APOSTILA 2015 FUNDAMENTOS DE PROCESSAMENTO DE DADOS PROFESSOR: ALEXANDRE

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1 APOSTILA 2015 FUNDAMENTOS DE PROCESSAMENTO DE DADOS PROFESSOR: ALEXANDRE

2 1 PROCESSAMENTO DE DADOS OS 3 PILARES DA INFORMÁTICA ESQUEMA BÁSICO DO ELEMENTO HARDWARE ESQUEMA BÁSICO DO ELEMENTO SOFTWARE REPRESENTAÇÃO DAS INFORMAÇÕES SISTEMAS DE NUMERAÇÃO CONVERSÃO DE BASES Conversão entre Bases Potência de Entre as Bases 2 e Entre as Bases 2 e Entre as Bases 8 e CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMAS OPERACIONAIS INTRODUÇÃO Facilidade de acesso aos recursos do sistema Compartilhamento de recursos de forma organizada e protegida MÁQUINAS DE NÍVEIS HISTÓRICO Primeira Fase ( ) Segunda Fase ( ) Terceira Fase ( ) Quarta Fase ( ) Quinta Fase (1991-????) CONCEITOS DE HARDWARE E SOFTWARE HARDWARE Unidade Central de Processamento Clock Registradores Memória Principal Memória Cache Memória Secundária Dispositivos de I/O Barramento Pipeline Ativação e desativação do Sistema Arquiteturas RISC e CISC SOFTWARE Linguagens de Programação Depurador Linguagem de Controle Interpretador de Comandos (Shell) Microprogramação Processos Chamadas de Sistema Arquivos TIPOS DE SISTEMAS OPERACIONAIS INTRODUÇÃO SISTEMAS MONOPROGRAMÁVEIS/MONOTAREFA SISTEMAS MULTIPROGRAMÁVEIS/MULTITAREFA Sistemas Batch Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

3 Sistemas de Tempo Compartilhado Sistemas de Tempo Real SISTEMAS COM MÚLTIPLOS PROCESSADORES Sistemas Fortemente Acoplados Sistemas Assimétricos Sistemas Simétricos Sistemas Fracamente Acoplados Sistemas Operacionais de Rede Sistemas Operacionais distribuídos ESTRUTURA DOS SISTEMAS OPERACIONAIS CHAMADAS DO SISTEMA MODOS DE ACESSO TIPOS DE ESTRUTURA DE SISTEMAS OPERACIONAIS Sistemas Monolíticos Sistemas em Camadas Máquinas Virtuais Modelo Cliente Servidor BIBLIOGRAFIA Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

4 1 Processamento de Dados Um computador é uma máquina (conjunto de partes mecânicas e eletrônicas) capaz de sistematicamente coletar, manipular e fornecer os resultados da manipulação de informações para um ou mais objetivos. Processamento de Dados pode ser definido como sendo um conjunto de atividades ordenadamente realizadas, com o objetivo de produzir um arranjo determinado de informações a partir de outras obtidas inicialmente. Entrada (dados) Processamento Saída (informação) A partir dos dados iniciais passados para o computador (entrada) são realizadas determinadas atividades (processamento) para que se possa chegar a um resultado com alguma utilidade (saída) 2 Os 3 Pilares da Informática A informática se sustenta em três pilares: hardware, software e peopleware. Hardware é a parte física dos computadores. Placas, drives, teclados, mouse, etc. Software é a parte lógica, abstrata. São os programas. Peopleware são as pessoas que estão direta ou indiretamente ligadas aos computadores. É o principal elemento da informática. 2.1 Esquema Básico do Elemento Hardware CPU Processador Unidades de Entrada Unidade de Controle + Unidade Aritmético- Lógica Unidades de Saída Memória Principal Memória Auxiliar Unidades de Entrada Também conhecidas como Periféricos de Entrada são responsáveis pela coleta, tradução (transformação dos dados coletados para uma linguagem que o computador entenda) e inserção dos dados coletados no sistema. Exemplos: teclado, mouse, scanner, etc. CPU UCP Unidade Central de Processamento. Sua função consiste em coordenar, controlar e executar todas as operações do sistema. Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

