em um computador que executa Windows tem dois modos diferentes: modo de usuário e modo kernel.

O processador alterna entre os dois modos, dependendo do tipo de código em execução no processador. Os aplicativos são executados no modo de usuário e os componentes principais do sistema operacional são executados no modo kernel. Embora muitos drivers sejam executados no modo kernel, alguns drivers podem ser executados no modo de usuário.

Modo de usuário

Quando você inicia um aplicativo no modo de usuário, Windows cria um processo para o aplicativo. O processo fornece ao aplicativo um espaço de endereço virtual privado e uma tabela de identificador privado. Como o espaço de endereço virtual de um aplicativo é privado, um aplicativo não pode alterar os dados que pertencem a outro aplicativo. Cada aplicativo é executado isoladamente e, se um aplicativo falhar, a falha será limitada a esse aplicativo. Outros aplicativos e o sistema operacional não são afetados pela falha.

Além de ser privado, o espaço de endereço virtual de um aplicativo no modo de usuário é limitado. Um processador em execução no modo de usuário não pode acessar endereços virtuais reservados para o sistema operacional. Limitar o espaço de endereço virtual de um aplicativo no modo de usuário impede que o aplicativo altere e possivelmente prejudique os dados críticos do sistema operacional.

Modo Kernel

Todo o código executado no modo kernel compartilha um único espaço de endereço virtual. Isso significa que um driver no modo kernel não está isolado de outros drivers e do próprio sistema operacional. Se um driver no modo kernel gravar acidentalmente no endereço virtual errado, os dados que pertencem ao sistema operacional ou outro driver poderão ser comprometidos. Se um driver no modo kernel falhar, todo o sistema operacional falhará.

Este diagrama ilustra a comunicação entre os componentes do modo de usuário e do modo kernel.

Espaços de Endereço Virtual

1 Notas de aula ESTRUTURA DO SISTE MA OPERACIONAL Int rodução O si stema operaci onal é formado por...

Not as de aula – E S T R U T UR A DO S IS T E MA OP E R AC IO NAL

Int rodução O si st em a o p er aci on al é f o rmado p o r u m conj unto de rot inas qu e o f er ec em ser vi ço s ao s u su ári o s, às su as apl i caçõ e s e t amb ém ao pr ó pri o si st ema. E sse conj unto de rot inas é d enom inad o núcleo do si st ema ou kerne l. E xi ste u ma gr an de di fi cul dad e em co mpr een d er a estr u tu r a e o f u n ci o n amen to d e u m si st em a o p er aci onal , p oi s el e n ão é e xecu t ado co mo u ma apl i caç ão seqü en ci al , co m i ní ci o , mei o e fi m. Os p roce dim ento s do s istem a são ex ecut ados concorrent emen te sem uma or dem pre de finida , co m b as e em ev en to s d i sso ci ado s d o t empo ( even to s assí n cr o n o s ). Mui to s de ss es ev en to s e st ão rel aci on ado s ao h ard war e e a ta r ef as i n ter n as do pr ó pri o si stema o per aci on al .

A s pr i n ci pai s fu n çõ e s do n ú cl eo do si st ema o per aci o n al são : ● Tr at amen to de i n ter r u pçõ es e e xceçõ e s; ● cr i aç ão e el i mi n aç ão de pr o cesso s e th r ead s; ● si n cr o ni zação e co mu n i cação en tr e pr o ce sso s e th r ead s; ● es cal o n amen to e co n tr ol e d e pr o ce sso s e th r ead s; ● ger ên ci a de m emó ri a; ● ger ên ci a do si stem a d e ar qu i vo s; ● ger ên ci a de d i spo si ti vo s E /S ; ● su p o r te a red es l o cai s e di str i buí d as; ● co n tabi l i zação do u so do si st ema ; ● au d i to ri a e seg u r an ça d o si ste ma.

