Como funcionam os sistemas operacionais

Introdução de sistemas operacionais

Se você tem um computador, já ouviu falar sobre os sistemas

operacionais. Qualquer computador de mesa ou laptop que você compra normalmente já vem com o Windows instalado. Já os computadores Macintosh rodam o sistema operacional OS X. Muitos servidores corporativos utilizam os sistemas operacionais Linux ou UNIX. O sistema operacional (SO) é a primeira coisa que o computador carrega. Sem um sistema desse tipo, o computador se torna inútil.

Recentemente começaram a surgir sistemas operacionais para pequenos computadores. Se você gosta de investigar os dispositivos eletrônicos, vai descobrir que existem sistemas operacionais em dispositivos que usamos todos os dias, de celulares a pontos de acesso sem fios. Os computadores utilizados nestes pequenos dispositivos se tornaram tão poderosos que hoje eles podem até rodar um sistema operacional e aplicativos. Um computador de um celular moderno é mais poderoso do que um computador de mesa há 20 anos. Esta evolução é coerente e faz parte de um processo de desenvolvimento natural. Geralmente, você pode fazer alterações no funcionamento de qualquer dispositivo que rode um sistema operacional. Isto não é uma feliz coincidência. Como os sistemas operacionais são feitos de códigos portáveis, em vez de circuitos físicos permanentes, eles podem ser alterados sem que seja necessário descartar o dispositivo inteiro.

Sistema operacional Microsoft Windows XP

Para os usuários de computadores de mesa, significa poder adicionar diversos recursos: uma nova atualização de segurança, patch do sistema, novo aplicativo ou até mesmo um novo sistema operacional sem ter de comprar um novo computador. Quando você entende o funcionamento de um sistema operacional e sabe como configurá-lo, você pode fazer muitas mudanças no comportamento dele. Isto funciona tanto para o telefone celular quanto para o computador.

O objetivo de um sistema operacional é organizar e controlar o hardware e o software para que o dispositivo funcione de maneira flexível e previsível. Neste artigo, vamos explicar o que um software precisa fazer para ser chamado de sistema operacional e mostrar como funciona o sistema operacional do seu computador vendo alguns exemplos de como controlar os outros sistemas operacionais que existem ao seu redor.

A espinha dorsal do sistema operacional

Nem todos os computadores têm sistemas operacionais. O computador que controla o forno de microondas da sua cozinha, por exemplo, não precisa de um. Um forno de microondas realiza um conjunto bastante específico de tarefas e as informações de entrada são bastante simples (um teclado numérico e alguns botões com ações pré-definidas). O hardware também é simples e nunca muda. Para um computador como esse, um sistema operacional seria completamente desnecessário. Isso aumentaria os custos de desenvolvimento e produção e complicaria um processo que é bastante simples. O computador de um forno de microondas sempre executa o mesmo programa codificado por hardware.

Em outros dispositivos, o sistema operacional cria a possibilidade de:

• realizar uma variedade de tarefas;
• interagir com os usuários de forma complexa;
• acompanhar as necessidades que mudam com o tempo.

Todos os computadores de mesa têm sistemas operacionais. Os mais comuns são os da família Windows, da Microsoft, o OS X, sistema operacional do Macintosh desenvolvido pela Apple, o Linux, sistema operacional desenvolvido por Linus Torvalds e pela comunidade de desenvolvedores de software open source,  e a família UNIX de sistemas operacionais (que foram desenvolvidos por uma série de pessoas, empresas e colaboradores). Existem ainda centenas de outros sistemas operacionais desenvolvidos para aplicações específicas como mainframes, robótica, manufatura, sistemas de controle em tempo real e etc.

O que um sistema operacional faz?

No nível mais simples, o sistema operacional realiza duas tarefas:

1. Gerencia os recursos de hardware e software do sistema. Em um computador de mesa, esses recursos incluem o processador, a memória, o espaço em disco etc. Em um telefone celular, o sistema operacional gerencia o teclado, a tela, a agenda, a bateria e a conexão de rede;
2. Proporciona uma maneira estável e consistente para lidar com o hardware, sem ter de conhecer todos os detalhes do hardware.

