06_-_Aula_05-06_-_Conceitos_de_Hardware_e_Software_-_Completo

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08/09/2009
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SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
1/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
ARQUITETURA DE SISTEMAS OPERACIONAIS
ASSUNTO: CONCEITOS DE HARDWARE E SOFTWARE
SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
2/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
“Não viva mais de maneira fragmentada.
Conecte-se... ”
Edward Morgan Foster
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OBJETIVO
● Apresentar/revisar os conceitos básicos
de Hardware e Software relativos a
arquitetura de computadores necessários
a compreensão dos próximos assuntos
da disciplina
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4/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
SUMÁRIO
● Hardware
– Processador, memória principal, cache e memória secundária;
– Dispositivos de E/S e barramento;
– Pipelining e arquiteturas RISC e CISC;
– Análise de desempenho.
● Software
– Tradutor, interpretador e linker;
– Loader e depurador;
– Interpretador de comandos e linguagem de controle;
– Ativação/desativação do sistema.
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HARDWARE
● Sistema computacional 
– Conjunto de circuitos eletrônicos interligados
(processadores, memórias, registradores, barramentos,
monitores, etc...) que manipulam dados na forma digital,
proporcionando uma maneira confiável de
representação e transmissão destes.
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6/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
HARDWARE
– Agrupados em três subsistemas básicos, chamados de
unidades funcionais. São eles:
● Processador ou UCP;
● Memória principal; e
● Dispositivos de entrada e saída (E/S).
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● Sistema computacional
Memória
Principal
Dispositivos
de E/ S
Processador / UCP
Unidade Lógica
e Aritmética
Registradores
Unidade de
Controle
HARDWARE
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PROCESSADOR
● Unidade Central de Processamento (UCP)
– Gerencia todo sistema computacional controlando as
operações realizadas por cada unidade funcional;
– Função principal - Controlar e executar instruções
presentes na memória principal, através de
operações básicas como somar, subtrair, comparar e
movimentar dados;
– Composição - Unidade de Controle (UC), Unidade
Lógica e Aritmética (ULA) e Registradores;
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● Unidade Central de Processamento (UCP)
– Unidade de Controle (UC)
● Responsável por gerenciar as atividades de todos
os componentes do computador.
– gravação de dados em disco;
– busca de instruções na memória;
– outras.
PROCESSADOR
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● Unidade Central de Processamento (UCP)
– Unidade Lógica e Aritmética (ULA)
● Responsável pela realização das operações lógicas
(testes e comparações) e aritméticas (somas e
subtrações);
PROCESSADOR
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● Unidade Central de Processamento (UCP)
● A sincronização de todas as funções do
processador é realizada através de um sinal de
clock.
– Pulso gerado ciclicamente que altera variáveis de estado
do processador.
– Este sinal é gerado por um cristal de quartzo que, quando
corretamente polarizado, oscila numa freqüência estável e
bem determinada.
PROCESSADOR
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● Unidade Central de Processamento (UCP)
– Registradores:
● Armazenar dados temporariamente;
● É uma memória de alta velocidade (interna do
processador);
● Capacidade de armazenamento reduzida e maior
custo que a memória principal;
● Nº de registradores e capacidade dos mesmos varia
em função da arquitetura do processador;
PROCESSADOR
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● Unidade Central de Processamento (UCP)
– 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;
PROCESSADOR
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● Contador de instruções (CI) ou Program Counter (PC):
– Armazena o endereço da próxima instrução que o processador
deve buscar e executar;
● Apontador de pilha (AP) ou Stack Pointer (SP)
● Armazena o endereço de memória do topo da pilha onde o
sistema mantém informações de programas que estão sendo
executados e foram interrompidos;
● Registrador de Status ou Program Status Word (PSW):
● Armazena informações sobre execução de instruções como
concorrência e overflow.