S yst em Cal l s No s si st em as o p er a ci o n ai s h á a pr eo cu p aç ão d e o f er ecer segu rança ao núcleo do si st ema . C aso al gu ma ap l i caç ão exe cu t e u m a o p er aç ão qu e al ter e su a i n tegr i dad e, to do o si stema p o der á f i car co mpr o m eti do e i n o peran t e. As sy st em ca ll s são port a s de a ce sso ao núcleo do si stema

opera cional e a seus ser vi ços . S empr e qu e u m u su ári o o u apl i caç ão des ej ar al gu m ser vi ço do si st em a, é re al i zad a u ma ch am ad a d e su as ro ti n as atr a vés de u ma s yste m cal l . P ara cada se rv iço di sponí vel há u ma sy st em ca ll co r r espo n den t e. Cad a si st em a o p er aci on al tem seu p ró pri o co n ju n to d e ch a mad as, o qu e e xpl i ca o f ato d e u m a apl i cação d es en vo l vi da p ar a u m cer to S O n ão p o der ser po r t ad a d i reta men t e a o u tro . A tra vés d o s p ar â metr o s f o r n eci do s n a S yste m C al l , a so l i ci taç ão é pr o ce ss ad a e é en vi ad a u ma r espo sta à apl i cação ju n t amen te co m u m esta do de co n cl u são , i n di can do se h o u ve al gu m err o .

Modos de Ace sso E xi stem cert as i n str u çõ es q u e n ão po dem s er co l o cad a s di r et am en t e à di spo si ção d as ap l i caçõ es, po i s a su a u ti l i zação i n devi da o c asi o n ar i a séri o s pr o bl em as à i n tegr i dad e d o si stema. A ssi m, f i ca cl ar o qu e ex istem ce rt a s in st ruçõe s que só devem se r execut a da s pelo si st ema ope ra ci onal ou sub sua supe rvi são . A s i n stru çõ es qu e t êm o po der d e co mp r o met er o si stema s ão co n h eci das co mo inst ru ções p riv ileg ia das, en qu an to as in st ru ções não privi legiada s s ão as qu e n ão o f er ec em r i sco s ao si ste ma. P ar a qu e u ma apl i caç ão po ss a exe cu t ar u ma i n stru ção p ri vi l egi ada, é n ec ess ár i o qu e n o pr o cessa do r sej a i mpl em en t ado o mecan i smo de pr o teção co n h eci do co mo modos de a ce sso . E xi st em, b asi ca men t e, do i s mo d o s de ace sso i mpl emen t ad o s p el o s pr o ces sado re s: modo u suá rio e mo do kerne l.

Modo U suár io : ● E xecu t a ap en as i n str u çõ es n ão – pri vi leg i ad as; ● A ce sso a u m n ú mer o r estr i to de i n str u çõ es;

Mod o Ke rnel: ● E xecu t a i n stru çõ es pr i vi l egi adas . ● A ce sso to tal ao co n ju n to de i n stru çõ es do pr o cess ado r .

O mo do de ace sso de u ma apl i c ação é d et er mi n ado po r u m co n ju n to de bi ts, l o cal i zado s n o regi st rado r de s tat us do p roce ssado r ( P S W ), qu e i n di ca o mo do de ac es so co rr en te. A tr avé s d es se r eg i str a do r , o h ar dw ar e ver i fi ca se a i n str u ção po de o u n ão ser e xecu t ad a p el a apl i cação . A mel h o r man ei r a de co n tr o l ar o ac esso às i n str u çõ es pr i vi l egi ad a s é per mi ti r qu e ap en as o si stema o p er aci o nal ten h a a ces so a el as. S empre que uma apl ica ção nece ssi t a uti li za r uma in st rução pr ivi legia da, a soli cit ação deve se r real izada at ra vés d e um a chamada a uma sy stem call , que a lte ra o modo de a ce sso do pro cessado r de modo usuár io pa ra modo kernel . Ao t é rmino da execu çã o da rot ina, há o ret orno ao modo usuár io. Caso u ma apl i caç ão t en te e xecu t ar u ma i n str u ç ão pr i vi l egi ada e m mo d o u su ári o , o p ro ces sado r si n al i zar á u m err o , u ma exce ção é ger ad a e a exe cu ç ão do pr o g rama é i n ter r o mp i da.

