SISTEMAS OPERACIONAIS (SO)Aula 2 – Revisão - Organização

Profa. Sarita Mazzini Bruschi

Slides de autoria de Luciana A. F. Martimiano baseados no livro

Sistemas Operacionais Modernos de A. Tanenbaum

Universidade de São PauloInstituto de Ciências Matemáticas e de ComputaçãoDepartamento de Sistemas de Computação

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Estrutura da máquina de von Neumann

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Estrutura da máquina de von Neumann1. Memória Principal – Armazena dados e

instruções

2. Dispositivos de Entrada e Saída – Comunicação com o mundo exterior

3. CPU – Processamento

4. Comunicação entre os blocos

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Estrutura da máquina de von Neumann Execução de um programa:

1. Ler um Programa e Armazenar na Memória

2. Transformar programa de Linguagem de Alto Nível em Linguagem de Máquina – conjunto de instruções

3. Executar

4. Enviar Resultados para o mundo exterior

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Estrutura da máquina de von Neumann

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Estrutura da máquina de von Neumann Passos mais detalhados:

• Ler instrução da memória

• Decodificar a instrução

• Unidade de Controle gera sinais elétricos para execução

• ULA executa operações

• Registradores – armazenam os valores intermediários

Necessidade de interconexões

Exemplo: c = a + b

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Unidade Central de Processamento

ULA

Executar operações lógicas

e aritmética

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Unidade Central de Processamento

Unidade de Controle coordena a execução da instrução na micro arquitetura/circuitos

digitais

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Unidade Central de Processamento

Registradores

Armazenamento temporário

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CPU (Central Processing Unit) É responsável por executar instruções; CPU busca instruções na memória,

decodifica essas instruções e as executa até sua finalização;

Durante a execução de instruções, a CPU utiliza-se de registradores para armazenar variáveis e resultados temporários;

Instruções são executadas por ciclos de relógio;

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Ciclo de Instrução – Diagrama de estados

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CPU - registradores Registradores:

Contador de programa (program counter - PC): contém o endereço de memória da próxima instrução a ser lida e executada;

Ponteiro da pilha (stack pointer - SP): aponta para o topo da pilha corrente na memória (estrutura para cada procedimento);

Informações que não são mantidas nos registradores: Parâmetros de entrada; Variáveis locais e temporárias;

Registrador de instrução (instruction register - IR) = instrução que está sendo atualmente executada;

PSW (program status word): bits de controle;

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Estrutura da máquina de von Neumann

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Memória

O que é necessário: Grande capacidade de armazenamento Tempo de acesso pequeno Custo!

Hierarquia do Sistema de Memória

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Hierarquia de memória

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Características de um sistema de memória

Hierarquia do Sistema de Memória

Memória Interna

Memória Secundária

Armazenamento de Segurança

Freqüência de acesso

Capacidade

Tempo de acesso

Custo por bit

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MemóriaRápidos: 1nseg.

Componentes internos à CPU

Capacidade: 32 / 64 bitsControlados por software

Fita Magnética

Disco Rígido

RAM

Cache

Registradores

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Memória

Rápida: nsegCapacidade: K/M bytes

Controlada por hardwareAlto custo por byte

Volátil Vários sub-níveis

Fita Magnética

Disco Rígido

RAM

Cache

Registradores

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Memória

Random Access MemoryRápida: 10nseg

Capacidade: gigabytesVolátil

Custo médio por byte

Fita Magnética

Disco Rígido

RAM

Cache

Registradores

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Memória

Mais lento: 10msegCapacidade: G/T bytes

Não volátil

Fita Magnética

Disco Rígido

RAM

Cache

Registradores

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MemóriaBackup

Capacidade: T bytesAcesso sequential

Muito lento

Fita Magnética

Disco Rígido

RAM

Cache

Registradores

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MemóriaVelocidade de Acesso

Capacidade de armazenamento

Fita Magnética

Disco Rígido

RAM

Cache

Registradores

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Características

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Tipos de Memórias

Categorias Memória apenas de leitura

ROM PROM

Memória Principalmente de Leitura EPROM EEPROM Flash

Memória de Escrita e Leitura RAM

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Memória ROM (Read Only Memory):

