SISTEMAS OPERACIONAIS CONCEITOS DE HARDWARE E SOFTWARE Prof

SISTEMAS OPERACIONAIS CONCEITOS DE HARDWARE E SOFTWARE Prof. André Luís Alves E. M. DR. LEANDRO FRANCESCHINI

INTRODUÇÃO Nesta aula, serão apresentados conceitos básicos de hardware e software relativos à arquitetura de computadores e necessários para a compreensão das aulas posteriores. Os assuntos não serão abordados com profundidade, porém podem ser consultadas referências como (Patterson e Hennesy, 1998), (Stallings, 1999) e (Tanenbaum, 1992) para mais informações.

OBJETIVO • Conhecer os principais componentes de um sistema computacional e conceituá-los.

SISTEMA COMPUTACIONAL q Conjunto de circuitos eletrônicos interligados § Composição • • Processadores Memórias Registradores Barramentos Monitores de vídeo Impressoras Mouse Discos magnéticos Sistema computacional

SISTEMA COMPUTACIONAL q Unidades funcionais § Todos os componentes de um sistema computacional são agrupados em 3 subsistemas básicos, chamados unidades funcionais: • Processador ou Unidade Central de Processamento • Memória Principal • Dispositivos de entrada/saída v. Estes subsistemas estão presentes em qualquer tipo de computador digital, independente da arquitetura ou fabricante.

Unidades Funcionais q PROCESSADOR (UCP) § Gerente do sistema computacional pois controla cada uma das demais unidades funcionais. § PRINCIPAL FUNÇÃO • Controlar, executar instruções presentes na memória principal, através de operações básicas como somar, subtrair comparar e movimentar dados § COMPOSIÇÃO • Unidade de Controle (UC): responsável por gerenciar as atividades de todos os componentes do computador. • Unidade Lógica e Aritmética (ULA): responsável pela realização de operações lógicas (testes e comparações) e aritméticas (somas e subtrações).

PROCESSADOR (UCP) § SINCRONIZAÇÃO • A sincronização de todas as funções do processador é realizada através de um sinal de clock (pulso gerado ciclicamente que altera as variáveis de estado do processador). O sinal de clock é gerado a partir de uma cristal de quartzo que, devidamente polarizado, oscila em uma determinada frequência estável e bem determinada

REGISTRADORES § Conjunto de memória de alta velocidade interna do processador § Armazenam dados temporariamente § Baixa capacidade de armazenamento § Custo elevado em comparação às demais memórias § Variam em número em função da arquitetura de cada computador q Tipos de registradores § Registradores de uso geral: podem ser manipulados diretamente por instruções. § Registradores de uso específico: armazenam informações de controle do processador e do sistema operacional.

REGISTRADORES q REGISTRADORES DE USO ESPECÍFICO § Contador de Instruções (CI) • Program Counter (PC) • Contém o endereço da próxima instrução que o processador deve buscar e executar • Atualizado a cada nova instrução encontrada § Apontador da Pilha (AP) • Stack Pointer (SP) • Contém o endereço do topo da pilha, que é a estrutura de dados onde o sistema mantém informações sobre programas que estão sendo executados e tiveram que ser interrompidos.

REGISTRADORES q REGISTRADORES DE USO ESPECÍFICO § Registrador de Status • Program Status Word (PSW) • Responsável por armazenar informações sobre a execução de instruções, como a ocorrência de overflow 1. • A maioria das instruções, quando executadas, altera o registrador de status conforme o resultado. overflow 1 : transbordamento de dados ou estouro de buffer é uma anomalia onde um programa, ao escrever dados em um buffer, ultrapassa os limites do buffer e sobrescreve a memória adjacente. Esse é um caso especial de violação de segurança de memória.

MEMÓRIA PRINCIPAL § Também conhecida como primária ou real § Local onde são armazenados instruções e dados § Composta por unidades de acesso chamadas células, sendo cada célula composta por um determinado número de bits (unidade básica de memória)

ESPECIFICAÇÃO DE ENDEREÇOS § MAR (Memory Address Register) • Registrador de endereço de memória • Especifica em qual endereço será lido ou escrito um dado por um determinado programa • Através do conteúdo desse registrador, a unidade central sabe qual a célula de memória que será acessada § MBR (Memory Buffer Register) • Registrador de dados da memória • Utilizado para guardar o conteúdo de uma ou mais células de memória, após a operação de leitura, ou para guardar o dado que será transferido para a memória em uma operação de gravação • Veja a seguir o ciclo de leitura e gravação:

MEMÓRIA PRINCIPAL § Ciclo de leitura e gravação: Operação de Leitura Operação de Gravação 1. A UCP armazena no MAR o endereço da célula a ser lida. 2. A UCP gera um sinal de controle para a memória principal, indicando que uma operação de leitura deve ser realizada. 3. O conteúdo da(s) célula(s), identificada(s) pelo endereço contido no MAR, é transferido para o MBR. 4. O conteúdo do MBR é transferido para um registrador da UCP 1. A UCP armazena no MAR o endereço da célula que será gravada. 2. A UCP armazena no MBR a informação que deverá ser gravada. 3. A UCP gera um sinal de controle para a memória principal, indicando que uma operação de gravação deve ser realizada. 4. A informação contida no MBR é transferida para a célula de memória endereçada pelo MAR.

