Sistemas Operacionais I Arquitetura de computadores – Revisão de conceitos Sistemas Operacionais I Dionisio Gava Junior

Arquitetura de computadores Componentes básicos

Componentes Básicos da Tecnologia da Informação Arquitetura de computadores Componentes Básicos da Tecnologia da Informação Hardware CPU, Memória e Periféricos de E/S. Software Software básicos - Sistema Operacional Aplicativos Pessoas Pessoas, outros computadores, maquinas Redes Banco de Dados Procedimentos Aplicações Comerciais Científicas Utilitários Editores de texto ou imagem Planilhas Jogos Compiladores. Correio Eletrônico Visualizador WEB (Browser) Transferidor de arquivos Outros...

Características e Tendências dos elementos Arquitetura de computadores Características e Tendências dos elementos Hardware Diminuição do custo Aumento da capacidade Miniaturização Integração Uso Intenso de TI Software Principal de meio de integração e comunicação entre empresas, instituições e indivíduos Aumento de funcionalidades Facilidade de uso Redes Infra-estrutura da informação e comunicação pública Meio de integração do mercado Principal meio de comunicação do indivíduo. Cultura - Organização Estrutura social Estrutura fîsica Tecnologia

Elementos do hardware do computador Arquitetura de computadores Elementos do hardware do computador Unidade Central de Processamento - UCP É o elemento responsável pela execução das instruções. Sincroniza os eventos entre os demais elementos do hardware. Memória É o elemento responsável pelo armazenamento dos programas e dos dados. Processadores ou Controladores de e/s É o elemento responsável pela transferência dos dados entre MEMÓRIA e PERIFÉRICOS Periféricos

Arquitetura e organização dos computadores Arquitetura de computadores Arquitetura e organização dos computadores Arquitetura Conjunto de instruções do processador Modo de acesso à memória, endereçamento das instruções Tamanho dos dados manipulados pelo processador Os interfaces de E/S Tecnicas de virtualização Conhecimento desejado pelo programador Organização Componentes físicos específicos Tecnologia utilizada na construção dos componentes Características e capacidades dos componentes (velocidade da CPU) Conhecimento de construção do fabricante, não necessário a programação

Arquitetura e organização dos computadores Arquitetura de computadores Arquitetura e organização dos computadores O fabricante define uma família de processadores dentro de uma mesma arquitetura, visando atender as diversas necessidades do mercado. Dentro da família, cada processador terá uma organização específica. Os diversos modelos dentro da família oferecerão características e desempenho distintos Exemplos: A) Intel 486, Pentium, Pentium 2, Pentium 3, Pentium 4 B) Intel Dual Core, Core 2 Duo, Dual Quad

Interação entre os elementos do hardware do computador Arquitetura de computadores Interação entre os elementos do hardware do computador PES Periférico CPU Memória

Interação entre os elementos do Hardware Arquitetura de computadores Interação entre os elementos do Hardware CPU-MEM A CPU acessa a memória na busca de instruções e dados para a execução, e o armazenamento de resultados. Memória CPU Instruções Dados

Interação entre os elementos do Hardware Arquitetura de computadores Interação entre os elementos do Hardware CPU-PES A CPU solicita ao PES (Processador de entrada e saída) a execução de operações de entrada e saída (E/S).

Interação entre os elementos do Hardware Arquitetura de computadores Interação entre os elementos do Hardware PES-CPU-MEM O Processador E/S busca na memória a operação de E/S a ser realizada Inicia a operação de entrada e saída Avisa a CPU assim que a transferência dos dados for concluída Armazena na MEM informações sobre a condição desta transferência.

Elementos que diferenciam arquiteturas Arquitetura de computadores Elementos que diferenciam arquiteturas Conjunto de Instruções (de maquina) Instruções aritméticas, lógicas e outras Denominadas instruções de máquina De acordo com a arquitetura terão formato, tamanho e funcionalidades específicas. Acesso a Memória Mecanismo utilizado pela CPU para buscar ou armazenar um dado na memória. Exemplos: Acesso absoluto, indireto com a utilização de registradores, pilha, etc...