PROCESSADOR
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● Memória principal com 64 Kbytes
célula = 8 bits
e
n
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ço
s
0
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16
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instrução ou dado
MEMÓRIA PRINCIPAL
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● Também conhecida por Memória Primária ou Real;
– Necessita estar energizada (Princípio da Memória Volátil)
– Armazenam instruções e dados (que são manipulados pela UCP);
– Composição:
● Unidades de acesso (células) composta por determinado nº de bits (unidade básica
de memória - 0 ou 1);
– Atualmente a maioria das memórias utiliza o byte (8 bits) como
tamanho de célula;
● Gerações anteriores utilizavam 16, 32 e até 60 bits;
– Acesso ao conteúdo da célula é realizado através da especificação de
um número único, chamado de endereço;
MEMÓRIA PRINCIPAL
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● Ciclos de Operações:
MEMÓRIA PRINCIPAL
Leitura Escrita
 A UCP armazena no MAR o endereço da
célula a ser lida;
 A UCP armazena no MAR o endereço da
célula que será gravada;
 A UCP gera um sinal de controle para a
MP indicando que a operação de leitura
deve ser realizada;
 A UCP armazena no MBR a informação
que deverá ser gravada;
 O conteúdo da célula identificada pelo
endereço é transferido para o MBR;
 A UCP gera um sinal de controle para a
MP, indicando que uma operação de
escrita deve ser realizada;
 O conteúdo do MBR é transferido para
um registrador da UCP.
 A informação contida no MBR é
transferida para a célula de memória
endereçada pelo MAR.
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OPERAÇÃO DE LEITURA
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U C P
U C
Controle
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Leitura: passo 1
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Leitura: passo 1
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Leitura: passo 1aU C P
U C
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Leitura: passo 1aU C P
U C
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Leitura: passo 1aU C P
U C
Controle
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Leitura: passo 2U C P
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25/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 2U C P
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26/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 2U C P
U C
Controle
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27/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 2aU C P
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Leitura: passo 2aU C P
U C
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29/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 2aU C P
U C
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30/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 3U C P
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31/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 3U C P
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Dados
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32/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 3U C P
U C
Controle
Dados
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33/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 3U C P
U C
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Dados
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34/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Leitura: passo 4U C P
U C
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Dados
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35/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
OPERAÇÃO DE ESCRITA
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36/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 1U C P
U C
Controle
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37/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 1U C P
U C
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Dados
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38/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 1aU C P
U C
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39/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 1aU C P
U C
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Dados
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40/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 1aU C P
U C
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Endereços
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41/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 2U C P
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Dados
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42/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 3U C P
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43/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 3U C P
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44/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 3U C P
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Gravação : passo 3U C P
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46/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 3U C P
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47/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 3U C P
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48/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 4U C P
U C
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Gravação : passo 4U C P
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50/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 4U C P
U C
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Dados
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SISTEMAS OPERACIONAIS– INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
51/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação : passo 4U C P
U C
Controle
Dados
Endereços
0000
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Outro reg.Outro reg.
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SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
52/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Gravação: passo 4U C P
U C
Controle
Dados
Endereços
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Outro reg.Outro reg.
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SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
53/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Memória Volátil de Alta velocidade;
– Pequena capacidade de armazenamento;
– Armazena pequena parte do conteúdo da Memória Principal;
● Finalidade:
– Minimizar a disparidade entre a velocidade do processador e a
velocidade de acesso da memória principal, reduzindo assim, o
estado de espera do processador;
● Alto custo;
MEMÓRIA CACHE
SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
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● Quando o processador faz referência a um dado
armazenado na memória, primeiro a busca é feita na
memória cache:
– Hit: (Cache Hit)
● Caso o processador encontre o dado na memória cache, não há necessidade do
acesso a memória principal, diminuindo assim o tempo de acesso;
– Miss: (Cache Miss)
● Caso o processador não encontre o dado na memória cache. Neste caso, o
acesso a memória principal é obrigatório;
MEMÓRIA CACHE
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SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
55/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Relação entre dispositivos de armazenamento
maior
capacidade de
armazenamento
maior custo e
velocidade
de acesso
Memória Secundária
Memória Cache
Memória Principal
Registradores
MEMÓRIA SECUNDÁRIA
SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
56/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Meio permanente, isto é, não-volátil de armazenamento;
● Não necessita de alimentação (energização);
● Acesso lento (milissegundos) em relação à Memória
Principal (nanossegundos);
● Baixo custo;
● Maior capacidade de armazenamento;
– Exemplos: Discos magnéticos, discos ópticos, fitas magnéticas,
etc...