A primeira tarefa, ou seja, o gerenciamento de recursos de software e hardware é uma tarefa extremamente importante. Diversos programas e métodos de entrada de dados competem pela atenção da CPU (Unidade Central de Processamento) e demandam memória, espaço em disco e largura de banda de entrada/saída. O sistema operacional faz o papel do bom pai. Ele cuida para que cada aplicativo tenha os recursos necessários para o funcionamento e gerencia a capacidade limitada do sistema para atender a todos os usuários e aplicativos.

A segunda tarefa é fornecer uma interface consistente para os aplicativos. A interface é especialmente importante se mais de um tipo de computador utiliza o sistema operacional ou se o hardware do computador é constantemente atualizado. Uma API (Application Program Interface - Interface de Programação de Aplicativos) permite que o desenvolvedor do software escreva um programa em um computador e tenha um alto nível de segurança de que este aplicativo vai rodar em outro computador do mesmo tipo, mesmo que a quantidade de memória e a área de armazenamento sejam diferentes.

Mesmo que um computador seja único, um sistema operacional assegura que os aplicativos continuem funcionando após as atualizações de hardware. Isso acontece porque é o sistema operacional, e não o aplicativo, que gerencia o hardware e a distribuição dos seus recursos. Um dos desafios do desenvolvedor de sistemas operacionais é criar um sistema flexível o suficiente para reconhecer hardwares de milhares de fabricantes diferentes. Os sistemas atuais podem acomodar milhares de impressoras, drivers e periféricos especiais em qualquer combinação possível. 

Quais são os tipos de sistemas operacionais?

Existem 4 tipos básicos de sistemas operacionais. Eles são divididos em grupos relacionados com o tipo de computador que controlam e o tipo de aplicativos que suportam. Estas são as categorias mais abrangentes:

• sistema operacional de tempo real (RTOS - Real-time operating system). É utilizado para controlar máquinas, instrumentos científicos e sistemas industriais. Geralmente um RTOS não tem uma interface para o usuário muito simples e não é destinado para o usuário final, desde que o sistema é entregue como uma "caixa selada". A função do RTOS é gerenciar os recursos do computador para que uma operação específica seja sempre executada durante um mesmo período de tempo. Numa máquina complexa, se uma parte se move mais rapidamente só porque existem recursos de sistema disponíveis, isto pode ser tão catastrófico quanto se uma parte não conseguisse se mover porque o sistema está ocupado.
• monousuário, monotarefa. O sistema operacional foi criado para que um único usuário possa fazer uma coisa por vez. O Palm OS dos computadores Palm é um bom exemplo de um moderno sistema operacional monousuário e monotarefa.
• monousuário, multitarefa. Este tipo de sistema operacional é o mais utilizado em computadores de mesa e laptops. As plataformas Microsoft Windows e Apple MacOS são exemplos de sistemas operacionais que permitem que um único usuário utilize diversos programas ao mesmo tempo. Por exemplo, é perfeitamente possível para um usuário de Windows escrever uma nota em um processador de texto ao mesmo tempo em que faz download de um arquivo da Internet e imprime um e-mail.
• multiusuário. Um sistema operacional multiusuário permite que diversos usuários utilizem simultaneamente os recursos do computador. O sistema operacional deve se certificar de que as solicitações de vários usuários estejam balanceadas. Cada um dos programas utilizados deve dispor de recursos suficientes e separados, de forma que o problema de um usuário não afete toda a comunidade de usuários. Unix, VMS e sistemas operacionais mainframe como o MVS são exemplos de sistemas operacionais multiusuário.