Somente leitura; Rápida (mais lenta que a RAM); Não volátil; Inicializar os circuitos da placa-mãe; Programas armazenados na ROM da placa-

mãe: BIOS: configurações de hardware;

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Memória Variações:

PROM (Programmable ROM); EPROM (Erasable PROM):

Pode ser apagada e reescrita; Exposição à luz ultra violeta apaga o conteúdo;

EEPROM (Electrically EPROM); Pode ser apagada e reescrita; Impulsos elétricos são utilizados para apagar o

conteúdo; É possível reescrever um único endereço;

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FLASH Intermediaria entre EPROM e E2PROM Pode ser alterada em nível de bloco no

próprio circuito Não pode ser alterada em nível de palavra Não volátil Mais densa que a E2PROM Duráveis e resistentes Número limitado de escritas Utilizada em telefones celulares digitais,

câmeras digitais, PC Cards;

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RAMs – Memória de Acesso Aleatório Volátil Armazena, recupera e altera dados durante a

operação normal Vantagens:

Tempo de acesso pequeno Flexibilidade

Desvantagem: Ser volátil

Tipos: Estática Dinâmica

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RAM Estática:

não precisa refresh mais rápidas Utilizadas na implementação de caches

Dinâmica: células mais simples menor custo Utilizadas na memória principal

Parte da hierarquia de memória

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Tipo Categoria Apagar Escrita Volatilidade

ROMPROM RO Não

Mascar.Elétrica Não

EPROME2PROMFLASH

Mais REscrita difícil

U.V.Elétr.(byte)Elétr.(bloco)

Elétrica Não

RAM RW Elétr. (byte) Elétrica Sim

Resumindo...

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Estrutura da máquina de von Neumann

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Dispositivos de E/S Interagem com o sistema operacional; Controladoras

Chip (conjunto de chips) conectado à placa mãe que fisicamente controla os dispositivos físicos aceitando comandos do SO;

Controle é feito por meio de uma interface: driver

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Dispositivos de E/S

Legíveis ao ser humano:

Monitor, Impressora, teclado

Legíveis à Máquina:

HD, Fitas, Sensores

Comunicação:

Modem, Placa de Interface de rede

Grande variedade de periféricos

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Dispositivos de E/S

Problema

Conexão dos dispositivos periféricos com CPU

Manipulação de diferentes quantidades de dados

Taxa de transferência do periférico menor que CPU ou RAM

Formatos de dados e tamanhos de palavras diferentes

Necessidade de um Módulo (ou Controlador) de E/S

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Módulos de E/S Os módulos de E/S são o terceiro elemento de

um sistema de computação (os outros são memória e CPU)

Comunicação entre diversos periféricos e o barramento do sistema

Cada dispositivo externo é conectado ao computador através de uma conexão a um módulo de E/S

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Dispositivos externos

Lógica decontrole

Transdutor

Área de armazenamentotemporário

Sinais decontrole domódulo de E/S

Sinais deestado para omódulo de E/S

Sinais dedados de e para omódulo de E/S

Dados (específicos aodispositivo) de e parao ambiente

Transdutor – converte os dados da forma elétricapara outras formas de energia durante a saída, e de outras formas de energia para elétrica na entrada

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Operações de E/S As operações de E/S podem ser realizadas

por meio do processador ou diretamente entre a

memória e o módulo;

com interrupção ou não

Três técnicas: E/S programada (processador, sem interrupção)

E/S dirigida por interrupção (processador, com

interrupção)

Acesso direto à memória (DMA – Direct Memory Access)

(diretamente com interrupção)

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E/S Programada

• CPU solicita operação de E/S.• Módulo de E/S realiza operação.• Módulo de E/S define bits de estado.• CPU verifica bits de estado

periodicamente.• Módulo de E/S não informa à CPU

diretamente.• Módulo de E/S não interrompe CPU.• CPU pode esperar ou voltar mais

tarde.

