Arquitectura de um Computador

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Judite Melgaço Duarte
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1 Arquitectura de um Computador Discos Impressora tape-drives CPU Controlador Disco Controlador impressora Controlador tape-driver controlador memoria bus memoria Os periféricos de I/O e o CPU executam concorrentemente Cada controlador de periférico encarrega-se de um tipo particular de periférico Cada controlador de periférico tem um buffer local O CPU desloca dados de/para a memória principal para/de buffers locais I/O acontece do periférico para o buffer local do controlador O controlador do periférico informa o CPU que terminou a sua operação, causando uma interrupção(interrupt) Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 1 de Ciência de Computadores 31

um buffer local O CPU desloca dados de/para a memória principal para/de buffers locais I/O acontece do periférico para o buffer local do controlador O controlador do

2 I/O sem Interrupções Nafigura,ossegmentos1,2e3referem-seasequênciasde instruções que não envolvem I/O As chamadas a destinamseaumprogramadei/o,queéumutilitáriodosistema,que realiza a operação de I/O Programa sem interrupts prog I/O 4 com I/O 5 end O programa de I/O envolve: parte 4, instruções que preparam a operação Pode envolver cópiadedadosparaumbuffer efazachamadadocomandode acesso ao periférico O comando própriamente dito Sem interrupts, quando este comando é emitido o CPU fica à espera que o periférico realize a operação parte 5, instruções que completam a operação Pode envolver mudarumaflagparaindicarsucesso ou falha na operação ComoaoperaçãodeI/Opodetomarmuitotempo,oprogramadeI/Oficaàesperaquetermineeportantooprograma do utilizador fica parado na instrução O programa de I/O corresponde ao device-driver Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 2 de Ciência de Computadores 32

periférico O comando própriamente dito Sem interrupts, quando este comando é emitido o CPU fica à espera que o periférico realize a operação parte 5, instruções que completam a operação Pode envolver

3 Interrupções(Interrupts) Servem essencialmente para melhorar a eficiência de processamento Permitem que o CPU execute outras instruções enquanto a operação de I/O se realiza Programa 1 2a prog I/O 4 com I/O interrupt handler com, o programa de I/Oéchamadoparaprepararo código de chamada do comando de acesso ao periférico O controlo retorna ao programa do utilizador 2b end 5 QuandoaoperaçãodeI/Otiver sido realizada, este módulo envia umsinaldeinterruptaocpu 3a 3b O CPU suspende a execução do programa corrente, passa a execução para o interrupt handler e retoma o programa inicial quando este periférico terminar com interrupts Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 3 de Ciência de Computadores 33

do utilizador 2b end 5 QuandoaoperaçãodeI/Otiver sido realizada, este módulo envia umsinaldeinterruptaocpu 3a 3b O CPU suspende a execução do programa corrente, passa a execução

4 O interrupt-cycle Para lidar com interrupts é necessário adicionar um interruptcycle ao ciclo de instruções habitual Fetch Cycle Execute Cycle Interrupt Cycle Interrupts Disabled Start Fetch Next Instruction Execute Instruction Interrupts Enabled Check for Interrupt; Process Interrupt Halt OInterrupthandlerépartedoSODeterminaanaturezado interrupte,porexemplo,chamaoprogramaqueacedeaoperiférico Quando termina, o CPU executa outro processo do sistema ou retoma a execução do programa 1 2 Programa Interrupt Handler Interrupcao i i+1 N Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 4 de Ciência de Computadores 34

OInterrupthandlerépartedoSODeterminaanaturezado interrupte,porexemplo,chamaoprogramaqueacedeaoperiférico Quando termina, o CPU executa outro processo do

5 O SO e interrupções Um SO é conduzido por interrupções: quando ocorre uma interrupção(ou trap), o hardware transfereocontroloparaoso Uma armadilha(trap) é uma interrupção gerada por softwareequepodesurgirdevidoaumerroouapedidodo utilizador oso,primeiropreservaoestadodocpu,guardandoos registos e program-counter depois determina qual o tipo de interrupção que ocorreu oquepodeserfeitoporpollingdosperiféricos,oupode ser resultado do vector de interrupções do sistema para cada tipo de interrupção, diferentes segmentos de código determinam a acção a tomar quandoseiniciaaoperaçãodei/o,ocontroloretorna paraosoquepoderáescolheroutroprocessoparaacederaocpu Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 5 de Ciência de Computadores 35

ocorreu oquepodeserfeitoporpollingdosperiféricos,oupode ser resultado do vector de interrupções do sistema para cada tipo de interrupção, diferentes segmentos de código determinam a