Tela do sistema operacional Mac OS X Panther

É importante diferenciar os sistemas operacionais multiusuário dos sistemas operacionais monousuário que suportam rede. O Windows Server e o Novell Open Enterprise Server podem suportar centenas ou milhares de usuários em rede, mas os sistemas operacionais em si não são sistemas multiusuário de verdade. O administrador do sistema é o único "usuário" do Windows Server ou do Novell Open Enterprise Server. O suporte à rede e todos os usuários remotos são, do ponto de vista do sistema operacional, um programa sendo executado pelo administrador. 

A inicialização do sistema operacional

Quando você liga o computador, o primeiro programa executado é, geralmente, um conjunto de instruções armazenadas na memória ROM. Este código examina o hardware do sistema para ter certeza de que tudo está funcionando corretamente. Este autoteste, conhecido como POST (power-on self test) verifica a CPU, a memória, a BIOS (Basic Input Output System - Sistema de Entrada e Saída Binário ), procura por erros e armazena o resultado em uma memória especial. Ao completar o POST, o software carregado na memória ROM (às vezes chamado de BIOS ou firmware) ativa as unidades de disco do computador. Na maioria dos computadores modernos, quando o computador ativa o disco rigido ele encontra o trecho inicial do sistema operacional, conhecido como bootstrap loader (sistema de inicialização).

O bootstrap loader é um pequeno programa que tem uma única função. Ele carrega o sistema operacional na memória e permite que ele comece a operar. Em sua forma mais básica, o bootstrap configura os pequenos programas de driver que fazem interface e controlam os vários subsistemas de hardware do computador. Ele configura as partes da memória que contêm o sistema operacional, as informações de usuário e os aplicativos. Ele também estabelece as estruturas de dados responsáveis pelos inúmeros sinais, flags e semáforos que são usados para a comunicação com (e entre) os subsistemas e aplicativos do computador. Então ele entrega o controle do computador ao sistema operacional.

As tarefas do sistema operacional, na maioria das vezes, se encaixam em seis categorias:

• gerenciamento do processador
• gerenciamento da memória
• gerenciamento de dispositivos
• gerenciamento de armazenamento
• interface de aplicativos
• interface do usuário

Algumas pessoas defendem que o sistema operacional deveria fazer mais do que essas seis tarefas. Na verdade, alguns fabricantes até incorporam mais utilitários e funções auxiliares nos seus sistemas, mas, essas 6 tarefas definem o núcleo de quase todos os SOs. Vamos conhecer agora as ferramentas utilizadas pelo sistema operacional para executar cada uma dessas funções. 

Como o sistema operacional gerencia o processador

As 2 principais funções do gerenciamento do processador são:

1. Garantir que cada processo e aplicativo recebam tempo suficiente do processador para funcionar corretamente;
2. Usar quantos ciclos de processador quanto possível para realizar as tarefas.

A unidade básica do software com a qual o sistema operacional trabalha para organizar as tarefas realizadas pelo processador é representada pelo processo ou thread, dependendo do sistema operacional.

Podemos até pensar em um processo como um aplicativo, mas isso dá uma idéia incompleta de como os processos se relacionam com o sistema operacional e com o hardware. O aplicativo que você vê (processador de texto, planilha eletrônica ou jogo) é, de fato, um processo. Porém, os aplicativos podem ativar outros processos para se comunicarem com outros dispositivos ou computadores. Também existe uma série de processos que são executados sem que você perceba. O Windows e o UNIX podem executar, em background, dezenas de processos para lidar com a rede, gerenciar a memória e o disco rígido, verificar vírus etc.

Em resumo, um processo é um software que executa ações e pode ser controlado pelo usuário, por outros aplicativos ou pelo sistema operacional.

São os processos, e não os aplicativos, que o sistema operacional controla e faz sua escala para que a CPU os execute. Em um sistema monotarefa, este trabalho é bastante simples. O sistema operacional permite que o aplicativo seja iniciado, suspendendo sua execução somente para tratar as interrupções e inserções do usuário.

