1 - Arquitetura em Hardware

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ARQUITETURA DE HARDWARE
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INTRODUÇÃO
PRECISAMOS TER UM CONHECIMENTO GERAL DA ARQUITETURA ANTES DE DETALHARMOS O FUNCIONAMENTO DO S.O
O S.O PRECISA GARANTIR A OPERAÇÃO CORRETA DOS SISTEMAS DE COMPUTAÇÃO
PARA QUE OS PROGRAMAS DE USUÁRIO NÃO INTERFIRAM NA OPERAÇÃO ADEQUADA DO SISTEMA, O HARDWARE DEVE FORNECER OS MECANISMOS APROPRIADOS PARA O CORRETO FUNCIONAMENTO DO MESMO
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FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS COMPUTACIONAIS
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FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS COMPUTACIONAIS
CPU
BARRAMENTO
MEMÓRIA PRINCIPAL - RAM
MEMÓRIA SECUNDÁRIA – VÁRIOS TIPOS
MEMÓRIA CACHE
SISTEMA DE ENTRADA E SAÍDA (I/O)
CONTROLADORES
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FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS COMPUTACIONAIS
A CPU E AS CONTROLADORAS DE DISPOSITIVOS PODEM EXECUTAR DE MODO CONCORRENTE COMPETINDO PELOS CICLOS DE MEMÓRIA PARA GARANTIR O ACESSO CORRETO À MEMÓRIA COMPARTILHADA
CONTROLADORA DE MEMÓRIA – SUA FUNÇÃO É SINCRONIZAR O ACESSO À MEMÓRIA
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FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS COMPUTACIONAIS
QUANDO UM COMPUTADOR É LIGADO OU REINICIALIZADO ELE PRECISA TER UM PROGRAMA INICIAL PARA EXECUTAR – PROGRAMA DE PARTIDA – BOOTSTRAP PROGRAM – POPULARMENTE “BIOS” - ROM
ESTE PROGRAMA INICIAL É, GERALMENTE, MUITO PEQUENO E INICIALIZA TODOS OS ASPECTOS DO SISTEMA, DESDE REGISTRADORES DE CPU ATÉ CONTROLADORES DE DISPOSITIVOS PASSANDO PELO CONTEÚDO DA MEMÓRIA
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FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS COMPUTACIONAIS
PASSADA A ETAPA DE INICIALIZAÇÃO DE HARDWARE O PROGRAMA INICIAL “CHAMA” A EXECUÇÃO DE ALGUM SISTEMA OPERACIONAL PARA A MEMÓRIA PRINCIPAL
A PARTIR DAÍ, O HARDWARE É CONTROLADO PELO SISTEMA OPERACIONAL QUE FICA A ESPERA DE EVENTOS – INTERRUPÇÕES POR HARDWARE OU POR SOFTWARE
O HARDWARE ENVIA A INTERRUPÇÃO PELO BARRAMENTO ATÉ O PROCESSADOR
O SOFTWARE ENVIA A INTERRUPAÇÃO ATÉ O PROCESSADOR ATRAVÉS DE UMA OPERAÇÃO ESPECIAL DENOMINADA CHAMADA AO SISTEMA – SYSTEM CALL
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FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS COMPUTACIONAIS
 - EXEMPLOS DE EVENTOS QUE PODEM CHAMAR UM INTERRUPÇÃO:
OPERAÇÃO DE I/O
DIVISÃO POR ZERO
ACESSO INVÁLIDO A MEMÓRIA
ALGUM PEDIDO POR ALGUM SERVIÇO DE SISTEMA OPERACIONAL
DENTRE OUTROS
- PARA CADA INTERRUPÇÃO UMA ROTINA DE SERVIÇO É DESIGNADA PARA TRATAR A INTERRUPÇÃO
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FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS COMPUTACIONAIS
QUANDO A CPU É INTERROMPIDA, ELA PARA O QUE ESTÁ FAZENDO E IMEDIATAMENTE TRANSFERE A EXECUÇÃO PARA UM LOCAL FIXO
ESTE LOCAL FIXO GERALMENTE CONTÉM O ENDEREÇO DE INÍCIO ONDE ESTÁ LOCALIZADA A ROTINA DE SERVIÇO PARA A INTERRUPÇÃO
A ROTINA EXECUTA DEPOIS A CPU RETOMA O PROCESSAMENTO COMPUTACIONAL INTEROMPIDO
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FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS COMPUTACIONAIS
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INTERRUPÇÕES
AS INTERRUPÇÕES SÃO UMA PARTE IMPORTANTE DE UMA ARQUITETURA DE COMPUTADOR
AS INTERRUPÇÕES DEVEM SER TRATADAS RÁPIDAMENTE
TABELA DE PONTEIROS – GERALMENTE ARMAZENADO EM MEMÓRIA BAIXA – GUARDAM OS ENDEREÇOS DAS ROTINAS DE INTERRUPÇÃO DE SERVIÇO PARA OS VÁRIOS DISPOSITIVOS
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INTERRUPÇÕES
A ARQUITETURA DE INTERRUPÇÃO DEVE SALVAR O ENDEREÇO DA INSTRUÇÃO INTERROMPIDA – USA-SE A PILHA.
