Como o sistema operacional pode ser executado no mesmo chip que deveria estar gerenciando?

Pelas minhas leituras sobre sistemas operacionais (lendo o material básico na Wikipedia, sites de tecnologia etc.), aprendi que o sistema operacional é um programa que permite que programas e aplicativos interajam com o hardware de maneira eficiente e segura.

No entanto, estou confuso sobre como o sistema operacional supervisiona a operação do computador quando ele próprio precisa ser operado.

O que eu quero dizer? Bem, a maneira como eu imaginaria um sistema operacional para trabalhar, é que em um computador, haveria duas CPUs. Um que executa o sistema operacional o tempo todo e outro que o sistema operacional usa para executar o computador. No entanto, verifica-se que o sistema operacional está sendo executado na mesma CPU que os outros processos. É como um gerente que precisa trabalhar na mesma linha de produção de seus funcionários e só pode usar as ferramentas elétricas quando outro funcionário termina com eles. Ele não seria um gerente muito eficaz, pois não teria a capacidade de emitir pedidos se o funcionário fosse um pouco indisciplinado.

Então, como é possível que o sistema operacional execute apenas parte do tempo na mesma CPU que precisa ser compartilhada entre todos os outros processos? Como isso acaba dando certo?

As CPUs modernas estão cientes do sistema operacional até um certo grau. Eles fornecem algumas "ferramentas de poder" para o primeiro que os reivindicar. Normalmente, esse é o carregador de inicialização, que passa o controle para o sistema operacional. Geralmente se fala de "modo kernel" vs "modo usuário" ou "anel 0" vs "anel 3" para distinguir entre um processo com privilégios extras e o restante.

Essas "ferramentas de poder" são certos privilégios para o gerenciamento de recursos: controle a memória, acesso ao hardware e por quanto tempo o código no nível do usuário pode ser executado sem interrupção.

A CPU executa o sistema operacional com seus privilégios especiais quando ocorre um dos seguintes eventos:

1. Um processo no modo usuário entrega explicitamente o controle ao processo no modo kernel. Isso é chamado de syscall .
2. O processo no modo kernel pode usar seus privilégios especiais para se registrar em determinados eventos (por exemplo, o hardware externo envia um sinal especial para a CPU ou um processo no espaço do usuário tenta acessar um recurso reservado). Quando isso ocorre, a CPU interrompe o processo no modo usuário imediatamente e entrega ao controle o processo no modo kernel. Geralmente se fala de uma interrupção .

Portanto, o sistema operacional pode ser executado no mesmo chip porque o chip foi criado para isso. Pode reservar privilégios especiais para si. A CPU pode interromper todos os outros trechos de código sem esses privilégios especiais a qualquer momento e entregar o controle ao sistema operacional.

Alguns chips com suporte muito limitado (por exemplo, um microcontrolador ) não têm esse suporte para código privilegiado especial. Esses chips geralmente são executados sem um sistema operacional. Há apenas um grande programa em execução, que pode acessar o hardware diretamente, deve responder às interrupções do hardware e pode acessar qualquer recurso a qualquer momento. Se esse programa cometer um erro, geralmente tudo trava.

Em sua forma mais primitiva, os sistemas operacionais dependem de processos que sejam bem comportados e devolvam o controle ao sistema operacional de tempos em tempos. Se um processo não for bem-comportado, pode acontecer que o sistema operacional congele.

A maioria das CPUs, no entanto, tem interrupções : uma interrupção interrompe o processo atual (preempção) e o controle das mãos de volta ao sistema operacional. Você pode agendar interrupções para ocorrer em intervalos específicos ou ser acionado externamente (por exemplo, pressionando o botão de reset).

Basicamente, a CPU alterna entre a execução do SO e os processos em uma velocidade incrivelmente rápida. Além disso, as CPUs têm "modo de usuário" e "modo de kernel". Os processos são executados no modo de usuário e o sistema operacional é executado no modo de kernel. A execução no modo de usuário impede que um processo execute comandos restritos (como E / S). Se um processo deseja gravar no disco, ele precisa solicitar ao SO. O sistema operacional muda para o modo kernel e grava em nome do processo (depois de garantir que o processo tenha as permissões necessárias).

Você não precisa de dois processadores diferentes para o microprocessador executar o espaço do usuário e o código de espaço do kernel. Basicamente, funciona dessa maneira quando você liga o computador ao Bios carrega o Bootloader (código de 512kb no disco que termina com a assinatura do gerenciador de inicialização) para ram e através desse gerenciador de inicialização seu kernel é carregado para ram e roda para sempre até você desligar o computador. E o seu kernel gerencia a memória e não permite que o código do kernel que fica no RAM não seja substituído pelo código de espaço do usuário. Para esse propósito, existem chamadas de sistema cujo código de espaço de usuário é chamado usando essas chamadas de sistema e adiciona seu código de espaço de usuário ao ram e começa a executá-lo. Nos sistemas operacionais, esse conceito é pesquisado como um gerenciamento de memória. Aqui está o link que você pode ler, é muito bom para começar https://www.cs.bham.ac.uk/~exr/lectures/opsys/10_11/lectures/os-dev.pdf

Para desenvolver outras respostas, é mais fácil entender se você acha que o próprio kernel não é um processo, mas um código de gerenciamento. Qualquer processo do usuário pode mudar do modo de usuário para o modo de kernel e executar o código do kernel (instruções privilegiadas) usando alguma parte do espaço do kernel. Em seguida, o processo pode voltar ao modo de usuário e executar no espaço do usuário novamente.