Interrupções são sinais especiais enviados pelo hardware ou software para a CPU. É como se alguma parte do computador levantasse a mão e chamasse a atenção da CPU em uma reunião animada. Algumas vezes, o sistema operacional vai priorizar alguns processos e ignorar as interrupções (mascarar as interrupções) para que uma tarefa seja cumprida o mais rápido possível. Entretanto, existem algumas interrupções (condições de erro ou problemas com a memória) que são tão importantes que não podem ser ignoradas. Essas interrupções não-mascaráveis (NMI - Non-maskable Interrupts) devem ser atendidas imediatamente.

As interrupções podem causar alguma complicação na execução dos processos em um sistema monotarefa. Porém, o trabalho do sistema operacional se torna muito mais complicado em um sistema multitarefa. Ele deve organizar a execução dos aplicativos para que você acredite que várias coisas estão acontecendo ao mesmo tempo. Isto é complicado porque a CPU só pode fazer uma coisa de cada vez. Para criar esta aparência de coisas acontecendo ao mesmo tempo, o sistema operacional precisa mudar de um processo para o outro milhares de vezes por segundo. Vamos ver o que acontece.

• Um processo ocupa uma certa quantidade de memória RAM. Ele também utiliza os registradores, pilhas e filas da CPU e memória do sistema operacional.
• Quando 2 processos acontecem ao mesmo tempo, o sistema operacional aloca uma certa quantidade de ciclos da CPU para um programa.
• Depois que os ciclos são executados, o sistema operacional faz uma cópia de todos os registradores, pilhas e filas utilizados pelos processos e registra o ponto em que a execução foi interrompida.
• Ele então carrega todos os registradores, pilhas e filas utilizados pelo segundo processo e aloca outra quantidade de ciclos de CPU para ele.
• Quando os ciclos terminam, o sistema operacional copia todos os registradores, pilhas e filas utilizadas pelo segundo programa e carrega o primeiro programa.

Todas as informações necessárias para controlar a mudança dos processos são armazenadas num pacote de dados chamado de bloco de controle de processo, que contém: 

Como o sistema operacional gerencia o armazenamento e a memória

Quando o sistema operacional gerencia a memória do computador, duas grandes tarefas precisam ser cumpridas.

1. Cada processo deve ter memória suficiente para ser executado. Ele não pode utilizar a memória de outro processo e outro processo também não pode utilizar a sua memória.
2. Os diferentes tipos de memória no sistema devem ser bem utilizados para que cada processo seja executado de forma eficaz.

Para realizar a primeira tarefa, o sistema operacional tem de definir os limites de memória para cada tipo de software e aplicativo.


Como um exemplo, vamos criar um pequeno sistema imaginário com 1 Gigabyte (1.000 megabytes) de memória RAM. Durante o processo de boot (inicialização), o sistema operacional do nosso computador imaginário vai utilizar toda a memória disponível. Depois ele "recua" o suficiente para atender às necessidades do próprio sistema operacional. Vamos supor que o SO precise de 300 megabytes para rodar. Agora, o sistema operacional vai para o fim da memória RAM e distribui essa memória para diversos drivers necessários para controlar os subsistemas do computador. No nosso computador imaginário, os drivers ocupam 200 megabytes. Agora que o sistema operacional foi completamente carregado, existem 500 megabytes disponíveis para os processos dos aplicativos.
Quando os aplicativos começam a ser carregados na memória, eles são carregados em blocos. O tamanho desses blocos é determinado pelo sistema operacional. Se o tamanho do bloco é 2 megabytes, todo processo carregado receberá um pedaço da memória que é múltiplo de 2 megabytes. Os aplicativos serão carregados nestes tamanhos fixos de blocos. Os blocos iniciarão e terminarão nos limites estabelecidos por palavras de 4 ou 8 bytes. Esses blocos e limites organizam o carregamento dos aplicativos, impedindo sobreposição. Depois que o processo estiver concluído, a pergunta que nos resta é: o que se pode fazer quando o espaço de 500 megabytes for ocupado?
Na maioria dos computadores, é possível adicionar mais memória, além da capacidade original. Por exemplo, você pode expandir a memória RAM de 1 para 2 Gigabytes. Isto funciona, mas custa caro. Este fato também ignora um dado importante da computação: a maioria da informação que um aplicativo armazena na memória não está sendo usada o tempo inteiro. Como um processador só pode acessar um local da memória por vez, a maior parte da memória RAM não é utilizada. Como o espaço de disco rígido é mais barato do que a memória RAM, mover a informação da memória RAM para o disco rígido é uma solução sem custo algum. Esta técnica é conhecida como gerenciamento da memória virtual.
O armazenamento em disco é apenas um dos tipos de memória que podem ser gerenciados pelo sistema operacional. Também é a memória mais lenta. A seguir, veja uma classificação por velocidade dos tipos de memória em um computador.