Elementos que diferenciam arquiteturas Arquitetura de computadores Elementos que diferenciam arquiteturas Interface de E/S A interface de e/s envolve não somente a conexão fisica, mas também o protocolo específico de comunicação, inerente a organização. Os dispositivos do hardware interagem de acordo com este protocolo de comunicação, baseado em um conjunto de comandos de e/s.

Elementos que diferenciam arquiteturas Arquitetura de computadores Elementos que diferenciam arquiteturas Técnicas de Virtualização Técnicas utilizadas pela arquitetura, com o objetivo de aumentar estender as funções e eficiência do sistema. Tais técnicas utilizam dispositivos especiais do hardware, implementados através de controles do sistema operacional

Exemplos de Arquiteturas Arquitetura de computadores Exemplos de Arquiteturas Mainframes Sistema 390 – Sistema operacional OS/390 (IBM) Servidores / Super Servidores IBM Regatta – Sistema operacional AIX (IBM) HP Superdome – Sistema operacional HPUX (HP) SUN E10000 Series – Sistema operacional SUN SOLARIS (SUN) Estações de trabalho / desktops / PCs Intel Pentium Core 2 Duo - Windows / LINUX SUN SPARC – Sistema Operacional SunOs

Processador Arquitetura de computadores Unidade Central de processamento - Funções básicas Executar as instruções Ler e Gravar na memória Sincronizar eventos para o uso da memória Enviar comandos ao PES É composta basicamente pela UAL, UC e Registradores Unidade Aritmética e Lógica CPU CPU Unidade de controle PES PES Memória Memória PES PES PES PES Registradores Periférico Periférico Periférico Periférico Periférico Periférico

Processador Unidade Aritmética e Lógica - UAL Arquitetura de computadores Processador Unidade Aritmética e Lógica - UAL Compreendem os circuitos que executam as instruções de maquina, tais como Somar, Multiplicar, dividir, mover, ou instruções de booleanas, ou ainda, instruções que iniciarão e/s. Unidade Aritmética e Lógica Unidade de controle CPU CPU Registradores PES PES PES PES Memória Memória PES PES Periférico Periférico Periférico Periférico Periférico Periférico

Processador (CPU) ULA Tabelas verdade A 1 B A OR B A AND B A XOR B Arquitetura de computadores Processador (CPU) ULA Operações aritméticas (+,-,*,/) Operações Lógicas (OR, AND, NOT, XOR) A velocidade é elevada (ns) Tabelas verdade A 1 B A OR B A AND B A XOR B NOT A

Processador Registradores Arquitetura de computadores São circuitos de armazenamento De rápido acesso Unidade Aritmética e Lógica Unidade de controle CPU CPU PES PES Registradores Memória Memória PES PES PES PES Periférico Periférico Periférico Periférico Periférico Periférico

Processador Unidade de Controle Arquitetura de computadores Responsável pelo sincronismo dos eventos Controla o acesso a memória Unidade Aritmética e Lógica CPU CPU Unidade de controle PES PES Memória Memória PES PES PES PES Registradores Periférico Periférico Periférico Periférico Periférico Periférico

Processador Palavra de estado do Processador - PSW Arquitetura de computadores Processador Palavra de estado do Processador - PSW É um registrador que registra em seu conteúdo diversas informações relevantes, como por exemplo: O endereço da próxima instrução que será executada O estado em que maquina se encontra (ativa, inativa, etc.) O modo de execução (Supervisor, ou programa) Indicará se o processo em execução pode ou não ser interrompido

Processador PSW – Formato Arquitetura de computadores 07 02 0001 0000 Exemplos: Maquina em modo Supervisor Endereço da próxima instrução 07 02 0001 0000 000010120000 Maquina com estado Ativa

Processador Instrução de Maquina ... Arquitetura de computadores Processador Instrução de Maquina OP OPERANDO 1 OPERANDO 2 ... OP – Identifica o código da operação, como por exemplo Somar, mover, etc OPERANDOS – identificam os campos de memória que serão manipulados pela instrução.