5 Processador: Unidade de Controle é a unidade responsável por comandar o resto das unidades. Interpreta as instruções, controla sua execução e a sequência em que estas devem ser executadas. Unidade Aritmético-Lógica é a parte da CPU encarregada de realizar as operações elementares de tipo aritmético e lógico. Memória Principal é o elemento encarregado de armazenar os programas e dados necessários para que o sistema realize um determinado trabalho. Memória Auxiliar ou memória securndária, são dispositivos de armazenamento de grande quantidade de informação e sua característica principal é reter tal informação durante o tempo que se desejar, recurepando-a quando lhe for requerido. Unidades de Saída Também conhecidas como Periféricos de Saída, têm a função de recolher e enviar para fora os dados de saída de cada um dos trabalhos realizados no sistema. 2.2 Esquema Básico do Elemento Software O software de um sistema é o conjunto de elementos lógicos necessários à realização de tarefas requeridas a ele. Podemos defini-lo da seguinte maneira: o software é a parte lógica que dota o equipamento físico de capacidade para realizar todo tipo de trabalho. O software origina-se de idéias do elemento humano registradas sobre um determinado suporte do elemento hardware e sob cuja direção o computador sempre trabalha. Atualmente, num sistema informático, o software tem peso específico maior que o hardware por ir adquirindo dia-a-dia maior importância em todos os aspectos (custo, manutenção, etc). Os softwares dividem-se em duas categorias: sistemas operacionais e aplicativos. Um sistema operacional é um conjunto de programas que permitem obter o máximo rendimento do computador. É responsável por controlar o hardware e serve como interface entre os aplicativos e o hardware. Os aplicativos são softwares especializados em uma tarefa específica. Por exemplo, edição de textos, planilhas eletrônicas, editor de imagens, bancos de dados, etc. 3 Representação das Informações Para entendermos como realmente um computador funciona, devemos, antes de tudo, estudar como os circuitos eletrônicos usados nos computadores funcionam, ou melhor, como se comunicam. Os computadores e seus componentes são sistemas eletrônicos digitais, funcionando e comunicando-se através de números binários. Na natureza, todo tipo de informação pode assumir qualquer valor compreendido entre - e +. Você consegue distinguir, por exemplo, uma cor vermelha que esteja um pouco mais clara que outro tom de vermelho, um som que seja mais alto que outro, consegue perceber o quanto um ambiente está mais claro que outro. Todos esses tipos de informação são conhecidos como INFORMAÇÃO ANALÓGICA. A construção de circuitos eletrônicos, teoricamente, deveria seguir os mesmos moldes da natureza a fim de se tornar o mais real possível. No entanto, na hora da construção de circuitos eletrônicos para o processamento de informações, a utilização de informações analógicas tornou-se um grande problema. Imagine um determinado circuito eletrônico comunicando-se com outro a uma certa distância. Vamos dizer que os dois dispositivos permitam informações analógicas. Se um dispositivo enviar um determinado valor e, durante o percurso, houver um problema qualquer, tal informação chegará alterada. O grande problema, no entanto, estará no fato de que o dispositivo receptor não terá meios para verificar se a informação era verdadeira ou não. Como aceita qualquer valor, se, em vez de 70, chegar o valor 71, o dispositivo terá que aceita-lo como verdadeiro. Dessa forma, nenhum dispositivo eletrônico conseguiria funcionar corretamente. Dispositivos eletrônicos para o processamento de informações trabalham com um outro sistema numérico: o sistema binário. No sistema binário, ao contrário do sistema decimal, só há Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

