FATEC - Sistemas Operacionais I
Sistemas Operacionais I
Sistemas Operacionais IDionisio Gava Junior
Reynaldo G. de Oliveira – [email protected]
Gerações dos computadores: Evolução e Eficiência
FATEC - Sistemas Operacionais I
Tópicos
• Histórico e Eficiência.• Primeira Geração.• Segunda Geração.• Terceira Geração.
• Conceitos • Multiprogramação• Canais• Relocabilidade• Estados do Processador• Instruções Privilegiadas
• Interrupção• Conceito• Tipos de Interrupção
• Tendências do Sistema Operacional
FATEC - Sistemas Operacionais I
Primeira geração de computadores (1940-1950)
• A tecnologia empregada nos computadores de Primeira Geração era basicamente a válvula.
• A velocidade podia ser medida em termos de milissegundo.
• Somente pessoas especializadas utilizavam o computador, através da linguagem de máquina e em seguida o Assembler.
• Os elementos de entrada e saída eram basicamente: leitora de cartões, perfuradora de cartões e impressora, todos com baixa velocidade de operação e transferência de dados.
• Um dos aspectos principais nos computadores de Primeira Geração consistia em que a execução de um serviço era um processo demorado.
Primeira geração
FATEC - Sistemas Operacionais IPrimeira geração
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ENIAC• Considerado o primeiro computador eletrônico• 18.000 valvulas• Posições de memória = 4K = 4096 bytes• Pesava 30 toneladas• Ocupava perto de 120 metros quadrados• Construído para uso militar – Calculo de Balística
Primeira geração
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Características
• Inicialmente a programação era feita externamente, através de painéis com chaves (jumpers)• Posteriormente os programas passaram a ser carregados na memória.• O processo consistia em pesquisar um armário onde estava guardado o programa, retirá-lo e colocá-lo na leitora de cartões.• Da mesma forma que os dados, os programas eram codificados em cartões perfurados, e carregados na memória.• A programação passou a ser feita em linguagem de maquina
Programação
Primeira geração
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Características
Operação
• Equipamentos de entrada e saída eram a leitora de cartões (entrada), a perfuradora de cartões (saída) e impressora.• Grande quantidade de operações manuais nas tarefas: preparacão e carga dos programas, preparação e carga dos dados, intervenções manuais e de retomadas do processamento.• O programador normalmente era o operador do computador. • Todo o sistema ficava dedicado por um certo tempo para a execução do serviço.• Em caso de erro, o programador parava a máquina, fazia correções por meio de chaves no painel e continuava o processamento.
Primeira geração
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Eficiência
A execução de um serviço era um processo demorado, não pela velocidade da máquina, mas sim pela quantidade de processos manuais envolvidos no processamento.
Primeira geração
Características
E = t CPU
t Total
TS = S1+S2+...Sn Numero de serviços executados por unidade de tempo
Relação entre o tempo de processador e tempo total de processamento
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E = t CPU
t Total
Eficiência do sistema
Relação do tempo de processador e tempo total do processamento
Tempo de Execução do serviço
E/S E/S E/S E/S E/S E/S
CPU CPU CPU CPU CPU CPU
E = 0,07 O processador permanecia ativo somente 7% do tempo
Primeira geração
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Eficiência do sistema
TS = S1+S2+...SnNumero de serviços executados por unidade de tempo
A produtividade na primeira Geração era de 3 serviços / hora, ou seja, cada serviço demorava cerca de 20 minutos.
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Eficiência da Primeira Geração - Resumo
Como já observado, na primeira Geracão, a UCP do computador permanecia a maior parte do tempo inativa, em decorrência das várias intervenções manuais durante o processamento, bem como pela lentidão em que operavam os periféricos.
Nestes sistemas a utilização de tempo de processador era em torno de 7% e a produtividade variava em torno de 3 serviços com tempo médio de execução de 2 minutos.
E = t CPU
t Total
TS = s1+s2+...sn
7%
3 serviçospor hora
Como melhorar a eficiencia?
• Baixa velocidade da E/S• Intervenções manuais
Primeira geração
FATEC - Sistemas Operacionais ISegunda geração
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Segunda geração de computadores
• Tecnologia : Transistores• Processamento em Lote• Periféricos: Fita Magnética, Disco Magnético• Velocidade poderia ser medida em termos de Micro Segundo
Segunda geração
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Programa Monitor
• A Segunda Geração é caracterizada pelo aparecimento dos programas monitores que faziam a transição automática entre serviços.