Dados são trocados entre o processador e o módulo de E/S

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E/S Dirigida por Interrupção Objetivo: reduzir o tempo gasto nas

operações de E/S

Inicialização da transferência vem do dispositivo

Interrupção programa em execução é interrompido para execução de uma tarefa mais urgente!

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Interrupções

Mecanismo pelo qual outros módulos (por exemplo, E/S) podem interromper a seqüência normal de processamento

Podem ser: Software: resultado da execução de alguma instrução,

por exemplo, divisão por zero, overflow, etc Clock: gerada pelo relógio interno do processador,

permitindo operações regulares E/S: gerada por controladores de E/S para indicar a

conclusão de uma operação ou a ocorrência de uma situação de erro

Falha de hardware: exemplo: queda de energia e erro de paridade da memória

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CPU emite comando de leitura.

Módulo de E/S recebe dados do

periférico enquanto CPU faz

outro trabalho.

Módulo de E/S interrompe CPU.

CPU solicita dados.

Módulo de E/S transfere dados.

E/S Dirigida por Interrupção

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Fluxo de controle de um programa

Se existe uma interrupção:

A execução do programa é suspensa

O contexto é salvo O PC desvia para

o endereço que trata a interrupção

A interrupção é processada

O contexto é restaurado

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Ciclo de Interrupção Este ciclo é adicionado ao ciclo de

instrução O processador verifica constantemente a

chegada de uma interrupção, indicada por um sinal de interrupção

Se não existe interrupção, busca a próxima instrução

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Ciclo de instrução (com interrupções)

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E/S por Acesso Direto à Memória (DMA)

E/S Interrupção

Taxa de Transferência pequena

Processador parcialmente liberado

E/S Programada

Taxa de Transferência média

Processador ocupado

DMA – Acesso Direto à Memória

Taxa de Transferência alta

Processador liberado

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E/S por Acesso Direto à Memória (DMA) Dados trocados entre Memória e dispositivos não

precisam passar pela CPU em inúmeras situações. Ex: Memória Principal e Disco

Quantidade de dados elevada ganho de desempenho com DMA

Exige lógica adicional razoavelmente complexa processador dedicado à DMA que substitui a CPU nas operações de E/S com DMA.

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E/S por Acesso Direto à Memória (DMA) Controlador de DMA ou Módulo de DMA

Contador de Dados

Registrador de Dados

Registrador de Endereços

Lógica de Controle

Linhas de Dados

Linhas de Endereços

DMARequestDMA AcknowledgeInterrupçã

o LeituraEscrita

Processador envia:

•indicação de operação de E/S pela linha de Leitura ou Escrita

•endereço do dispositivo de E/S pelas linhas de endereço

•Endereço inicial de memória pela linha de dados -> Registrador de Endereço

•Número de palavras a serem lidas /escritas pela linha de dados -> Contador de Dados

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E/S por Acesso Direto à Memória (DMA) Controlador de DMA ou Módulo de DMA

DMA:

•Transfere o bloco de dados, uma palavra por vez, diretamente, de ou para a memória principal

•Sinal de Interrupção

Contador de Dados

Registrador de Dados

Registrador de Endereços

Lógica de Controle

Linhas de Dados

Linhas de Endereços

DMARequestDMA AcknowledgeInterrupçã

o LeituraEscrita

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E/S por Acesso Direto à Memória (DMA) CPU programa a DMA para transferir bloco

de dados CPU continua processamento

DMA executa transferência

DMA encerra transferência Envia interrupção ao processador

CPU lê estado do Módulo de DMA

Processador executa próxima instrução

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E/S por Acesso Direto à Memória (DMA) Durante a transferência feita pela DMA, é

como se a CPU fosse “desativada”

O Controlador de DMA (o “processador

dedicado”) tem controle do barramento de

endereços, dados e controle, durante o

tempo em que a CPU executa operações

internas.

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Estrutura da máquina de von Neumann