6 DMA: Direct Memory Access Memoria CPU Perifericos IO Instrucoes I/O é usada para periféricos I/O de alta velocidade, capazes de transmitir informação a velocidade próxima da velocidade da memória o controlador do periférico transfere blocos de dados do buffer directamente para a memória sem intervenção do CPU apenasgeraumainterrupçãoporbloco,emvezdeuma por cada byte! Velocidade de periféricos Escala do Tempo Humano Item Tempo (100 milhões vezes + devagar) ciclo CPU 10 ns (100MHz) 1 segundo acesso a cache 30 ns 3 segundos Acesso a memória 60 ns 6 segundos Troca contexto 10,000 ns (100 µs) 166 minutos Acesso a disco 10,000,000 ns (10 ms) 11 dias Quantum 100,000,000 ns (100 ms) 116 dias Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 6 de Ciência de Computadores 36

Velocidade de periféricos Escala do Tempo Humano Item Tempo (100 milhões vezes + devagar) ciclo CPU 10 ns (100MHz) 1 segundo acesso a cache 30 ns 3 segundos Acesso a memória 60 ns 6 segundos

7 Protecção a nível do hardware Doismodosdeoperação ProtecçãodeI/O Protecção de acesso a memória ProtecçãodoCPU Dois Modos de Operação(Dual Mode) apartilhaderecursos,requerdosoacertezaquenenhum programa incorrecto pode ocasionar o incorrecto funcionamento de outros fornece suporte de hardware para diferenciar entre dois modos de operação: Mododoutilizador execuçãofeitaaoserviçodoutilizador Mododekernel(ousupervisor) execuçãofeitapelo SO bit-mode adicionado ao hardware para indicar o modo corrente: kernel(0) ou utilizador(1) Quando uma interrupção ou falha ocorre, o hardware passa paraomododekernel Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 7 de Ciência de Computadores 37

dois modos de operação: Mododoutilizador execuçãofeitaaoserviçodoutilizador Mododekernel(ousupervisor) execuçãofeitapelo SO bit-mode adicionado ao hardware para indicar o

8 Protecção de I/O Temdeassegurarqueoprogramanãovainuncaganharcontrolo do computador, ou realizar I/O indevido Solução:asoperaçõesdeI/Osãorealizadasemmodokernel ie os utilizadores não acedem directamente aos periféricos! Protecção de acesso a memória devefornecerprotecçãopelomenosnoacessoaovectorde interrupções usar dois registos que determinam o alcance dos endereços que um programa pode aceder registobase(rb) contémomenorendereço registolimit(rl) contémotamanhodavariação Destemodoacessosaendereços xtalque x < RB ou x > (RB + RL) originam uma armadilha(trap) correspondente a segmentation-fault Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 8 de Ciência de Computadores 38

Protecção de acesso a memória devefornecerprotecçãopelomenosnoacessoaovectorde interrupções usar dois registos que determinam o alcance dos endereços que um programa pode

9 Protecção do CPU Éprecisoevitarquecasoumprogramadoutilizadorentreemdeadlock(umcicloinfinito),oSOpercacontroloe fique inoperacional Temporizador(Timer) interrompe o computador depois dedecorridoumcertotempo,permitindoqueosotome controlo 1éinicializadocomumcertonúmerodeticks 2édecrementadoemcadatickdorelógiodamáquina 3quandochegaa0,gerauminterrupt,evoltaa1 Timer usado para suportar time-sharing Timer usadotambémparacalcularahoraactual A inicialização do Timer faz-se em modo kernel(protegido) Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 9 de Ciência de Computadores 39

2édecrementadoemcadatickdorelógiodamáquina 3quandochegaa0,gerauminterrupt,evoltaa1 Timer usado para suportar time-sharing Timer

10 Então como usar o sistema? DadoqueasinstruçõesdeI/Osãoprotegidas(sãoexecutadasemmodokernel),comoéqueumprogramado utilizador faz I/O? Chamadasdesistema ométodousadoporumprocesso para pedir a intervenção do SO: toma habitualmente a forma de uma armadilha(trap) para um endereço no vector de interrupções o controlo passa para o interrupt-handler e o mode-bit é colocado em modo kernel o kernel verifica se os parâmetros estão correctos, executaopedidoedevolveocontroloparaainstrução seguinte à chamada ao sistema faz I/O trap case n read system call n kernel retorna utilizador programa Sistemas de Operação / Fernando Silva / Departamento 10 de Ciência de Computadores 310

interrupções o controlo passa para o interrupt-handler e o mode-bit é colocado em modo kernel o kernel verifica se os parâmetros estão correctos,

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