MEMÓRIA PRINCIPAL q CLASSIFICAÇÃO • Pode ser classificada de acordo com a sua volatilidade, que é a capacidade de a memória preservar o seu conteúdo mesmo sem uma fonte de alimentação. v RAM (Random Access Memory) ü Leitura/Gravação ü Volátil v ROM (Read-Only Memory) ü Apenas de leitura ü Não Volátil

MEMÓRIA CACHE § Volátil § Alta velocidade § Alto custo § Pequena capacidade de armazenamento § FUNÇÃO • Minimizar a disparidade existente entre a velocidade com que o processador executa instruções e a velocidade com que dados são lidos e gravados na memória principal.

MEMÓRIA CACHE § FUNCIONAMENTO • Armazena uma pequena parte do conteúdo da memória principal; • Quando o processador faz referência a um dado armazenado na memória, é verificado, primeiramente, se o mesmo encontra-se na memória cache (cache hit); • Caso encontre, não há necessidade do acesso à memória principal, diminuindo assim o tempo de acesso; • Se a informação não estiver presente na cache, o acesso à memória principal é obrigatório (cache miss).

MEMÓRIA CACHE § HIERARQUIA • Hierarquizar a cache é uma solução para aumentar o desempenho no funcionamento das mesmas. • A maioria dos processadores apresenta uma arquitetura de memória cache de múltiplos níveis. • A base desse princípio é de quanto menor a capacidade de armazenamento da cache, mais rápido é o acesso ao dado, contudo, a probabilidade de cache hits é menor. § NÍVEIS • L 1 • L 2

MEMÓRIA CACHE Buscar informação em L 1 § NÍVEIS • L 1 (Level 1) > Nível de cache mais alto; > Baixa capacidade de armazenamento; > Altíssima velocidade de acesso. Buscar informação em L 2 [não existe] [existe] • L 2 (Level 2) > Maior capacidade de armazenamento; > Velocidade acesso inferior à L 1 [não existe] Buscar informação na MP Representação simplificada do processo de busca de informação pelo processador em L 1 e L 2 Obs. : um processador pode ser projetado com diversos níveis de cache, conforme especificação do fabricante.

MEMÓRIA SECUNDÁRIA § Permanente (não volátil); § Acesso lento; § Baixo custo § Altíssima capacidade de armazenamento § Exemplos: fita magnética, disco magnético e disco óptico. Obs. : enquanto a unidade de acesso à memória secundária é da ordem de milissegundos, o acesso à memória principal é da ordem de nanosegundos.

Relação entre os diversos tipos de dispositivos de armazenamento (custo, velocidade e armazenamento)

DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA (E/S) § Possibilitam a comunicação entre o sistema computacional e o mundo externo. § CATEGORIAS • Memória secundária (discos e fitas magnéticas) • Interface usuário-máquina (teclados, monitores de vídeo, impressoras, scanner, caneta ótica, mouse, dispositivos sensíveis a voz humana e tato).

BARRAMENTO (BUS) § Meio de comunicação compartilhado que permite a comunicação entre as unidades funcionais de um sistema computacional. Linhas de Controle Ex. : tipo de operação que está sendo realizada Tráfego de informações de sinalização Linhas de Dados Ex. : tipo de operação que está sendo realizada

BARRAMENTO (BUS) § CLASSIFICAÇÃO Processador-Memória • Curta extensão • Alta velocidade • Otimizam a transferência de informação entre processadores e memória E/S • Longa extensão • Baixa velocidade • Permitem a conexão de diferentes dispositivos Backplane

Bibliografia Machado, Francis Berenger / Maia, Luiz Paulo. Arquitetura de Sistemas Operacionais - 4ª Ed. LTC, 2007. TANENBAUM, A. S. Sistemas Operacionais Modernos: 2ª edição, São Paulo, editora Prentice Hall, 2003. SILBERSCHATZ, A. Sistemas Operacionais – Conceitos: São Paulo, Ed. LTC, 2004.