• Memória cache de alta velocidade. Pequenas quantidades de memória disponíveis para a CPU através das conexões mais rápidas. Os controladores de memória cache prevêem que tipo de dados a CPU vai precisar e os transferem da memória principal para a memória cache de alta velocidade para aumentar o desempenho do sistema.
  
• Memória principal. Está é a memoria RAM, medida em mega e  em gigabytes.
  ­
• Memória secundária. É um tipo de armazenamento magnético rotativo que mantém os aplicativos e dados prontos para serem usados. Também serve como memória RAM virtual gerenciada pelo sistema operacional.

­O sistema operacional deve equacionar as necessidades dos diversos processos com a disponibilidade dos diferentes tipos de memória. Ele pode mover dados em blocos (chamados de páginas) para a memória disponível de acordo com a necessidade dos processos.

Como o sistema operacional gerencia os dispositivos

O caminho entre o sistema operacional e todo hardware que não está na placa-mãe passa por um programa especial chamado driver. A função principal do driver é funcionar como tradutor entre os sinais elétricos dos subsistemas de hardware e a linguagem de programação de alto nível do sistema operacional e dos aplicativos. Os drivers pegam os dados que o sistema operacional definiu como um arquivo e transforma-os em seqüências de bits. Estes bits são armazenados em locais específicos dos dispositivos de armazenamento ou se transformam em pulsos de laser em uma impressora.
O funcionamento dos drivers depende do tipo de hardware, mas a maioria dos drivers é executada quando o dispositivo é acionado, eles funcionam de maneira semelhante a qualquer outro processo. O sistema operacional dá prioridade aos drivers para que o recurso do hardware seja liberado e disponibilizado o mais rápido possível.
Uma razão para que os drivers sejam separados do sistema operacional é para que novas funções sejam adicionadas ao driver (e aos subsistemas de hardware) sem que o sistema operacional seja modificado, recompilado e redistribuído. O desenvolvimento de novos drivers, geralmente realizado ou pago pelo fabricante do subsistema (em vez do desenvolvedor do sistema operacional) melhora as capacidades de entrada/saída de todo o sistema.
O gerenciamento de entrada/saída está relacionado com o gerenciamento das filas e buffers. Funções de armazenamento especial pegam esses bits de um dispositivo, talvez um teclado ou uma porta USB, e os distribuem para a CPU em uma taxa lenta o suficiente para que sejam absorvidos. Esta função é especialmente importante quando muitos processos estão sendo executados e o processador está sobrecarregado. O sistema operacional diz para o buffer que continue coletando informações de entrada do dispositivo. Mas os dados não serão enviados para a CPU enquanto o processo que estiver usando a entrada não for suspenso. Então, quando o processo de obtenção de dados de entrada estiver ativo de novo, o sistema operacional vai dizer para o buffer que ele pode enviar dados. Este processo permite que um teclado ou um modem interajam com usuários externos ou computadores em alta velocidade, mesmo quando a CPU não pode executar informações de entrada destas fontes.
Gerenciar os recursos do sistema do computador é uma boa parte da função de um sistema operacional e, no caso de sistemas operacionais de tempo real, este pode ser todo o trabalho. Para outros sistemas operacionais, o objetivo é fornecer, de maneira simples e consistente, poder de processamento para aplicativos e usuários. 

