arquitetura e organização de computadores

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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO RADIAL DE SÃO PAULO Disciplina de Sistemas Operacionais 
Sistemas Operacionais – 1ª parte 
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Bibliografia 
• Arquitetura de Sistemas Operacionais 
– MACHADO, Francis B. 4ª ed, LTC, 2007. 
 
• Sistemas Operacionais com JAVA 
– SILBERSCHATZ, Abraham. 6ª ed. Editora Campus 
 
• Sistemas Operacionais Modernos 
– TANENBAUM, Andrew. 2ª ed. Editora Pearson, 2003. 
 
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Definições 
Para Tanembaum: 
 É uma máquina estendida 
– Oculta os detalhes complicados que têm quer ser executados 
– Apresenta ao usuário uma máquina virtual, mais fácil de usar 
 É um gerenciador de recurso 
– Cada programa tem um tempo com o recurso 
– Cada programa tem um espaço no recurso 
 
Para Machado: 
 Um sistema operacional por mais complexo que possa parecer, é apenas um conjunto de rotinas 
executado pelo processador, de forma semelhante aos programas dos usuários...A grande 
diferença entre um S.O. e aplicações convencionais é a maneira como suas rotinas são 
executadas em função do tempo. Um s.o. não é executado de forma linear como na maioria das 
aplicações, com inicio, meio e fim. Suas rotinas são executadas concorrentemente em função de 
eventos assíncronos, ou seja eventos que podem ocorrer a qualquer momento. 
 
Para Silberschatz: 
 Um programa que atua como intermediário entre o usuário de um computador e o hardware do 
computador 
 Objetivos do sistema operacional: 
Executar programas do usuário e facilitar a resolução de problemas do usuário 
Tornar o uso do sistema de computador conveniente 
Usar o hardware de computador de uma maneira eficiente 
 
 
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a  Visão do Sistema Operacional 
 
program adores
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A
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ai
a  Máquina de Níveis 
 
Hardware
Sistema Operacional
usuários
Utilitários
Circuitos Eletrônicos
Microprogramação
Linguagem de Máquina
Sistema Operacional
Aplicativos
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Estrutura 
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Estrutura 
• Linguagem de máquina 
– Linguagem de programação que é realmente entendida pelo 
processador, não requerendo qualquer tipo de tradução ou compilação. 
Cada processador possui um conjunto definido de instruções de 
máquina, definidos pelo seu fabricante. 
• Microarquitetura 
– Diversos dispositivos físicos são agrupados em unidades funcionais. 
Esse nível contém alguns registradores internos à CPU e unidade 
lógica-aritmética. 
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Histórico 
• Antes da década de 40 
– Em 1642 o matemático francês Blaise Pascal inventa uma máquina de somar. 
– E 1673 o matemático e filósofo alemão Gottfried Leibniz cria uma máquina de somar e 
multiplicar utilizando o conceito de acumulador. 
– Em 1820 o francês Charles Colmar inventa uma máquina capaz de executar as quatro 
operações. 
– Em 1822 o inglês Charles Babbage cria uma máquina para cálculos polinomiais. Em 1833 
ele inventa a máquina analítica → é o que mais se aproxima com o computador atual. 
Possuía unidade central de processamento, memória, dispositivos de entrada e saída. 
Augusta Ada Byron era responsável pela seqüência de instruções. 
– O inglês George Boole cria a lógica booleana. 
– Final do século XIX, Herman Hollerith cria o mecanismo de cartões perfurados. Em 1896 
funda a Tabulating Machine Company → em 1924 torna-se a International Business 
Machine (IBM). 
– Em 1930 o alemão Konrad Zue desenvolve o Z-1, uma calculadora eletronica a base de 
reles. Nos EUA, John Vincent Atanasoff e Clifford Berry desenvolvem uma máquina para 
cálculo de equações lineares → o primeiro computador da história. 
– Em 1937 o matemático ingles Alan Turing desenvolve um modelo teórico conhecido como 
Máquina Universal ou Máquina de Touring, capaz de executar qualquer seqüência de 
instruções ou algoritmos. 
 