CASO PRECISE MODIFICAR O ESTADO DO PROCESSADOR, DEVERÁ SALVAR OS REGISTRADORES E DEPOIS DO TRATAMENTO DA INTERRUPÇÃO RESTAURA-LOS
OS S.O SÃO BASEADOS EM INTERRUPÇÕES, OU SEJA FICAM ESPERANDO UMA OCORRER
POR SOFTWARE É DENOMINADA EXCEÇÃO OU TRAP
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ESTRUTURA DE I/O
A CONTROLADORA DE DISPOSITIVOS POSSUI UM BUFFER LOCAL E ALGUNS REGISTRADORES DE PROPÓSITO ESPECIAL ELA É RESPONSÁVEL PELA PASSAGEM DE DADOS ENTRE OS DISPOSITIVOS QUE ELA CONTROLA E O BUFFER LOCAL.
EXEMPLOS DE DISPOSITIVOS DE I/O
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INTERRUPÇÕES DE I/O
PARA COMEÇAR UMA OPERAÇÃO DE I/O, A CPU CARREGA OS REGISTRADORES ADEQUADOS DENTRO DA CONTROLADORA DE DISPOSITIVOS, POR EXEMPLO UM PEDIDO DE LEITURA – TRANFERIRÁ DADOS DE UM DISPOSITIVO PARA O SEU BUFFER LOCAL, QUANDO TERMINAR A TRANSFERÊNCIA INFORMA A CPU DISPARANDO UMA INTERRUPÇÃO
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INTERRUPÇÕES DE I/O
I/O SÍNCRONA – A I/O É INICIADA QUANDO TIVER SIDO CONCLUÍDA O PROCESSO É DEVOLVIDO PARA O USUÁRIO
I/O ASSÍNCRONA – A I/O DEVOLVE O PROCESSO PARA O USUÁRIO SEM ESPERAR QUE ELA TERMINE
A ESPERA PELA CONCLUSÃO DE I/O PODE SER FEITA, POR EXEMPLO, PELO COMANDO WAIT
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INTERRUPÇÕES DE I/O
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INTERRUPÇÕES DE I/O
OS S.O ATUAIS USAM O MÉTODO ASSÍNCRONO
COMO EXISTEM MUITOS DISPOSITIVOS DE I/O O S.O UTILIZA UMA TABELA DE STATUS DE DISPOSITIVOS
A TABELA INDICA O TIPO, ENDEREÇO, ESTADO (NÃO FUNCIONA, OCIOSO, OCUPADO)
FILA DE ESPERA PARA CADA DISPOSITIVO DE I/O
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INTERRUPÇÕES DE I/O
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INTERRUPÇÕES DE I/O
UM DISPOSITIVO I/O INTERROMPE QUANDO PRECISA DE SERVIÇO
QUANDO OCORRE A INTERRUPÇÃO PRIMEIRAMENTE O S.O DETERMINA QUE DISPOSITIVO CAUSOU A INTERRUPÇÃO
CONSULTA A TABELA PARA DEFINIR O STATUS E A MODIFICA
QUANDO TERMINA O CONTROLE É DEVOLVIDO AO S.O
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INTERRUPÇÕES DE I/O
OS ESQUEMAS USADOS POR DISPOSITIVOS DE I/O PODEM VARIAR PORÉM É MUITO COMUM O USO DE BUFFER
A VANTAGEM DA I/O ASSÍNCRONA É A MAIOR EFICIÊNCIA DO SISTEMA POIS AS OPERAÇÕES DE I/O SÃO MAIS LENTAS QUE AS DA CPU
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ESTRUTURA DE DMA
DMA – DIRECT MEMORY ACCESS – ACESSO DIRETO A MEMÓRIA
POSSUI UM “ESPAÇO” PRÓPRIO NA MEMÓRIA
FAZ A TRANFERÊNCIA DE DADOS SEM INTERVENÇÃO DA CPU
A INTERRUÇÃO É GERADA PRO BLOCO
A PARTIR DAÍ O PROCESSO DE INTERRUPÇÃO É O MESMO
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ESTRUTURA DE ARMAZENAMENTO
OS PROGRAMAS DE COMPUTADOR PRECISAM ESTAR NA MEMÓRIA PRINCIPAL – RAM – PARA SEREM EXECUTADOS
A MEMÓRIA PRINCIPAL É A ÚNICA ÁREA DE ARMAZENAMENTO QUE A CPU PODE ACESSAR DIRETAMENTE
INSTRUÇÃO LOAD (“LER”) E STORE (“GRAVAR”) MOVEM DADOS DA MEMÓRIA PARA UM REGISTRADOR INTERNO DA CPU
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ESTRUTURA DE ARMAZENAMENTO
 - IDEALMENTE, TERÍAMOS DADOS E PROGRAMAS DE FORMA PERMANENTE NA MEMÓRIA RAM ISSO NÃO É POSSÍVEL POIS:
A MEMÓRIA PRINCIPAL GERALMENTE É PEQUENA DEMAIS PARA ARMAZENAR TODOS OS PROGRAMAS
A MEMÓRIA DO TIPO RAM É VOLÁTIL – HOJE DDR3
 - POR ISSO EXISTE O ARMAZENAMENTO SECUNDÁRIO
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ESTRUTURA DE ARMAZENAMENTO
ALGUNS DISPOSITIVOS DE I/O SÃO MAPEADOS NA MEMÓRIA PRINCIPAL – TEMPO DE RESPOSTA RÁPIDO EX. CONTROLADORAS DE VÍDEO
REGISTRADORES INTERNOS APROXIMADAMENTE 1 CICLO DE CLOCK
MEMÓRIA PRINCIPAL VÁRIOS CICLOS DE CLOCK
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ESTRUTURA DE ARMAZENAMENTO
- MEMÓRIA SECUNDARIA – NÃO VOLÁTIL
HD´S – MAGNETICOS / FLASH
PEN DRIVES
CD´S / DVD´S
DISQUETES
BLU-RAY
OUTROS
FITAS DAT (MAIS UTILIZADAS PARA BACKUP)
ETC.