6 dois algarismos: 0 e 1. No entanto, há uma grande vantagem: qualquer valor diferente desses será completamente desprezado pelo circuito eletrônico, gerando confiabilidade e funcionalidade. Dessa forma, os computadores digitais são totalmente binários. Toda informação introduzida em um computador é convertida para a forma binária, através de um código de armazenamento. A menor unidade de Informação armazenável em um computador é o algarismo binário ou dígito binário, conhecido como BIT (contração das palavras inglesas binary digit). O bit pode ter, então, somente dois valores: 0 ou 1. Evidentemente, com possibilidades tão limitadas, o bit pouco pode representar isoladamente; por essa razão, as informações manipuladas por um computador são codificadas em grupos ordenados de bits, de modo a terem um significado útil. O menor número ordenado de bits representando uma informação útil e inteligível para o ser humano é o caractere. Qualquer caractere a ser armazenado em um sistema de computação é convertido em um conjunto de bits previamente definido para o referido sistema. A primeira definição formal atribuída a um grupo ordenado de bits, para efeito de manipulação interna mais eficiente, foi instituída pela IBM e é, atualmente, utilizada por praticamente todos os fabricantes de computadores. Trata-se do BYTE, definido como um grupo ordenado de oito bits, tratados de forma individual, como unidade de armazenamento e transferência. Para facilitar a expressão de grandes quantidades de bytes, utilizamos abreviaturas que obedecem à tabela de conversão abaixo: 8 bits 1 byte bytes 1 Kilobyte 2 10 = Kilobytes 1 Megabyte 2 20 = Megabytes 1 Gigabyte 2 30 = Gigabytes 1 Terabyte 2 40 = Terabytes 1 Petabyte 2 50 = Petabytes 1 Exabyte 2 60 = Exabytes 1 Zetabyte 2 70 = Zetabytes 1 Yottabyte 2 80 = Como os computadores são binários, todas as indicações numéricas referem-se a potências de 2, e, por essa razão, o K representa unidades (décima potência de 2 ou 2 10 ). Devemos tomar alguns pequenos cuidados na hora de representar a abreviação de byte, a fim de que não haja confusão com a abreviação de bit. Enquanto abreviamos bit com b (minúsculo), abreviamos byte com B (maiúsculo). Assim, 1 KB é a representação de um kilobyte (1.024 bytes = bits), enquanto 1 Kb é a representação de um kilobit (1.024 bits). Todo processamento em um computador consiste na manipulação de dados segundo um conjunto de instruções. Para que seja possível individualizar grupos diferentes de informações (o conjunto de dados de um programa constitui um grupo diferente do conjunto de dados de outro programa, por exemplo), os sistemas operacionais estruturam esses grupos de dados sob uma forma denominada arquivo. Um arquivo de informações (ou dados) é um conjunto formado por dados (ou informações) de um mesmo tipo ou para uma mesma aplicação. Por exemplo, podemos ter um arquivo contendo um texto ou um arquivo contendo as instruções de um programa. Os arquivos são identificados através de um nome que, dependendo do sistema operacional utilizado, possui algumas regras. Por exemplo, no DOS, os arquivos devem possuir nomes de, no máximo, 8 caracteres mais uma extensão, composta por 3 caracteres e, separada do nome por um ponto (.). Espaços em branco e alguns símbolos especiais não são aceitos. A extensão determina o tipo de dados que o arquivo contém (.exe arquivo de executável programa-,.doc normalmente um documento do Word,.dbf arquivo de banco de dados, etc). Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