MEMÓRIA SECUNDÁRIA
SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
57/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Permitem a comunicação entre o sistema computacional
e o mundo externo;
● Divididos em 2 categorias:
– Utilizados como memória Secundária (discos e fitas)
● Caracterizam-se por ter a capacidade de armazenamento bastante superior à Memória
Principal, com custo mais acessível, porém velocidade de acesso bem menor.
– Utilizados com a finalidade de comunicação (interface) usuário-
máquina (teclados, monitores, impressoras, etc...)
● A implementação de interfaces, cada vez mais amigáveis, faz com que usuários menos
experientes (pouco especializados) utilizem cada vez mais o computador, de forma
intuitiva.
DISPOSITIVOS DE E/S
SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
58/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Barramentos processador-memória e de E/S
Barramento processador-memória
Ba
rr
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to
 d
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E/
S
Ba
rr
am
en
to
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e 
E/
S
Adaptador Adaptador
Memória
Principal
UCP
BARRAMENTO
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59/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Barramento processador-memória
Ba
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en
to
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E/
S
Ba
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en
to
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E/
S
Adaptador Adaptador
Memória
Principal
UCP
Adaptador
Ba
rr
am
en
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de
 b
ac
kp
la
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● Barramento de Backplane
BARRAMENTO
SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
60/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Também conhecido como “bus”, é um meio físico de
comunicação entre as unidades funcionais de um
sistema computacional.
● Composto por:
– Linhas de Controle: Por onde trafegam as informações de
sinalização (Tipo de operação);
– Linhas de Dados: Por onde trafegam ao informações como
instruções, operandos e endereços transferidos entre as
unidades funcionais;
BARRAMENTO
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SISTEMAS OPERACIONAIS – INSTITUTO SUPERIOR FÁTIMA 2009
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● São classificados em 03 (três) tipos:
● Barramento Processador-memória:
– Possuem curta extensão e alta velocidade para que seja otimizada a
transferência de informação entre processadores e memórias.
● Barramentos de Entrada e Saída (E/S):
– Possuem maior extensão, são mais lentos e permitem a conexão de
diferentes dispositivos;
● Barramentos de Backplane
– Possuem a função de integrar dois ou mais barramentos. São utilizados
em sistemas de alto desempenho, onde o barramento de E/S não se
conecta diretamente ao Barramento Processador-Memória, que fica com
menor número de adaptadores, otimizando assim, seu desempenho.
BARRAMENTO
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● Técnica utilizada pelo processador para executar
múltiplas instruções paralelamente em estágios
diferentes;
– Muito semelhante a uma linha de montagem
● Onde uma tarefa é dividida em uma seqüência de subtarefas, executadas
dentro de uma linha de produção.
● Utilizado em sistemas com 1 ou mais processadores, em
diversos níveis e tem sido a técnica de paralelismo mais
utilizada para aumentar o desempenho dos sistemas
computacionais;
PIPELINING
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● Pipeline em quatro estágios:
Unidade de 
busca da
instrução
P1 P4P3P2
Analisador
da
instrução
Unidade de 
busca dos
dados
Unidade de 
execução da
instrução
Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5 Instr.6 Instr.7
Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5 Instr.6
Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5
Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4
P1
P2
P3
P4
tempo
PIPELINING
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● A linguagem de máquina de um computador é a linguagem de
programação realmente entendida pelo processador;
● Cada processador tem um conjunto definido de instruções de
máquina;
● Um programa em linguagem de máquina pode ser diretamente
executado pelo processador, não requerendo qualquer tipo de
tradução ou relocação.
● RISC = Reduced Instruction Set Computer
● CISC = Comples Instruction Set Computer
ARQUITETURAS RISC E CISC
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● RISC caracteriza-se por:
– Possuir poucas instruções de máquina;
– Instruções bastante simples;
– Instruções executadas diretamente pelo Hardware.
● Instruções não acessam à memória Principal;
● Trabalham principalmente com os registradores, que nesta
arquitetura, apresentam-se em grande número.