nterface do sistema operacional com o mundo

Interface de aplicativos
Da mesma forma que os drivers fornecem uma maneira dos aplicativos utilizarem os subsistemas de hardware sem que eles conheçam cada detalhe de operação destes subsistemas, as APIs, interfaces de programação de aplicativos, permitem que os programadores utilizem funções do computador e do sistema operacional sem conhecer todos os detalhes de operação da CPU. Vamos examinar o exemplo da criação de um arquivo de disco rígido que armazena dados.
Um programador está criando um aplicativo para gravar dados de um instrumento científico. Ele quer que o cientista possa nomear o arquivo criado. O sistema operacional pode fornecer uma função API chamada MakeFile para criar arquivos. Ao escrever o programa, o programador pode inserir uma linha deste tipo:

MakeFile [1, %Name, 2]

Neste exemplo, a instrução diz para o sistema operacional que ele deve criar um arquivo que permite acesso aleatório as seus dados. (O número 1 depois do comando "MakeFile" estabelece esta opção. Se a opção fosse 0, o sistema operacional criaria um arquivo serial). Este arquivo terá o nome criado pelo usuário (%Name) e terá um tamanho variável de acordo com a quantidade de dados armazenados no arquivo. (O número 2 define esta opção. 0 atribuiria um tamanho fixo para o arquivo e 1 seria um arquivo que cresce quando os dados são armazenados mas não diminui quando os dados são removidos). Vamos ver o que o sistema operacional faz para transformar a instrução em ação.
O sistema operacional envia uma consulta para o disco para saber onde há espaço disponível.
Com esta informação, o sistema operacional cria uma entrada no sistema de arquivos. Esta entrada mostra a localização inicial e final do arquivo, o nome e o tipo do arquivo, que tipo de usuário tem permissão para modificar ou enxergar o arquivo e a data e a hora da criação.
O sistema operacional grava todas estas informações no começo do arquivo, identificando o arquivo, o tipo de acesso possível, e inclui outras informações que unem o arquivo ao aplicativo. Em toda essa informação, as requisições ao drive de disco e os endereços do ponto de início e término do arquivo estão em formato totalmente dependentes do fabricante e modelo do disco rígido.
Como o programador utilizou uma API para o armazenamento no disco, ele não precisa conhecer todas as instruções de cada tipo de disco rígido. O sistema operacional, através do drivers, lida com os detalhes de cada tipo de hardware. O programador deve, simplesmente, escrever um código para API e deixar o resto do trabalho para o sistema operacional.
A API é um tema de discussões na indústria dos computadores. As empresas perceberam que os programadores, utilizando as APIs podem controlar e lucrar em cima de uma parte da indústria. Esta é uma das razões pela qual tantas empresas fornecem, gratuitamente, aplicativos como visualizadores e leitores. Eles sabem que os consumidores vão solicitar programas que possam ser lidos por visualizadores gratuitos. As empresas desenvolvedoras de aplicativos estarão prontas para pagar os royalties e permitir que seus softwares tenham as funções solicitadas pelos consumidores.
Interface com o usuário
Da mesma forma que as APIs provêem um meio consistente para que os aplicativos utilizem os recursos do computador, a interface com o usuário estrutura a interação entre o usuário e o computador. Na última década, quase todo o desenvolvimento de interfaces de usuário foi feito na área da interface gráfica (GUI - graphical user interface). Duas empresas receberam mais atenção e conquistaram maior fatia de mercado: Apple Macintosh e Microsoft Windows. O popular sistema operacional com código-fonte aberto, o Linux, também utiliza uma interface gráfica.