7 4 Sistemas de Numeração Desde os primórdios da civilização o homem vem adotando formas e métodos específicos para representar números, tornando possível, com eles, contar objetos e efetuar operações aritméticas. A forma mais empregada de representação numérica é a chamada NOTAÇÃO POSICIONAL. Nela, os algarismos componentes de um número assumem valores diferentes, dependendo de sua posição relativa no número. O valor total do número é a soma dos valores relativos de cada algarismo. Desse modo, é a posição do algarismo ou dígito que determina seu valor. A formação de números e as operações com eles efetuadas dependem, nos sistemas posicionais, da quantidade de algarismos diferentes disponíveis no referido sistema. Há muito tempo a cultura ocidental adotou um sistema de numeração que possui dez diferentes algarismo 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 e, por essa razão, foi chamado de SISTEMA DECIMAL. A quantidade de algarismo disponíveis em um dado sistema de numeração é chamada de BASE. A base serve para contarmos grandezas maiores, indicando a noção de grupamento. O sistema de dez algarismo, acima mencionado, tem base 10; um outro sistema que possua apenas dois algarismos diferentes (0 e 1) é de base 2, e assim por diante. Vamos exemplificar o conceito de sistema posicional. Seja o número 1303, representado na base 10, escrito da seguinte forma: Em base decimal, por ser a mais usual, costumamos dispensar o indicador da base, escrevendo-se apenas o número: Neste exemplo, o número é composto de quatro algarismo: 1, 3, 0 e 3 e cada algarismo possui um valor correspondente à sua posição no número. Assim, o primeiro 3 (algarismo mais à direita) representa 3 unidades. Neste caso, o valor absoluto do algarismo (que é 3) é igual ao seu valor relativo (que também é 3), por se tratar da 1 a posição (posição mais à direita, que é a ordem das unidades). Considerando-se o aspecto três vezes a potência 0 da base 10 ou 3 x 10 0 = 3 enquanto o segundo 3 vale três vezes a potência 2 da base 10 ou O valor total do número seria então: 3 x 10 2 = x x x x 10 0 = ( ) = Generalizando, num sistema qualquer de numeração posicional, um número N é expresso da seguinte forma: N = (d n-1 d n-2 d n 3... d 1 d 0 ) b Onde: d indica cada algarismo do número; n-1, n-2, 1, 0 indicam a posição de cada algarismo; b indica a base de numeração; n indica o número de dígitos inteiros. O valor do número pode ser obtido do seguinte somatório: N = (d n-1 x b n-1 ) + (d n-2 x b n-2 )+ (d n 3 x b n-3 ) (d 1 x b 1 ) + (d 0 x b 0 ) Desse modo, na base 10, podemos representar um número: N = 3748 Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

8 Onde: n = 4 (quatro dígitos inteiros) Utilizando a fórmula anteriormente mostrada temos: d n-1 = 3 ou d 3 = 3 d n-2 = 7 ou d 2 = 7 d n-3 = 4 ou d 1 = 4 d n-4 = 8 ou d 0 = 8 Ou, obtendo seu valor de acordo com a fórmula mostrada: N = 3 x x x x 10 0 N = N = Entre as bases diferentes da 10, consideramos apenas as bases 2 e potências de 2, visto que todo computador digital representa internamente as informações em algarismos binários, ou seja, trabalha em base 2. Como os números representados na base 2 são muito extensos (quanto menor a base de numeração, maior é a quantidade de algarismos necessários para indicar um dado valor) e, portanto, de difícil manipulação visual, costuma-se representar externamente os valores binários em outras bases de valor mais elevado. Isso permite maior compactação de algarismos e melhor visualização dos valores. Em geral, usamse as bases octal ou hexadecimal, em vez da base decimal, por ser mais simples e rápido converter valores binários (base 2) para valores em bases múltiplas de 2. Utilizando-se a notação posicional, representam-se números em qualquer base: na base na base na base 8 No entanto, nas bases diferentes de 10, o valor relativo dos algarismos (valor dependente de sua posição no número) é normalmente calculado usando-se os valores resultantes de operações aritméticas em base 10 e não na base do número e, portanto, o valor total do número na base usada. Por exemplo: Seja o número na base 2: Aplicando a expressão mostrada anteriormente temos: 1 x x x x = Este valor 11 está expresso na base 10 e será, portanto, e não na base 2. A base do sistema binário é 2 e, conseqüentemente, qualquer número, quando representado nesse sistema, consiste exclusivamente em dígitos 0 e 1. O termo dígito binário é chamado bit, contração do termo inglês binary digit. Por exemplo, o número binário possui cinco dígitos, ou algarismos binários. Dizse que o referido número é constituído de 5 bits. Em bases de valor superior a 10, usam-se letras do alfabeto para a representação de algarismos maiores que 9. Uma dessas bases é especialmente importante em computação; trata-se da base 16 ou hexadecimal, por ser de valor múltiplo de 2 (como a base 8). Nessa base, os algarismos A, B, C, D, E e F representam, respectivamente, os valores (da base 10): 10, 11, 12, 13, 14 e 15. Na base 16 (hexadecimal), dispomos de 16 algarismo (não números) diferentes: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E e F. Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

