Resumo-SO-Cap2

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2. Conceitos de Hardware e Software

2.1 Hardware

• Um sistema computacional é constituído por um conjunto de componentes (circuitos) interligados formados por processadores, memória principal e dispositivos físicos como registradores, barramentos, monitores, impressoras, mouse, discos, além de outros dispositivos (hardware);

• Esses dispositivos manipulam dados (informações) na forma digital que é uma maneira confiável de representação;

• Todos os componentes de um computador são agrupados em três subsistemas básicos (unidades funcionais): o Unidade central de processamento (UCP);

o Memória principal;

o Dispositivos de entrada e saída;

• Estes subsistemas estão presentes em todo computador digital, apesar de suas implementações variarem nas diferentes arquiteturas existentes e comercializadas pelos diversos fabricantes de computadores.

Figura 4: Sistema Computacional

• Conceitos básicos dos principais componentes desses sistema: o Unidade Central de Processalmento (UCP) ou processador:

Sua função principal é unificar todo o sistema, controlando as funções realizadas por cada unidade funcional;

Controla e executa instruções presentes na memória principal através de operações básicas como somar, subtrair, comparar e movimentar dados;

A UCP busca cada instrução na memória principal e a interpreta para sua execução;

A UCP é composta por tres componentes: unidade de controle (UC), unidade lógica (ULA) e registradores;

Unidade de controle (UC): Responsável por controlar as atividades de todos os componentes do computador. Ex.: gravação de um dado no disco ou a busca de uma instrução da memória; Unidade lógica e aritmética (ULA): Responsável pela realização de operações lógicas (testes e

comparações) e aritméticas (somas e subtrações); o Registradores:

Dispositivos de alta velocidade, localizados fisicamente na UCP para armazenamento temporário de dados;

O número de registradores varia em função da arquitetura de cada processador;

Alguns registradores são de uso específico (propósitos especiais) e outros são de uso geral; Alguns registradores de uso específico são o contador de instruções, o apontador da pilha e o

registrador de estado;

O contador de instruções (CI) ou program counter (PC) armazena o endereço da próxima instrução que a UCP deverá executar. Toda vez que a UCP executa uma instrução, o PC é atualizado com um novo endereço;

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O apontador da pilha (AP) ou stack pointer (SP) contém o endereço de memória do topo da pilha (a pilha contém informações sobre tarefas que estavam sendo processadas no caso de serem interrompidas por algum motivo);

O registrador de estado, também chamado em alguns equipamentos de program status word (PSW) é responsável por armazenar informações sobre a execução do programa. A cada instrução executada, o registrador de estado é alterado conforme o resultado gerado pela instrução.

o Velocidade de processamento de uma UCP: Medida de eficiencia;

Determinada pelo número de instruções que o processador executa por unidade de tempo, normalmente segundo;

Algumas unidades de medida são:

MIPS (milhões de instruções por segundo);

MFLOPS/GFLOPS (milhões/bilhões de instruções de ponto flutuante por segundo); A tabela 1 mostra alguns processadores e suas respectivas velocidades de processamento.

Processador Velocidade de Processamento Intel 80386

Intel 80486 Item Pentium Item Pentium Pro

5 MIPS 20 MIPS 100 MIPS 250 MIPS

Tabela 1 - Velocidade de processamento de alguns computadores. o Clock

As atividades da UCP são realizadas mediante a emissão de pulsos elétricos gerados por um dispositivo chamado clock;

Dispositivo localizado na UCP que gera pulsos elétricos síncronos em um determinado intervalo de tempo (sinal de clock);

O sinal de clock é utilizado pela unidade de controle para a execução das instruções; A quantidade de vezes que este pulso se repete em um segundo define a freqüência do clock; A freqüência do clock de um processador é medida em Hertz (Hz), que é o número de pulsos

elétricos gerados em um segundo de tempo;

A freqüência também pode ser utilizada como unidade de desempenho entre diferentes processadores pois, quanto maior a freqüência, mais instruções podem ser executadas pela UCP em um mesmo intervalo de tempo.

o Memória Principal

Também conhecida como memória primária ou real é a parte do computador onde são armazenados instruções e dados;

Composta por unidades de acesso chamadas células, sendo cada célula composta por um determinado número de bits (binary digit);

O bit é a unidade básica de memória, podendo assumir o valor 0 ou 1;

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A grande maioria dos computadores de hoje utiliza o byte (8 bits) como tamanho de célula, porém encontramos computadores de gerações passadas com células de 16, 32 e ate mesmo 60 bits; Sendo assim, a memória é formada por um conjunto de células, onde cada célula possui um

determinado número de bits (Figura 5).