 
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Histórico 
• Década de 1940 
– 1944, é construído o primeiro computador eletromecânico→Mark I. 
– 1945, é lançado o primeiro computador digital eletrônico→ENIAC. 
– 1949, é implementado o primeiro computador com o conceito de “programa 
armazenado”→EDSAC. 
– Nesta fase os computadores ainda não possuíam sistema operacional ou funções de 
interfaces com o usuário tais como teclados e monitores. 
– John von Neumann desenvolve a arquitetura de programação armazenada ou “arquitetura 
von Neumann”. 
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Histórico 
• Década de 1950 
– As válvulas começam a substituídas pelos transistores. 
– Em 1951 é lançado o 1º computador para fins comerciais→UNIVAC. 
– Em 1951 é posto em operação pelo MIT o Whirwind que oferece, entre 
outras inovações, a tecnologia de memória magnética e o conceito de 
processamento batch. (próximo slide) 
– O primeiro sistema operacional é desenvolvido em 1953 para tentar 
automatizar as tarefas manuais. Desenvolvido pelos usuários do 
computador IBM 701. 
– Surge as primeiras linguagens de programação de alto nível: 
FORTRAN, ALGOL E COBOL. 
 
 
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Processamento
Processamento
Processamento
(a)
(b)
(c)
fita de entrada
fita de entrada
cartões perfurados
fita de saída
relatórios
fita de saída
job 2
job n
relatório 1
relatório 2
relatório n
job 1
Processamento Batch 
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Histórico 
• Década de 60 
– É introduzido o conceito de multiprogramação permitindo que vários 
programas compartilhassem a memória ao mesmo tempo e, enquanto 
um programa executava uma entrada ou saída, o processador 
executava um outro programa. 
– A IBM lança em 1964 o System/360→seu s.o. OS/360 implementa 
sistemas batch, multiprogramação e time-sharing, este desenvolvido 
em 1962 pelo MIT. São introduzidos vídeo e teclado para interação 
usuário/máquina. 
– A Digital lança o PDP-8, criando o mercado de minicomputadores, 
antes dominado somente por mainframes. 
– Em 1969 Ken Thompson desenvolve, utilizando um PDP-7, o s.o. que 
viria a ser conhecido por Unix. 
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Histórico 
• Década 1970 
– Com a integração em larga escala e muito larga escala surge o PDP-11 
e o sistema VAX/VMS de 32 bits. 
– Em 1971 a Intel lança o primeiro microprocessador→Intel 4004 e 3 
anos depois o Intel 8080. 
– Em 1976 Steve Jobslança o Apple II de 8 bits. 
– Apple e Microsoft são criadas e o s.o. dominante é o CP/M (Control 
Program Monitor 
– São desenvolvidas as arquiteturas de rede SNA e NCP (predecessor 
do TCP/IP). 
– Em 1975 Dennis Ritchie desenvolve a linguagem C 
– Com técnicas de paralelismo, multiprocessadores e processadores 
vetoriais é lançado em 1976 o Cray-1 e surge assim os 
supercomputadores. 
 
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Histórico 
• Década de 1980 
– A IBM lança o IBM PC em 1981. Utiliza o intel8088 de 16bits e o s.o. é 
o DOS (Disk Operating Systems). 
– É lançada a arquitetura TCP/IP. 
– Na área de mini e superminis ganha impulso os sistemas multiusuários 
e surge as estações de trabalho. 
– Em 1982 é fundada a Sun Microsystems. 
– Surge os primeiros s.o. com interface gráfica para microprocessadores. 
– É lançado o Microsoft Windows e OS/2 e surgem os sistemas 
operacionais de rede com o Novell Netware e os D.O.S. (Distributed 
Operating System). 
• Década de 1990 
– Em1991 o finlandês Linus Torvalds começa a desenvolver o Linux. 
– Em 1993 a Microsoft lança o Windows NT. 
 
 
 
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Tipos de Sistemas Operacionais 
Tipos de
Sistemas Operacionais
Sistemas
Monoprogramáveis/
Monotarefa
Sistemas
com Múltiplos
Processadores
Sistemas
Multiprogramáveis/
Multitarefa
Sistemas 
Batch 
Sistemas de 
Tempo Real 
Sistemas de 
Tempo Compartilhado 
Sistemas Fortemente 
Acoplados 
Sistemas Fracamente 
Acoplados 
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Sistemas Monoprogramáveis/Monotarefa 
Memória
Principal
Dispositivos
de E/ S
UCP
programa/
tarefa
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Sistemas Multiprogramáveis/Multitarefa 
Memória
Principal
Dispositivos
de E/ S
UCP
programa/
tarefa
programa/
tarefa
programa/
tarefa
programa/
tarefa
programa/
tarefa
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Sistemas Fortemente Acoplados 
UCP UCP
Memória
Principal
Dispositivos
de E/S
Dispositivos
de E/S
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Sistemas Fracamente Acoplados 
UCP UCP
Memória
Principal
Memória
Principal
Dispositivos
de E/S
link de comunicação
Dispositivos
de E/S
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Paralelismo 
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Hardware - Componentes 
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Hardware - Componentes 
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CPU 
• Principais componentes 
– Contador de programa (PC): indica a próxima instrução a ser executada. 
– Registrador de instrução (IR): contém a instrução que está sendo 
executada. 
 