9 Um número nessa base é representado na forma da expressão: 1A7B 16 O seu valor na base 10 será obtido usando-se a expressão: 1 x x x x = 6779 Observe que na fórmula acima foram usados os valores 10 para o algarismo A e 11 para o algarismo B, para multiplicar as potências de 16. Por isso, obtivemos o valor do número na base 10. Em outras palavras, utilizamos valores e regras de aritmética da base 10 e, por isso, o resultado encontrado é um valor decimal. A tabela a seguir mostra a representação de números nas bases 2, 8, 10 e 16. Base 2 Base 8 Base 10 Base A B C D E F Pela tabela, podemos observar que os dígitos octais e hexadecimais correspondem a combinações de 3 (octais) e 4 (hexadecimais) bits (algarismos binários). Sendo a base desses sistemas de valor maior que a base 2 e tendo em vista essa particularidade na representação de números nas bases 8 e 16 em relação à base 2, verifica-se que é possível converter rapidamente números da base 2 para as bases 8 ou 16, ou vice-versa. Por exemplo, o número , na base 2, possui 12 algarismos (bits), mas pode ser representado com quatro algarismos octais ou apenas três algarismos hexadecimais = porque: 101 = 5; 111 = 7; 011 = 3 e 101 = = BDD 16 porque: 1011 = B; 1101 = D; 1101 = D Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

10 4.1 Conversão de Bases Uma vez entendido como representar números em notação posicional, e como esta notação é aplicável em qualquer base inteira, podemos exercitar a conversão de números de uma base para outra. Interessa-nos, principalmente, verificar o processo de conversão entre bases múltiplas de 2, e entre estas e a base 10, e vice-versa Conversão entre Bases Potência de Entre as Bases 2 e 8 Como 8 = 2 3, um número binário (base 2) pode ser facilmente convertido para o seu valor equivalente na base 8 (octal). Se o número binário for inteiro, basta dividi-lo, da direita para a esquerda, em grupos de 3 bits (o último grupo não sendo múltiplo de 3, preenche-se com zeros à esquerda). Então, para cada grupo, acha-se o algarismo octal equivalente. A conversão de números da base 8 para a 2 é realizada de forma semelhante, no sentido inverso; substitui-se cada algarismo octal pelos seus 3 bits correspondentes. Exemplos: = X8 (111) (010) (111)2 = = X8 (001) (010) (011) (111)2 = = X (011) (010) (111)2 = = X (110) (111) (011)2 = Entre as Bases 2 e 16 O procedimento de conversão entre números binários e hexadecimais (base 16) é idêntico ao da conversão entre as bases 2 e 8, exceto que, neste caso, a relação é 16 = 2 4. Desse modo, um algarismo hexadecimal é representado por 4 bits; converte-se um número binário em hexadecimal, dividindo-se este número em grupos de 4 bits da direita para a esquerda. A conversão de hexadecimal para binário é obtida substituindo-se o algarismo hexadecimal pelos 4 bits correspondentes. Exemplos: = X16 (0010) (1101) (1011)2 = 2DB16 2 D B Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

11 = X16 (0010) (0111) (0010) (1101)2 = 272D D = X2 (0011) (0000) (0110)2 = F5016 = X2 (1111) (0101) (0000)2 = F Entre as Bases 8 e 16 O processo de conversão utiliza os mesmos princípios antes apresentados. No entanto, como a base de referência para as substituições de valores é a base 2, esta deve ser empregada como intermediária no processo. Ou seja, convertendo-se da base 8 para a 16, deve-se primeiro efetuar a conversão para a base 2 (como mostrado nos subitens anteriores) e depois para a base 16. E o mesmo ocorre se a conversão for da base 16 para a base 8. Por exemplo: = X16 (011) (001) (111) (100)2 = (0110) (0111) (1100) 2 = 67C 16 2E7A16 = X8 (0010) (1110) (0111) (1010)2 = (010) (111) (001) (111) (010) 2 = C716 = X8 (0011) (1100) (0111)2 = (001) (111) (000) (111) 2 = = X16 (010) (101) (100)2 = (1010) (1100) 2 = AC Conceitos Básicos de Sistemas Operacionais Introdução Sem o software, um computador não passa de um amontoado de metal e plástico sem utilidade. A partir do momento em que o hardware passa a ter um software, o computador passa a poder armazenar, processar e recuperar informações. Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