Arquit etu ra Monolít ica ● V ár i o s m ódulos comp ilado s sepa ra d ament e e l i n kado s , fo rman do u m único g rande p rog rama exe cut áv el ; ● A r qui tetu r a do s pri mei r o s si st em as o p er aci o n ai s ( MS -DO S e U ni x) ; ● Man u ten ç ão e d e sen vo l vi men to di fí cei s; ● Si mpl es e co m bo m d es emp en h o .

Arquit etu ra de Cama das ● Su r ge em d eco rr ên ci a do au men to d a co mpl exi dad e e do t aman h o do s có di g o s do s si st ema s o p er aci on ai s; ● Técn i ca s d e p ro gra maç ão es tru tu r ad a e mo du l ar ; ● Nes ta arq u i tetu r a, o si st em a é di vi di do em nívei s sob repost o s em que cada um o fere ce um conj un to de fun ções que pode m ser utili za da s pela s ca mada s supe rio re s

V A NTA GE NS :

● Iso l amen to de fu n çõ e s; ● Faci l i dad e de m an u t en ç ão e de pu r ação ; ● Hi er ar qu i a d e n í vei s qu e pr o teg e as c amad as i n tern a s;

DE S V A NTA GE NS : ● P er d a d e d es emp en h o .

A tu al men t e, a maio ria dos si st ema s comerciai s ut il iza o modelo de duas ca m ada s, o n de e xi st em o s mo do s d e ace sso u su ár i o e ker n el .

Máquina V i rt ual U m si st ema co mp u ta ci o n al é f o r mad o po r ní vei s, o n de a c amad a d e ní vel mai s b ai xo é o h ar dw ar e. O mo de lo de m á quina v irt ual c ria u m nível inte rmediá r io entre o si st ema ope racional e o hard wa re , d en o mi n ado ger ên ci a de máq u i n as vi r tu ai s. E s se n í vel cr i a su as m áqu i n as vi r tu ai s i n dep en d en te s, o n d e cad a u ma o f er ece u ma có pi a do h ard war e, i n cl ui n do o s mo do s d e ace sso , i n ter ru pçõ es, di spo si ti vo s E / S , et c. Co mo c ad a m áqu i n a vi r tu al é i n dep en d en te d as d emai s, é po s sí vel qu e c ad a V M t en h a s eu pr ó pri o si st em a o per aci on al e q u e seu s u su ár i o s exe cu t em su as apl i caçõ es co mo s e to do o co mpu tado r esti ve ss e ded i c ado a cad a u ma d el as. Al ém d e p er mi ti r a co n vi vên ci a d e si ste mas o per aci o n ai s di f er en t es n o mesmo co mpu t ado r , est e mo d el o cri a o isolament o tot al ent re cada máquina. A des van t ag e m des sa arq u i tetu ra é a su a g rande com ple xida de , devi do a n ec es si dad e d e co mp ar ti l h ar e g er en ci ar o s r e cu r so s do h ar dw ar e en tr e as d i ver sa s máq u i n as vi r tu ai s.