Tela do sistema operacional Linux da Red Hat

Existem outras interfaces de usuário para sistemas operacionais. Algumas são gráficas, outras não.
O Unix, por exemplo, tem uma interface chamada Shell que é mais flexível e poderosa do que a interface baseada em texto dos sistemas operacionais padrão. Programas como o Korn Shell e o C Shell são interfaces de texto que adicionam utilitários importantes. Porém, o seu principal objetivo é facilitar o acesso do usuário às funções do sistema operacional. Existem interfaces gráficas como o X-Windows e o Gnome que tornam o Unix e Linux parecidos com computadores Windows e Macintosh, do ponto de vista do usuário.
É importante lembrar que, em todos estes exemplos, a interface com o usuário é um programa ou um conjunto de programas que funcionam como uma camada acima do sistema operacional. Podemos dizer o mesmo (apesar dos diferentes mecanismos) dos sistemas operacionais Windows e Macintosh. A função principal do sistema (o gerenciamento dos recursos do computador) está no kernel (núcleo) do sistema operacional. O gerenciador de exibição é uma parte separada, porém intimamente ligada ao kernel que funciona por trás dele. A ligação entre o kernel do sistema operacional e a interface do usuário, utilitários e outros softwares definem as diferenças entre os sistemas operacionais.

• um número ID que identifica o processo;
• ponteiros para as localizações do programa e seus dados quando o último processamento ocorreu;
• conteúdo dos registradores;
• estado de vários flags e switches;
• ponteiros para os limites superior e inferior da memória requisitada para o processo;
• uma lista de arquivos abertos pelo processo;
• a prioridade do processo;
• o status de todos os dispositivos de entrada/saída requisitados pelo processo.

Cada processo tem um status associado a ele. Muitos processos não consomem tempo da CPU até que recebam algum tipo de comando. O processo pode estar, por exemplo, esperando que o usuário aperte alguma tecla, enquanto ele espera, a CPU não é utilizada. Neste momento, o processo está "suspenso". Quando o usuário aperta a tecla, o sistema operacional muda o status do processo. Quando o status do processo muda de "pendente" para "ativo" ou de "suspenso" para "em execução", as informações no bloco de controle de processo devem ser usadas, assim como os dados de programa, para direcionar a execução da alternância de tarefas do sistema operacional.

Essa troca de processo acontece sem a interferência direta do usuário e cada processo consegue ciclos de CPU suficientes para realizar suas tarefas em um período razoável de tempo. O problema acontece quando o usuário tenta executar muitos processos ao mesmo tempo. O próprio sistema operacional precisa de alguns ciclos de CPU para salvar todos os registradores, filas e pilhas dos processos e realizar a alternância entre eles. Se uma determinada quantidade de processos é iniciada, e se o sistema operacional não foi cuidadosamente planejado, o sistema pode começar a usar a maioria dos ciclos de CPU disponível para alternar os processos em vez de executá-los. Isso se chama thrashing e geralmente requer algum tipo de intervenção direta do usuário para interromper os processos e reorganizar o sistema.

Uma forma de reduzir o thrashing é diminuir a necessidade de criação de novos processos para realizar as tarefas. Alguns sistemas operacionais utilizam um processo mais "leve" chamado thread. Uma thread pode controlar o trabalho mas, geralmente, não lida com os vários tipos de entrada/saída e não estabelece estruturas que exijam o longo bloco de controle de processo de um processo regular. Um processo pode iniciar muitas threads ou outros processos, mas uma thread não pode iniciar um processo.

Até agora, tudo o que discutimos diz respeito a uma única CPU. Em um sistema com duas ou mais CPUs, o trabalho é dividido. O sistema operacional deve equacionar a demanda de cada processo para as diferentes CPUs. Os sistemas operacionais assimétricos utilizam uma CPU para suas próprias necessidades e dividem os processos dos aplicativos entre as outras CPUs. Os sistemas operacionais simétricos compartilham as várias CPUs e equacionam a demanda e a disponibilidade da CPU, mesmo quando o sistema operacional é o único aplicativo em execução.