12 O software de computador pode ser dividido em dois grandes grupos: os sistemas operacionais, que são responsáveis por gerenciar as operações do hardware, e os programas aplicativos, responsáveis por resolver problemas específicos para os usuários. O mais fundamental de todos os programas são os sistemas operacionais, os quais controlam todos os recursos do computador e proporcionam uma base sobre a qual os programas aplicativos podem ser escritos. Um sistema computacional moderno é composto por um ou mais processadores, memória principal, sincronizadores, terminais, discos, placas de rede e outros dispositivos de entrada e saída. No final das contas, um sistema bastante complexo. Os sistemas operacionais são softwares ou programas composto por um grande conjunto de rotinas executadas pelo processador, da mesma forma que qualquer outro programa. Porém, sua principal função é controlar o funcionamento do computador, como um gerente dos diversos recursos disponíveis no sistema. Um sistema operacional possui inúmeras funções e resumimos essas funções, basicamente, em duas, descritas a seguir: Facilidade de acesso aos recursos do sistema Um sistema de computação possui, normalmente, diversos componentes, como monitores de vídeo, teclados, impressoras, discos, fitas, etc. Quando utilizamos um desses dispositivos, não nos preocupamos com a maneira como é realizada esta comunicação e com os inúmeros detalhes envolvidos. Para a maioria de nós uma operação cotidiana, como, por exemplo, a leitura de um arquivo em disquete, pode parecer simples. Na realidade, existe um conjunto de rotinas específicas, controladas pelo sistema operacional, responsável por acionar a cabeça de leitura e gravação da unidade de disco, posicionar na trilha e setor onde estão os dados, transferir os dados do disco para a memória e, finalmente, informar ao programa a chegada dos dados. Há vários anos atrás, ficou muito claro que era necessário se encontrar um meio de isolar os programadores da complexidade do hardware. A solução encontrada foi adicionar uma camada de software sobre o hardware para gerenciá-lo e proporcionar ao programador uma interface ou máquina virtual (virtual machine) que o tornaria mais fácil de entender e programar. O sistema operacional, então, serve de interface entre os usuários e os recursos de hardware disponíveis no sistema, tornando esta comunicação transparente e permitindo ao usuário um trabalho mais eficiente e com menores chances de erros. Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

13 É comum pensar que compiladores, linkers, bibliotecas, depuradores e outras ferramentas fazem parte do sistema operacional, mas, na realidade, estas facilidades são apenas utilitários, destinados a ajudar a interação do usuário com o computador Compartilhamento de recursos de forma organizada e protegida Quando pensamos em sistemas multiusuário, onde vários usuários podem estar compartilhando os mesmos recursos, como, por exemplo, memória e discos, é necessário que todos tenham oportunidade de ter acesso a esses recursos, de forma que um usuário não interfira no trabalho do outro. Se imaginarmos, por exemplo, que uma impressora possa ser utilizada por vários usuários do sistema, deverá existir algum controle para impedir que a impressão de um usuário interrompa a impressão de outro. Novamente, o sistema operacional é responsável por permiti r o acesso concorrente a esse e a outros recursos, de forma organizada e protegida, dando ao usuário a impressão de ser o único a utilizá-los. O compartilhamento de recursos permite, também, a diminuição de custos, na medida em que mais de um usuário pode utilizar as mesmas facilidades concorrentemente, como discos, impressoras, linhas de comunicação, etc. Não é apenas em sistemas multiusuário que o sistema operacional é importante. Se pensarmos que um computador pessoal nos permite executar várias tarefas, como imprimir um documento, copiar um arquivo pela Internet ou processar uma planilha, o sistema operacional deve ser capaz de controlar a execução concorrente de todas essas tarefas Máquinas de Níveis Um computador visto somente como um gabinete composto de circuitos eletrônicos, cabos e fontes de alimentação (hardware), não tem nenhuma utilidade. É através de programas (software) que o computador consegue armazenar dados em discos, imprimir relatórios, gerar gráficos, realizar cálculos, entre outras funções. O hardware é o responsável pela execução das instruções de um programa, com a finalidade de se realizar alguma tarefa. Uma operação efetuada pelo software pode ser implementada em hardware, enquanto uma instrução executada pelo hardware pode ser simulada via software. Esta decisão fica a cargo do projetista do computador em função de aspectos como custo, confiabilidade e desempenho. Tanto o hardware como o software são logicamente equivalentes, interagindo de uma forma única para o usuário. Nos primeiros computadores, a programação era realizada em painéis, através de fios, exigindo um grande conhecimento do hardware e de sua linguagem de máquina. Isso era uma grande dificuldade para os programadores da época. A solução para esse problema foi o surgimento do sistema operacional, que tornou a interação entre usuário e computador mais simples, confiável e eficiente. A partir desse acontecimento, não existia mais a necessidade de o programador se envolver com a complexidade do hardware para poder trabalhar; ou seja, a parte física do computador tornou-se transparente para o usuário. Figura 1 - Visão modular do computador pelo usuário. Sistema Operacional Hardware Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