Arquit etu ra Mi croKe rnel

U ma t en d ên ci a n o s si st em as o p er aci o n ai s mo d er n o s é to r n ar o núcleo do sist ema cada v ez menor e ma is sim ple s. P ar a i mpl emen t ar e ssa i déi a, o s se rv i ços são o fe reci dos at rav é s de p roce ssos , o n de ca d a u m é r espo n s ável po r o f er ecer u m co n ju n to esp ecí fi co de f u n çõ es. S emp r e q u e u ma apl i cação n ece ssi ta d e al gu m ser vi ço , u ma ch amad a é f ei t a ao pr o cesso r esp o n sá vel . Neste c aso , a apl i cação qu e so l i ci ta o ser vi ço é o clie nt e, en qu an to o pr o cess o qu e r e spo n d e à ch a mad a é o se rvi dor. A p rin ci pal fun ção do nú cleo é re ali z ar a t roca de men sagen s entre client e e ser vido r. O co n cei to de arqu i tetu r a mi cr o kern el su r gi u n o si ste ma o per a ci o n al Ma ch , n a d écad a d e 80. A u ti l i zação d ess e mo d el o per mi te q u e o s s er vi d o res exe cu t em e m mo d o u su ári o , o u sej a, n ão ten h am a cesso di reto a co mpo n en te s do si st ema. A pen a s o n ú cl eo do si ste ma ex ecu t a e m mo d o ker n el . Co mo co n seq ü ên ci a, caso o co rr a u m er ro em u m s er vi do r , est e po der á p ar ar , mas o si ste ma n ão fi car á i n tei r amen t e co mpr o meti do , au men tan do as si m su a di spo ni bi l i dad e.

VANT AG E NS DA AR QU IT E T U R A M ICR OKE R NE L : ● E scalabili dade : n ão i mpo r ta se cl i en tes e ser vi do r es s ão pr o ce ss ado s em si st em as co m u m ú ni co pr o ces sad o r, co m vár i o s pr o ce ssa do r es o u em ambi en te s d e si st ema s di stri bu í do s. E st a car ac t er í sti ca p er mi te adi ci on ar ser vi do r es co n f o r me o n ú mero de cl i en te s au m en t a. ● Isolamento de funções : M ai o r con fi abi l i dade e f aci l i dad e d e dep u r a ção .

DE SVANT AGE NS : ● Desempenho : Nece ssi d ad e d e mu d an ça n o mo do d e ace sso a cad a co mu n i cação en tr e cl i en te s e s er vi do r es. ● Cer t as f u n çõ es do S O exi ge m ac esso d i r eto ao h ard war e. A ssi m, o n ú cl eo co or den a ap en as as tr o ca s d e m en s ag en s en tr e cl i en tes e

ser vi d o r es, ma s, em u m mo del o de c amad as, exe cu t a f u n çõ es cr í ti cas do si stema, co mo esc al o n amen to , tr a ta men to d e i n ter ru p çõ e s e ger ên ci a d e d i spo si ti vo s.

P roj et o do S istem a ● O p ro jeto de u m S O é complexo e d eve at en der a di ver so s requ i si to s, al gu mas v eze s co n fl i tan t es; ● Depen d e do t ipo de si st ema a ser co n str u í do e d a ar quit et u ra do hard wa re. O s pr i mei r o s si stemas o p er aci on ai s f o ram d es en vo l vi do s em Assem bly . Co m a evo l u ção d o s si st ema s e o au men to d a s l i n h as d e có d i go , t écn i c as d e pr o gr ama ção mo du l ar f o r am i n co r po r ad as ao pro j eto , al ém d e l i n gu ag en s d e al to ní vel , co mo Al gol e P L/ I. No s si st em as o p er a ci o n ai s atu ai s, as l i nh as d e có di go ch egam a 40 mi l h õ es, sen do gr an d e p ar t e d el a s es cr i tas em l i n gu agen s C/ C++ , u ti l i zan do , em al gu n s ca so s, o ri en tação a o bj eto s. U ma t en d ên ci a n o pr o jeto de si st em as o p er aci o n ai s mo der n o s é o u so d e lin guagens de p rog ra mação or ient adas a obj eto , qu e per mi tem f aci l i d ade d e man u ten ção e po r t abi l i dad e.