A CPU não é o único recurso requisitado mesm­o quando somente o sistema operacional está sendo executado. O gerenciamento da memória é um passo crucial para que todos os processos sejam executados de maneira tranqüila.

Novidades para os sistemas operacionais

A importância das redes
Para os computadores de mesa, o acesso a redes locais ou Internet é um recurso tão comum que é difícil pensar em um sistema operacional que não ofereça conexão a outros computadores ou servidores. Os desenvolvedores de sistemas operacionais utilizam a Internet como principal meio de distribuição de atualizações do sistema e correções de bugs. É possível receber estas atualizações em CD, mas isso é cada vez menos comum. Existem sistemas operacionais completos disponíveis apenas pela Internet.

Além disso, um processo chamado NetBooting tornou possível a utilização de um sistema operacional (kernel, Interface do usuário e tudo mais) fora da máquina que ele controla. Antigamente, isso só era feito por usuários experientes em plataformas multiusuários como UNIX utilizando aplicativos especializados. O NetBooting permite que o sistema operacional de um computador seja compartilhado na rede. Qualquer computador conectado a esta rede pode usá-lo. Um servidor NetBoot pode disponibilizar sistemas operacionais para dezenas de computadores simultaneamente. O usuário utiliza o seu computador da mesma maneira como utiliza o Windows ou MacOS.

Código-fonte aberto
Uma questão sobre o futuro dos sistemas operacionais envolve uma filosofia específica de distribuição de software. O objetivo é criar um sistema operacional que seja utilizado por empresas e consumidores.

Logotipo do Linux

O Linux, um sistema operacional criado e distribuído de acordo com os princípios de código-fonte aberto teve um impacto significativo no mercado de sistemas operacionais. A maioria dos sistemas, drivers e utilitários são escritos por organizações comerciais que distribuem versões executáveis dos seus softwares. Estas versões não podem ser estudadas nem alteradas pelos usuários. O software livre tem o código-fonte aberto. Assim, o material original pode ser estudado, alterado e complementado. Além disso, os resultados são distribuídos gratuitamente. Isso gerou o desenvolvimento e a distribuição de inúmeros aplicativos gratuitos como o programa de manipulação de imagens GINP (em inglês), o popular servidor da Web Apache (em inglês) e o navegador de internet Firefox. A vantagem para os usuários é que eles podem personalizar os seus sistemas e ter mais controle sobre o comportamento de seus dispositivos.

Entrando no sistema
Muitos dispositivos como telefones celulares roteadores não permitem que o usuário acesse o sistema operacional. Na maioria das vezes, para que o sistema não seja removido ou danificado. Porém, em muitos casos, existe uma maneira de acessar o "modo do programador" que permite mudar o sistema, se você conseguir acessar este modo. Mesmo assim, estes sistemas foram criados para permitir pequenas mudanças. Em alguns dispositivos, é possível fazer grandes mudanças, principalmente naqueles que utilizam Linux. Aqui estão alguns exemplos:

• o TiVo DVR (gravador de vídeo digital) roda uma versão modificada do Linux. Todas as modificações são conhecidas pelo público e podem ser encontradas aqui (em nglês) junto com algumas ferramentas especiais de manipulação do código. Muitos usuários TiVo fizeram estas alterações para adicionar funcionalidade extra aos seus sistemas. É possível aumentar a capacidade de armazenamento, adicionar shells do UNIX e mudar o modo de vídeo de NTSC para PAL.
  

  Gravador de vídeo digital (30 horas) Philips HDR312 TiVo e Switch Workgroup 5 portas Linksys EZXS55W EtherFast 10/100

• muitos roteadores também rodam Linux, inclusive os fabricados pela Linksys. Este artigo (em inglês) da G4TechTV fala como modificar o seu roteador Linksys e controlar o Linux.