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ESTRUTURA DE ARMAZENAMENTO
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ESTRUTURA DE ARMAZENAMENTO
 	CONEXÕES DOS DISPOSITIVOS:
SATA I E II
IDE
SCSI
OUTROS
	POSSUEM CACHE
	CONTROLADORES POSSUEM CPU
	BARRAMENTO
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ESTRUTURA DE ARMAZENAMENTO
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ESTRUTURA DE ARMAZENAMENTO
 - MEMÓRIA SECUNDÁRIA
 - AQUI ENTRAM AS “PARTICÕES”, OU SEJA OS TIPOS QUE OS DISPOSITIVOS SÃO PREPARADOS PARA SEREM ACESSADOS EX:
NTFS, FAT32, FAT16, FAT12
EXT2, EXT3, REISERFS, ETC.
ISO9660
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PROTEÇÃO DE HARDWARE
UM S.O CORRETAMENTE PROJETADO DEVE GARANTIR QUE UM PROGRAMA INCORRETO (OU MALICIOSO) NÃO CAUSE A EXECUÇÃO INCORRETA DE OUTROS PROGRAMAS
MUITOS ERROS DE PROGRAMAÇÃO SÃO DETECTADOS PELO HARDWARE. ESSES ERROS SÃO TRATADOS PELO S.O EX: ACESSAR UM ENDEREÇO DE MEMÓRIA FORA DA FAIXA, SE ISSO OCORRER O S.O ENCERRA O PROGRAMA DE FORMA ANORMAL
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OPERAÇÃO EM MODO DUAL
SÃO NECESSÁRIOS PELO MENOS 2 MODOS DE OPERAÇÃO PARA PROTEGER O SISTEMA: O MODO USUÁRIO E O MODO SISTEMA OU PRIVILEGIADO
BIT DE MODO EX.: USUÁRIO (1) E SISTEMA (0)
INSTRUÇÕES PRIVILEGIADAS APENAS EM MODO SISTEMA
EX.: CATASTRÓFICO MS-DOS
TODOS OS SISTEMAS ATUIS OPERAM EM MODO DUAL
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PROTEÇÃO DE I/O
TODAS AS INSTRUÇÕES DE I/O SÃO DEFINIDAS COMO INSTRUÇÕES PRIVILEGIADAS
SEMPRE ALTERNA O MODOS PARA ACESSAR AS OPERAÇÕES DE I/O
SE O PROGRAMA DO USUÁRIO PRECISA USAR I/O ELE FAZ UMA CHAMADA AO SISTEMA – O MODO PRIVILEGIADO FARÁ A REQUISIÇÃO NO
NOME DO USUÁRIO
TODA A CHAMADA AO SISTEMA É UMA INTERRUPÇÃO DE SOFTWARE
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PROTEÇÃO DE I/O
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PROTEÇÃO DE MEMÓRIA
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PROTEÇÃO DE MEMÓRIA
MODO PRIVILEGIADO POSSUI ACESSO IRRESTRITO A MEMÓRIA
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PROTEÇÃO DE CPU
S.O PRECISA MANTER O CONTROLE
É PRECISO EVITAR, POR EXEMPLO, QUE O PROGRAMA DO USUÁRIO FIQUE PRESO EM UM LAÇO INFINITO SEM NUNCA DEVOLVER O CONTROLE AO SISTEMA OPERACIONAL.
RESOLVE-SE USANDO UM TEMPORIZADOR – CONTADORES, FAIXA DE TEMPO, ETC.
O HARDWARE TEM SEU PRÓPRIO HORÁRIO INDEPENDENTE DO S.O