A seg u i r, al gu mas van t ag en s do u so d a o ri en taç ão a o b jeto s: ● mel ho ri a n a o r gan i zaç ão d a s f u n çõ es e recu r so s do si st ema; ● r edu ç ão n o tempo d e de sen vo l vi men to ; ● mai o r f aci l i dad e n a man u t en ç ão e ex te n são do si stema; ● f aci l i dade d e i mpl emen t aç ão do mo del o de co mpu t aç ão di stri b uí da. U ma de svan t ag em d a té cn i ca o r i en tad a a o bj eto s é a p er d a d o des emp en h o . Po r i sso , parte s c rít ica s do si st ema , co mo de vi ce dr i ver s, esc al on ado r es e ro ti n as d e tr at am en to de i n ter r u pçõ es s ão ainda desenvolv ida s em As semb ly. No pr o jeto d e u m si ste ma, d ev e- s e di sti n gui r a pol í ti ca do s mec an i smo s. U ma pol ít i ca de fine O QU E deve ser feit o, enquanto um mecani smo define C OMO imp lementar uma det e rmina da po l ít i ca.

List a de exe rc ícios – E st rut ura de um s istem a ope ra ciona l

1. O qu e é o n ú cl eo do si stema e q u ai s s ão su as p ri n ci pai s f u n çõ es ? 2. O qu e s ão i n str u çõ es pri vi l egi adas e n ão pri vi l egi ad a s ? Qual a

relação destas i nstruç ões com o modo de ac esso ? 3. E xp l i qu e co mo f u n ci o n a a mu d an ça d o s mo do s d e ace sso e d ê u m ex empl o de co mo u m p ro gra ma f az u so de ss e mec an i smo . 4. Co mo o Ker n el do si stem a o per aci o n al po de s er pro tegi do pel o mec an i smo de mo do s d e ac es so ? 5. P o r qu e as r o ti n as do si st ema o p er aci o n al po ssu em i n fo r ma çõ e s pr i vi l egi ad as ? 6. O qu e é u m syst em cal l e qu al su a i mp o rtân ci a p ar a a segu r an ça do si stema ? Como os s yst ems cal l são uti lizados por um programa ? 7. Q u ai s as i n stru çõ es a segu i r d evem ser exe cu t ad as ap en as n o mo d o ker n el ? a. Des abi l i tar to das as i n terr u pçõ es b. Al ter ar d at a e h o ra do si st ema c. Al ter ar i n fo r ma çõ es r e si den tes n o n ú cl eo do si st ema d. S o mar du as var i ávei s decl ar ad a s d en tr o de u m pr o gr ama e. Re al i zar o de svi o par a u ma i n terr u pç ão den tro d o pr o gr ama f . A cess ar di r et amen te po si çõ es n o di sco . 8. P esqu i se co man d o s di spo ní vei s e m l i n guag en s d e co n tro l e do si st ema o p er aci o n al 9. E xp l i qu e o pr o cesso d e bo o t de u m si st em a o per a ci o n al 10 .

Co mp ar e as ar q u i tetu ra s mo n ol í ti ca s e em cam ad as e f al e

so b re a s van t ag en s e d es van t ag en s d e cad a u ma d el as . 11 . 12 .

Q u ai s as van t ag en s do mo d el o de máqu i n a vi r tu al ? Co mo f u n ci o n a o mo del o cl i en te- ser vi do r n a ar qu i tetu r a

mi cro ker n el ? Quai s as vantag ens e des vantag ens d esta arquit et ura ? 13 .

P o r qu e a u ti l i za ção d a pr o gr ama ção o ri en tad a a o bj eto s é

u m c ami nh o n atu r al par a o pr o jeto d e si ste mas o p er aci on ai s ?

Quais das instruções a seguir devem ser executadas apenas em modo kernel?

Quais são as principais funções do kernel?

Qual a função do kernel em um sistema operacional?

Quais elementos fazem parte do kernel?