– Facilitam a implementação do Pipelining.
ARQUITETURAS RISC E CISC
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● CISC caracteriza-se por:
– Possuir muitas instruções de máquina;
– Instruções complexas;
– Instruções interpretadas por microprogramas.
● Quaisquer instruções podem referenciar a Memória Principal;
● Nesta arquitetura, o número de registradores é pequeno.
– A implementação do Pipelining é mais difícil.
ARQUITETURAS RISC E CISC
08/09/2009
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RISC CISC
Poucas instruções Muitas instruções
Instruções executadas pelo hardware Instruções executadas por microcódigos
Instruções em formato fixo Instruçõesem diversos formatos
Instruções utilizam poucos ciclos de
máquina
Instruções utilizam múltiplos ciclos
Instruções com poucos modos de
endereçamento
Instruções com diversos modos de
endereçamento
Arquitetura com muitos registradores Arquitetura com poucos registradores
Arquitetura pipelining Pouco uso da técnica pipelining
SPARC (Sun), RS-6000 (IBM) VAX (DEC), Pentium (Intel)
ARQUITETURAS RISC E CISC
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● Arquiteturas Híbridas:
– Arquiteturas CISC existiam em grande quantidade, quando da criação
das Arquiteturas RISC;
– Uma possível mudança de arquitetura , CISC para RISC, iria resultar em
um desperdício enorme de dinheiro por parte das empresas;
– a Intel fez uma aglomeração das duas arquiteturas, surgindo assim a
ARQUITETURA HÍBRIDA;
ARQUITETURAS RISC E CISC
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● Melhorias advindas das Arquiteturas Híbridas:
– Possibilitou uma melhor compatibilidade de software e hardware;
– Estabilizou o custo das máquinas e software;
– Ampliou a possibilidade de construção de hardware e software em
diferentes linguagens; e
– Aumentou a capacidade de processamento das máquinas, em geral.
ARQUITETURAS RISC E CISC
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● Ciclo de clock:
– Intervalo de tempo entre os pulsos de um sinal de clock - (Período);
● Freqüência do clock:
– Inverso do ciclo de clock, ou seja, nº de pulsos gerados em um segundo;
– Medida é dada em Hertz (Hz) ou seus múltiplos (KHz, MHz, GHz...);
● Desempenho do processador:
– Tempo para executar um mesmo programa;
ANÁLISE DE DESEMPENHO
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● Desempenho do processador:
– Tempo para executar um mesmo programa;
● Tempo de UCP = Nr ciclos clock para executar um programa
Freqüência do clock
● Benchmark:
– Técnica que permite a análise de desempenho comparativo entre sistemas
computacionais;
– Um conjunto de programas é executado em cada sistema avaliado e os tempos
de execução são então comparados.
ANÁLISE DE DESEMPENHO
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● Conjunto de programas utilizado como interface entre as
necessidades do usuário e a capacidade do hardware.
● Utilitário:
– Softwares relacionados mais diretamente com serviços
complementares do sistema operacional, tais como:
● Compiladores;
● Linkers;
● Depuradores.
– Softwares desenvolvidos pelos usuários serão denominados de
aplicativos ou apenas aplicações.
SOFTWARE
08/09/2009
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programa fonte programa objetoTradutor
Compilador
TRADUTOR
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● Convertem as linguagens de montagem e de alto nível
em linguagem de máquina;
– Gera módulo-objeto, que, na maioria das vezes, ainda não pode
ser executado, pois um programa pode chamar sub-rotinas
externas e o Tradutor não tem como fazer tais associações.
(Função realizada pelo Linker, que será visto mais adiante).
TRADUTOR
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● Tipos de Tradutor:
– Montador (Assembler)
● Traduz programa fonte para programa objeto não-executável (módulo objeto)
que não são portáveis entre máquinas diferentes;
● A linguagem de montagem é particular para cada processador, assim como
a linguagem de máquina;
– Compilador
● Gera, a partir de um programa escrito em linguagem de alto nível, um
programa de máquina não-executável;
TRADUTOR
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● É um Tradutor que não gera módulo-objeto;
– Traduz cada comando de um programa-fonte escrito em linguagem de alto
nível e os executa imediatamente;
● Desvantagem:
– Tempo gasto na tradução das instruções, pois não existe a geração do
código executável
● Vantagem:
– Permitir a implementação de dados dinâmicos (podem mudar de tipo
durante a execução do programa, aumentando assim, a flexibilidade.