• Estes eram apresentados em forma de "lote" (batch) e executados sequencialmente sem interrupção.
• Ao terminar um serviço o Monitor preparava o sistema automaticamente para o próximo.
Monitor Programa
Segunda geração
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Primeira x Segunda geração de computadores
• Processador mais veloz ( valvulados x transistorizados )
• Compare a eficiência “E” para uma carga de programas que utilize um computador de segunda geração, considerando:
1. A utilização dos periféricos da primeira geração ( mesmo E/S )
2. Utilizando-se periféricos mais rápidos ( E/S bem mais rápida )
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E = t CPU
t Total
Eficiência do sistema
TS = s1+s2+...sn
7%
3 serviçospor hora
PrimeiraGeração
45%
25serviçospor hora
SegundaGeração
• Baixa produtividade• Desequilíbrio entre CPU e E/S
Como melhorar a eficiência?
Primeira e Segunda gerações
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Terceira geração de computadores
• Tecnologia : Circuitos integrados• Velocidade expressa e medida em nanossegundos ( ns )• Evolução das linguagens• Multiprogramação
• Surgimento dos Sistemas Operacionais
Terceira geração
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Multiprogramação
• Vários processos em execução concorrem pelos recursos• Melhor aproveitamento dos recursos• A arquitetura funcional das maquinas de terceira geração passa por uma ruptura.
A B C D E
Memória
Terceira geração
SistemaOperacional
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Multiprogramação
• Vários programas na memória executando, e compartilhando os recursos
• Enquanto um programa executa, um ou mais programas estarão realizando E/S, ou esperando pela CPU
• O paralelismo de operações entre CPU e E/S proporcionam aumento da eficiência do sistema
Terceira geração
A B C D E
CPU
I/O I/O
Esperando pela CPU
Memória
SistemaOperacional
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Conceitos da Terceira Geração
• Processadores de E/S (Canais)
• Processamento em dois estados.
• Instruções Privilegiadas
• Relocabilidade
• Interrupção
Terceira geração
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Canais - Processadores de E/S
tempo
• São pequenos processadores que executam as operações de entrada e saída sem a intervenção do processador central.
• Desta forma, durante uma entrada e saída, o processador central fica livre para executar outro processo.
• Como os sistemas podem ter vários canais, poderá ocorrer várias operações de entrada e saída simultaneamente.
• A operação no canal é iniciada pelo processador central no momento em que uma instrução de solicitação de operação de e/s é feita por um processo.
• Ao final da operação o periférico/canal informarão a CPU o término da operação.
Terceira geração
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Canais - Processadores de E/S
tempo
cpu A
e/s de A
cpu B
e/s de B
cpu C
e/s de C
cpu D
Paralelismo de operaçõescpu A
e/s de A
cpu B
e/s de B
cpu C
e/s de C
cpu D
Paralelismo de operações
Terceira geração
• O processador central e o processador de e/s podem operar de forma independente.• Havendo independência entre as operações existirá um ganho significativo de eficiência
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Processamento em dois estados
XX
Mascara do sistema:
• Supervisor – É possivel a execução de instruções privilegiadas• Programa – Não é permitido a execução de instruções privilegiadas
PSW
Terceira geração
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Instruções Privilegiadas
• São instruções especiais as quais só poderão ser executadas quando o processador estiver em estado de Supervisor.
• Normalmente somente o sistema operacional deve executar instruções privilegiadas, não colocando em risco a integridade do sistema.
• Como exemplo de instruções privilegiadas temos:• Iniciar E/S (SIO)• Alterar a PSW (LPSW)• Iniciar a abertura de arquivo (OPEN)
• O programa quando necessita funções especiais solicita ao sistema operacional através de pedidos.
Terceira geração
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Processamento em dois estadosInstruções Privilegiadas
tempo
SO
PSWSup
A
PSWP
SO
PSWSup
B
SO
PSWSup
PSWP
. . . . . . CPU
tempo
SO
PSWSup
A
PSWP
SO
PSWSup
B
SO
PSWSup
PSWP
. . . . . . CPU
Terceira geração
Quando o controle é passado para um programa o estado da maquina é alterado.
