SISTEMAS OPERACIONAIS (SO) Aula 2 – Revisão - Organização Universidade de São Paulo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação Departamento de Sistemas de Computação 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

Estrutura da máquina de von Neumann

Estrutura da máquina de von Neumann Memória Principal – Armazena dados e instruções Dispositivos de Entrada e Saída – Comunicação com o mundo exterior CPU – Processamento Comunicação entre os blocos

Estrutura da máquina de von Neumann Execução de um programa: Ler um Programa e Armazenar na Memória Transformar programa de Linguagem de Alto Nível em Linguagem de Máquina – conjunto de instruções Executar Enviar Resultados para o mundo exterior

Estrutura da máquina de von Neumann

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

Unidade Central de Processamento ULA Executar operações lógicas e aritmética

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

Unidade Central de Processamento Registradores Armazenamento temporário

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;

Ciclo de Instrução – Diagrama de estados

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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Memória O que é necessário: Hierarquia do Sistema de Memória Grande capacidade de armazenamento Tempo de acesso pequeno Custo! Hierarquia do Sistema de Memória

Hierarquia de memória

Características de um sistema de memória Hierarquia do Sistema de Memória Freqüência de acesso Capacidade Tempo de acesso Custo por bit Memória Interna Memória Secundária Armazenamento de Segurança

Memória Rápidos: 1nseg. Componentes internos à CPU Capacidade: 32 / 64 bits Controlados por software Registradores Fita Magnética Disco Rígido RAM Cache

Controlada por hardware Memória Rápida: nseg Capacidade: K/M bytes Controlada por hardware Alto custo por byte Volátil Vários sub-níveis Registradores Cache RAM Disco Rígido Fita Magnética

Capacidade: gigabytes Memória Random Access Memory Rápida: 10nseg Capacidade: gigabytes Volátil Custo médio por byte Registradores Cache RAM Disco Rígido Fita Magnética

Memória Mais lento: 10mseg Capacidade: G/T bytes Não volátil Registradores Cache RAM Disco Rígido Fita Magnética

Memória Backup Capacidade: T bytes Acesso sequential Muito lento Registradores Cache RAM Disco Rígido Fita Magnética

Memória Velocidade de Acesso Capacidade de armazenamento Registradores Fita Magnética Disco Rígido RAM Cache Registradores Capacidade de armazenamento

Características

Tipos de Memórias Categorias Memória apenas de leitura ROM PROM Memória Principalmente de Leitura EPROM EEPROM Flash Memória de Escrita e Leitura RAM

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;

Memória Variações: PROM (Programmable ROM); EPROM (Erasable PROM): Pode ser apagada e reescrita; Exposição à luz ultra violeta apaga o conteúdo; EEPROM (Electrically EPROM); Impulsos elétricos são utilizados para apagar o conteúdo; É possível reescrever um único endereço;

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;

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

RAM Estática: Dinâmica: Parte da hierarquia de memória 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

Resumindo... ROM PROM RO Não Mascar. Elétrica EPROM E2PROM FLASH Tipo Categoria Apagar Escrita Volatilidade ROM PROM RO Não Mascar. Elétrica EPROM E2PROM FLASH Mais R Escrita difícil U.V. Elétr.(byte) Elétr.(bloco) RAM RW Elétr. (byte) Sim

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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

Dispositivos de E/S Legíveis ao ser humano: Legíveis à Máquina: Monitor, Impressora, teclado Legíveis à Máquina: HD, Fitas, Sensores Comunicação: Modem, Placa de Interface de rede Grande variedade de periféricos

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

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

Dispositivos externos Sinais de controle do módulo de E/S Sinais de estado para o módulo de E/S Sinais de dados de e para o módulo de E/S Área de armazenamento temporário Lógica de controle Transdutor Dados (específicos ao dispositivo) de e para o ambiente

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)

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

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!

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

E/S Dirigida por Interrupção 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.

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

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

Ciclo de instrução (com interrupções)

E/S por Acesso Direto à Memória (DMA) E/S Programada Taxa de Transferência média Processador ocupado E/S Interrupção Taxa de Transferência pequena Processador parcialmente liberado DMA – Acesso Direto à Memória Taxa de Transferência alta Processador liberado

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.

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 DMARequest DMA Acknowledge Interrupção Leitura Escrita 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

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 DMARequest DMA Acknowledge Interrupção Leitura Escrita DMA: Transfere o bloco de dados, uma palavra por vez, diretamente, de ou para a memória principal Sinal de Interrupção

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

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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