 
Memória
Principal
Dispositivos
de E/ S
Processador / UCP
Unidade Lógica
e Aritmética
Registradores
Unidade de
Controle
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Execução 
• Execução de instrução 
1. Trazer a próxima instrução da memória até o registrador. 
2. Alterar o contador de programa para indicar a próxima instrução. 
3. Determinar o tipo de instrução trazida. 
4. Se a instrução utilizar uma palavra de memória, determinar aonde esta 
palavra está. 
5. Trazer a palavra para dentro da CPU, se necessário. 
6. Executar a instrução. 
7. Voltar à etapa 1 para iniciar a execução da instrução seguinte. 
 
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Arquitetura Pipeline com 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
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CPU – Caminho de dados 
The data path of a typical Von Neumann machine. 
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Barramentos Processador-Memória e de E/S 
Barramento processador-memória
Ba
rr
am
en
to
 d
e 
E/
S
Ba
rr
am
en
to
 d
e 
E/
S
Adaptador Adaptador
Memória
Principal
UCP
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Barramento de Backplane 
Barramento processador-memória
B
a
rr
a
m
e
n
to
 d
e
 E
/S
B
a
rr
a
m
e
n
to
 d
e
 E
/S
Adaptador Adaptador
Memória
Principal
UCP
Adaptador
B
a
rr
a
m
e
n
to
d
e
 b
a
ck
p
la
n
e
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Barramento Pentium 
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Arquiteturas de processadores 
• Linguagem de máquina→ É a linguagem de programação que é 
realmente entendida pelo processador. Cada processador possui 
um conjunto de instruções definido pelo fabricante 
 
• Processador com arquitetura RISC (Reduced Intruction Set 
Computer) possui poucas instruções, em geral simples, que são 
executadas diretamente pelo hardware (SPARC_Sun). 
 
• Processador com arquitetura CISC (Complex Intruction Set 
Computer) possui instruções complexas que são interpretadas 
pelos microprogramas. (Pentium_Intel). Os microprogramas definem 
a linguagem de máquina de um computador CISC 
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Arquitetura RISC x Arquitetura CISC 
Utiltários
Circuitos Eletrônicos
Microprogramação
Linguagem de Máquina
A
r
q
u
it
e
t
u
r
a
R
I
S
C
Sistema Operacional
Aplicativos
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Memória 
• Registradores – Fazem parte do próprio processador. 
 
• Memória cache – Memória volátil de alta velocidade aonde são 
armazenados os dados mais utilizados pela CPU e resultados 
temporários. 
 
• Memória Principal – Conhecida como RAM (random access 
memory). Toda as requisições da CPU que não podem ser 
atendidas pela memória cache vão para a memória principal. 
 
• Memória Secundária – Composta pelas fitas e discos magnéticos, 
memórias flash, floppy disk, etc.. 
 
• Memórias com tecnologia CMOS. 
 
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Memória Principal com 64 Kbytes 
célula = 8 bits
e
n
d
e
r
e
ç
o
s
0
2 -1
16
2
1
instrução ou dado
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Relação entre Dispositivos de Armazenamento 
maiorcapacidade de
armazenamento
maior custo e
velocidade
de acesso
Memória Secundária
Memória Cache
Memória Principal
Registradores
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Dispositivos de E/S 
• Dispositivos compostos dor duas partes: o controlador e o 
dispositivo propriamente dito. 
• Controlador→ Dispositivo composto por um chip ou um conjunto de 
chips em uma placa. O programa que se comunica com um 
controlador é denominado driver de dispositivo. 
• Entradas e saídas podem ser realizadas como: 
– Exceção 
– Interrupção 
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Controle de Interrupção 
(a) Passos para iniciar um dispositivo de E/S e obter uma interrupção 
(b) Como a CPU é interrompida 
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Dois Métodos de E/S 
Síncrona Assíncrona