O acesso ao conteúdo de uma célula é realizado através de um número chamado endereço; Quando um programa deseja ler ou escrever um dado em uma célula, deve primeiro saber qual o

endereço de memória desejado, para depois realizar a operação;

A especificação do endereço é realizada através de um registrador denominado registrador de endereço de memória (memory register address - MAR);

Através do valor deste registrador, a UCP sabe qual a célula de memória que será acessada. Outro registrador usado é o registrador de dados da memória (memory buffer register—MBR):

o Guarda o conteúdo de uma ou mais células de memória após uma operação de leitura; o Guarda o dado que será transferido para a memória em uma operação de gravação; O ciclo de leitura e gravação é mostrado na Tabela 2.

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 pare a memória principal, indicando que uma operação de leitura deve ser realizada.

3. 0 conteúdo da(s) célula(s), identificada(s) pelo endereço contido no MAR é transferido para o MBR (o conteúdo fica guardado nesse lugar)

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 pare a memória principal, indicando que uma operação de gravação deve ser realizada.

4. A informação contida no MBR e transferida para a célula de memória endereçada pelo MAR.

Tabela 2 - Ciclo de leitura e gravação

A capacidade de uma memória é limitada pelo tamanho do MAR. Memória RAM (random access memory):

o Chamada de volátil, pode ser lida ou gravada; o Constitui quase a totalidade da memória principal; Memória ROM (read-only memory):

o Chamada de não volátil, não permite alterar ou apagar seu conteúdo; o Já vem pré-gravado do fabricante, geralmente com algum programa; o Seu conteúdo é preservado mesmo quando a alimentação é desligada;

Existem diversas memórias com características diferentes. Ex: EEPROM, EAROM, EAPROM, NOVRAM;

o Memória Cache

Memória volátil de alta velocidade onde o tempo de acesso a um dado nela contido é muito menor que se o mesmo estivesse na memória principal;

Quando o processador busca um dado armazenado na memória principal, ele "olha" antes na memória cache:

o Se o dado estiver la´, não ha necessidade de acessar a memória principal; o Caso contrário, o processador, transfere um bloco de dados pare a cache;

Na memória cache, o acesso é mais rápido, compensando o tempo de transferência entre as memórias;

Apesar de ser uma memória de acesso rápido, seu uso e limitado em função do alto custo. A Tabela 3 mostra a relação entre as memórias cache e principal em alguns equipamentos. HP 9000/855S IBM 3090/600S VAX 9000/440 Tamanhomáximo da memória principal 256 Mb 512 Mb 512 Mb Tamanho máximo da memória cache 256 Kb 128 Kb por UCP 128 Kb por UCP Tabela 3 - Relação entre as memórias cache e principal

o Memória Secundária

A memória secundária é um meio permanente (não volátil) de armazenamento de programas e dados;

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Enquanto a memória principal precisa estar sempre energizada pare manter sues informações, a memória secundária não precise de alimentação;

O acesso à memória secundária é lento, se comparado com o acesso a memória cache ou à principal, porém seu custo é baixo e sua capacidade de armazenamento é bem superior a da memória principal;

A figura 6 mostra os diversos tipos de armazenamento, comparando a capacidade de armazenamento com o custo e velocidade de acesso.

Figura 6: Relação entre os dispositivos de armazenamento.

o

Dispositivos de Entrada e Saída

Permitem a comunicação entre o computador (UCP e da memória principal) e o

mundo externo;

Podem ser divididos em duas categorias:

o

Os que são usados como memória secundária;

o

Os que servem para a interface homem-máquina

A comunicação pode ser feita tanto com usuários quanto com memórias

secundárias, a fim de realizar qualquer tipo de processamento;

Dispositivos usados como memória secundária:

o

Ex.: discos e fitas magnéticas;

o

Armazenam de três a quatro vezes mais informações que a memória

principal;

o

Custo é baixo;

o

O acesso é lento (leva de quatro a seis vezes mais tempo de acesso a

memória principal);