INTERPRETADOR
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LINKER
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● Utilitário responsável por gerar, a partir de um ou mais módulos-
objeto, um único programa executável;
● Funções básicas:
– Resolver todas as referências simbólicas existentes entre os módulos;
– Reservar memória para execução do programa;
– Relocação que determina a região da memória no qual o programa será
carregado para execução.
● Bibliotecas:
– São arquivos que contêm diversos módulos-objeto e/ou definições de
símbolos.
LINKER
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● Ou Carregador, é o utilitário responsável por carregar na
memória principal um programa para ser executado;
● Pode ser classificado em:
– Loader absoluto:
● Quando o código executável for absoluto, ou seja, o Loader só necessita
conhecer o endereço de memória inicial e o tamanho do módulo para fazer o
carregamento;
– Loader relocável:
● Quando o programa pode ser carregado em qualquer posição de memória,
ficando o Loader responsável pela relocação somente no momento do
carregamento.
LOADER
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● Depurar é um dos estágios do desenvolvimento de um
programa;
● O depurador (debugger) é o utilitário que permite ao usuário
(programador) acompanhar toda a execução de um programa
a fim de detectar erros na sua lógica;
DEPURADOR
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● Oferece recursos como:
– Acompanhar a execução do programa (instrução por instrução);
– Possibilitar a alteração e visualização do conteúdo de variáveis;
– Implementar pontos de parada dentro do programa (breakpoint),
de forma que, durante a execução o programa para
especificamente nesses pontos;
– Especificar que, toda vez que o conteúdo de uma variável for
modificado, o programa envie uma mensagem (Watchpoint).
DEPURADOR
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82/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Interpretador de comandos ou shell permite ao usuário interagir com o
sistema;
– Através de comandos simples, o usuário pode ter acesso a diversas
funções e rotinas específicas do sistema operacional;
● O conjunto de comandos disponíveis pelo interpretador é conhecido
como linguagem de controle, ou linguagem de comandos.
● Em geral, o interpretador de comandos não faz parte do sistema
operacional;
– Diversos sistemas operacionais possibilitam ao usuário escolher qual interpretador
utilizar;
● As linguagens de controle evoluem no sentido de permitir uma interação
mais amigável com os usuários.
INTERPRETADOR DE COMANDOS
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83/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
Disco Memória
Principal
boot
Sistema
Operacional
Área do
Sistema
Operacional
ATIVAÇÃO/DESATIVAÇÃO DO SISTEMA
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84/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Inicialmente, todo Sistema Operacional reside na memória
Secundária (discos ou fitas ou outros dispositivos portáteis);● Quando ligamos o computador, o sistema operacional tem
que ser carregado em memória. Esse procedimento chama-
se ativação do sistema (boot);
– É realizado por um programa localizado em um bloco específico do disco
(boot block);
ATIVAÇÃO/DESATIVAÇÃO DO SISTEMA
08/09/2009
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85/85Prof. Carlos Maurício de B. Mello
● Além da carga do sistema operacional, a ativação do
sistema também consiste na execução de arquivos de
inicialização;
– Nestes arquivo são especificados parâmetros de customização e
configuração de hardware e softwares específicos de cada ambiente;
● O processo de desativação (shutdown) permite que as
aplicações e componentes do sistema operacional sejam
desativados de forma ordenada, garantindo assim, sua
integridade.
ATIVAÇÃO/DESATIVAÇÃO DO SISTEMA
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● Questionamentos
● Conclusão
● Lista de exercícios
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● Bibliografia
– Sistemas Operacionais – H. M. Deitel, P. J. Deitel
e D. R. Choffnes – 3. Edição, 2005 – Editora
Pearson – São Paulo;
– Arquitetura de Sistemas Operacionais – Francis 
Berenger Machado e Luiz Paulo Maia – 4. Edição, 
2006 – Editora LTC – Rio de Janeiro