Processador Instrução de Maquina - Operandos ... Arquitetura de computadores Processador Instrução de Maquina - Operandos OP OPERANDO 1 OPERANDO 2 ... O número de operandos é variável A instrução pode ter 0,1,2 ou 3 operandos O operando contém ou indica o endereço de memória, e o tamanho implícito ou explícito do campo. A arquitetura estabelece o conjunto e o formato das instruções.

Tradutores Assembler ou Montador Compilador Interpretador Arquitetura de computadores Tradutores Assembler ou Montador Monta programas convertendo o código assembler para linguagem de máquina A montagem é um para um Compilador Converte código fonte em linguagem de alto nível para linguagem de máquina Agrega N instruções de máquina para uma instrução de alto nível Interpretador Mesma função do compilador, só que vai executando linha a linha É feito em tempo de execução

Compilação e Montagem Ler arq1 Somar A,B em C Se C >= 0 Gravar reg1 Arquitetura de computadores Compilação e Montagem Linguagem de Alto Nível Assembler Ler arq1 Somar A,B em C Se C >= 0 Gravar reg1 Ler Get arq1,reg1 Add R1,R2 St R1,R3 Clc R1,=f’0’ Be ler B gravar Compilacão Linguagem de Máquina Montagem 01001101b 00101010b 11100000b 11110101b 11001010b 10000101b

Compilador ou Interpretador Arquitetura de computadores Tradução Códigos Instruções de Máquina Bibliotecas Linguagem de Alto Nível 01001101b 00101010b 11100000b 11110101b 11001010b 10000101b Tradutor Compilador ou Interpretador Programa Fonte Código objeto Programa executável

Ciclo de instrução de maquina Arquitetura de computadores Processador Ciclo de instrução de maquina Busca – A CPU busca a instrução na memória, com base na PSW Decodificação – Identifica qual a operação a ser realizada Endereçamento – Faz o acesso aos operandos na memória e traz os dados. Execução – ativa o circuito especifico que realizará a operação Verificação – verifica o resultado da operação Armazenamento – armazena resultados da operação na memória Posicionamento – Reposiciona a PSW com a próxima instrução a ser executada Questão: Quais os erros comuns acontecem na execução das instruções?

Memória Conceitos básicos Arquitetura de computadores É o elemento do computador onde são armazenadas as informações. A unidade é o bit, Que assume dois estados: 0 ou 1 O byte contém 8 bits sequenciais. O byte é a unidade de acesso, e de endereçamento Para cada byte na memória existe um endereço acessível. Os programas possuem instruções e dados. As partes que contém instruções, não sofrem alteração no seu conteúdo.

Memória Tipos de memória Arquitetura de computadores RAM - Random Access Memory Memória volátil de leitura e escrita As informações são perdidas caso o sistema de alimentação seja interrompido ROM - Read Only Memory Memória não-volátil apenas de leitura Seu conteúdo é gravado no processo de fabricação PROM - Programable ROM Pode ser gravada apenas uma vez EPROM - Erasable PROM Pode ser apagada e regravada várias vezes.

Memória Tempo de Acesso Ciclo de processador Arquitetura de computadores Memória Tempo de Acesso Tempo requerido para leitura ou gravação na memória Ciclo de processador Menor unidade de tempo em que o processador (CPU) ao executar uma instrução, transfere uma informação. O maior componente de tempo na execução de uma instrução é o acesso a memória

Memória Hierarquia de memória Arquitetura de computadores Registradores – funcionam na velocidade da CPU, em frações de ns Cache – alguns ns Memória RAM, ou Memória principal – uma, ou duas dezenas de ns Disco Magnético (este poderá ter Cache) – até uma ou duas dezenas de ms Fita Magnética – Frações de segundos, crescendo com o tamanho do arquivo

Processador de entrada e Saída Arquitetura de computadores Processador de entrada e Saída É um processador especializado em E/S Controla e coordena as operações de E/S Ao ser acionado pela CPU, busca na memória o que fazer. Reconhece o pedido, identifica o periférico, a localização dos dados Estabelece um sincronismo com o periférico Uma vez sincronizado, inicia a transferência dos dados para a memória (leitura), ou da memória para o periférico (gravação). Identifica se a operação foi realizada com sucesso, registrando na memória. Ao concluir avisa a CPU, emitindo um sinal de controle, de que a operação foi finalizada.