Dispositivos para a comunicação homem-máquina:

o

Ex.: Teclados, monitores de vídeo, impressoras, plotters;

o

Com o avanço no desenvolvimento de aplicações de uso cada vez mais

geral, procura-se aumentar a facilidade de comunicação entre o usuário e o

computador;

o

A implementação de interfaces mais amigáveis permite, cada vez mais,

que pessoas sem conhecimento específico sobre informática possam

utilizar o computador;

o

Scanner, caneta ótica, mouse, dispositivos sensíveis a voz humana e ao

calor do corpo humano são alguns exemplos de dispositivos mais

amigáveis.

o

Barramento

Permite a comunicação entre as unidades funcionais de um sistema operacional;

São linhas de comunicação, também chamadas bus, barras ou vias que interligam

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Consistem em um conjunto de fios paralelos (linhas de transmissão), onde

trafegam informações, como dados, endereços ou sinais de controle;

Pode ser classificado em:

o

Unidirecional: transmissão em um só sentido;

o

Bidirecional: Transmissão em ambos os sentidos;

Os barramentos são classificados em três classes:

o

Barramento processador-memória: barramento de curta extensão e alta

velocidade para que seja feita a transferência de informações entre

processadores e memória;

o

Barramentos de E/S: São mais extensos e mais lentos, permitindo a

ligação entre diversos dispositivos;

o

Barramento de backplane: Serve para integrar os dois barramentos

anteriores. Na conexão dos barramentos existem adaptadores (bus

adapter) para compatibibilizar as diferentes velocidades. Com o uso de

backpane, o número de adaptadores diminui e o desempenho melhora.

Os barramentos de diferentes fabricantes seguem determinados padrões para que

possam ser utilizados em conjunto em um mesmo sistema;

A figura 7 ilustra o barramento ligando processador e memória com os adaptadores e a figura 8

ilutra a ligação através dos barramentos de backplane.

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Figura 8: Barramento de backplane.

Na ligação entre UCP e memória principal existem três tipos de barramentos:

o

barramento de dados: transmite informações entre a memória principal e a

UCP;

o

barramento de endereços: utilizado pela UCP para especificar o endereço

da célula de memória que será acessada;

o

barramento de controle: por onde a UCP envia os pulsos de controle

relativos as operações de leitura e gravação;

A figura 9 ilustra dois tipos de configurações, onde UCP, memória principal e

dispositivos de E/S são interligados de maneira diferente, onde as linhas

correspondem aos barramentos.

Figura 9: Configurações do sistema.

o

Pipelining

Técnica que permite ao processador executar múltiplas instruções paralelamente

em estágios diferentes;

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O conceito de processamento pipeline se assemelha muito a uma linha de

montagem, onde uma tarefa é dividida em uma seqüência de subtarefas,

executadas em diferentes estágios, dentro da linha de produção;

A execução de uma instrução pode ser dividida em subtarefas, ex.:

o

busca da instrução;

o

analisador da instrução;

o

busca de operadores;

o

busca de dados;

o

execução da instrução;

o

armazenamento de dados;

O processador, através de suas unidades funcionais pipeline, permite situações

simultaneas como:

o

uma instrução se encontra na fase de execução;

o

outra instrução possa estar na fase de busca;

A técnica de pipelining pode ser empregada em sistemas com um ou mais

processadores, em diversos níveis;

É a técnica de paralelismo mais utilizada para maior desempenho dos sistemas de

computadores.

o

Ativação e desativação do Sistema:

O SO é essencial para o funcionamento de um computador, sendo que sem ele

grande parte dos recursos do sistema não estariam disponível ou seriam de dificil

utilização;

Ativação do sistema:

• Ocorre quando um computador é ligado;

• O SO é carregado da memória secundária para a memória

principal;

• Esse processo tamém é chamado de boot;

• É realizado por um programa localizado em um posição especifíca

do disco (disco block), geralmente o primeiro bloco;

• Responável também pela execução de arquivos de inicialização

contendo procedimentos de inicialização de hardware e software

específicos para cada ambiente;

• A figura 10 mostra a ativação de um sistema.

Figura 10: Ativação de um sistema.

Desativação do sistema:

• Também chamado de shutdown;

• Permite que as aplicações e componentes do sistema sejam

desativados(encerradas) de forma ordenada, garantindo a

integridade do sistema.

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