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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