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Relocabilidade
A B C
0 100 200 400
ABC
0 200 400300
Move A to B
A
Relocáveis
Terceira geração
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Interrupção
Conceito
• É um sinal assíncrono enviado a UCP• Interrompe o fluxo de execução de instruções• Faz com que o estado de máquina seja salvo• O controle do sistema seja passado para o sistema operacional
Cada interrupção exigi uma atividade específica do sistema operacional que consiste em tratar o evento, identificar e alterar estados dos processos em execução, de recursos, ou ainda, acionando rotinas de recuperação de erros.
Após tratar a interrupção e atender ao serviço para qual foi solicitado, o sistema operacional deverá passar o controle para o processo que estiver pronto para executar
Terceira geração
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Interrupção
A
Ler
SistemaOperacional
B
Interrupção
1. A execução de instruções na CPU é interrompida
2. O estado da CPU é salvo3. O controle da CPU vai para o
SO
4. Faz o tratamento da Interrupção
5. Atende o serviço solicitado
6. Passa o controle para o processo pronto e de maior prioridade
Terceira geração
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Tipos de interrupção
Chamada do supervisor: Quando o programa através de uma instrução solicita um serviço especial do sistema operacional.
Fim I/OQuando termina uma operação de I/O e o canal avisa o sistema operacional, ou um comando inválido de E/S.
RelógioQuando um intervalo de tempo regular expirado.
Erro de SoftwareUm erro de programa. Exemplo: divisão por zero, instrução inválida, violação de proteção de memória.
Erro de HardwareUm erro em componentes do hardware. Exemplo: erro de memória.
Terceira geração
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Tendências e perspectivas dos Sistemas Operacionais
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Tendências e perspectivas do Sistema operacional
1) Eficiência
• O sistema operacional é sobretudo um prestador de serviços, e deve minimizar o tempo gasto na execução dos serviços a ele solicitados (overhead).
• Deve buscar a máxima eficiência no gerenciamento dos recursos
• No uso dos recursos, deverá resolver eventuais conflitos existentes entre as aplicações.
• Deve balancear o uso dos recursos entre aplicações em execução.
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Tendências e perspectivas do Sistema operacional
2) Robustez
• Deve ser confiável e previsível em suas operações
• Tolerante à falhas do hardware, das aplicações e as suas próprias falhas.
• Em caso de falha, qualquer que seja a natureza desta falha, deverá isolá-la, registrá-la, e propiciar o menor impacto possível no sistema.
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Tendências e perspectivas do Sistema operacional
3) Escalabilidade
• Deverá ser capaz de utilizar recursos de acordo com a demanda.
• Quando a demanda por recursos aumentar, deverá tomar as providências necessárias para o pronto atendimento, e caso haja redução da demanda, deverá liberar os recursos não mais necessários.
• Deverá ter a capacidade de se adaptar aos incrementos de tamanho dos dispositivos de hardware, incluindo processadores, memória, dispositivos de e/s, dispositivos de comunicação, garantindo desta forma a escalabilidade.
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Tendências e perspectivas do Sistema operacional
4) Extensibilidade
• Deve adaptar-se as novas tecnologias emergentes, fornecendo as capacidades necessárias que forem surgindo e que não foram projetadas originalmente.
• Deve permitir a execução sem impacto das aplicações existentes, protegendo os investimentos e esforços anteriormente realizados.
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Tendências e perspectivas do Sistema operacional
5) Portabilidade
• Deve ser projetado para funcionar nas diversas configurações de hardware utilizada no mercado.
• Deve permitir portabilidade das aplicações entre as configurações existentes.
• Isto permitirá adequar os custos de projeto e de manutenção às diversas aplicações existentes.
• Esta premissa aplica-se aos ambientes de desenvolvimento normalmente feito em configurações menores é de baixo custo.
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Tendências e perspectivas do Sistema operacional
6) Segurança
• Deve conter os mecanismos de proteção e segurança de acesso as informações, aos serviços ou aos dispositivos do hardware,
• Deve disponibilizar recursos para implementação das políticas de segurança das organizações.
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Tendências e perspectivas do Sistema operacional
7) Usabilidade
• Deve permitir usabilidade aos usuários na execução de suas tarefas.
• Deve prover simplicidade nas interfaces, facilitando a sua utilização.
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Exercícios de Multiprogramação
SO
A
e/s de A
SO
A
e/s de A
SO
CPU
PESTempo
Terceira geração