14 Partindo desse princípio, podemos considerar o computador como uma máquina de níveis ou camadas, onde inicialmente existem dois níveis: o nível 0 (hardware) e o nível 1 (sistema operacional). Desta forma, o usuário pode enxergar a máquina como sendo apenas o sistema operacional, ou seja, como se o hardware não existisse. Esta visão modular e abstrata é chamada máquina virtual. Na realidade, um computador não possui apenas dois níveis, e sim tantos níveis quanto forem necessários para adequar o usuário às suas diversas aplicações. Quando o usuário está trabalhando em um desses níveis, não necessita da existência das outras camadas, acima ou abaixo de sua máquina virtual. Atualmente, a maioria dos computadores possui a estrutura mostrada na figura 2, podendo conter mais ou menos camadas. A linguagem utilizada em cada um desses níveis é diferente, variando da mais elementar (baixo nível) até a mais sofisticada (alto nível). Aplicativos Utilitários Sistema Operacional Linguagem de Máquina Microprogramação Hadware Dispositivos Físicos Histórico Figura 2 - Máquina de níveis. A evolução dos sistemas operacionais está, em grande parte, relacionada ao desenvolvimento de equipamentos cada vez mais velozes, compactos e de baixo custo, e à necessidade de aproveitamento e controle desses recursos. Neste histórico dividimos essa evolução em fases, onde destacamos, em cada uma, suas principais características de hardware, software, interação com o sistema e aspectos de conectividade Primeira Fase ( ) No início da Segunda Guerra Mundial, surgiram os primeiros computadores digitais, formados por milhares de válvulas, que ocupavam áreas enormes, sendo de funcionamento lento e duvidoso. O ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) foi o primeiro computador digital de propósito geral. Criado para a realização de cálculos balísticos, sua estrutura possuía 18 mil válvulas, 10 mil capacitores, 70 mil resistores e pesava 30 toneladas. Quando em operação, consumia cerca de 140 quilowatts e era capaz de realizar 5 mil adições por segundo. Para trabalhar nessas máquinas, era necessário conhecer profundamente o funcionamento do hardware, pois a programação era feita em painéis, através de fios, utilizando linguagem de máquina. Nessa fase, ainda não existia o conceito de sistema operacional. Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

15 Outros computadores foram construídos nessa mesma época, como o EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) e o IAS (Princeton Institute for Advanced Studies), mas eram utilizados apenas nas universidades e nos órgãos militares. Com o desenvolvimento da indústria de computadores, muitas empresas foram fundadas ou investiram no setor, como a Sperry e a IBM, o que levou à criação dos primeiros computadores para aplicações comerciais. A primeira máquina fabricada com esse propósito e bem-sucedida foi o UNIVAC I (Universal Automatic Computer), criado especialmente para o censo americano de Segunda Fase ( ) A criação do transistor e das memórias magnéticas contribuiu para o enorme avanço dos computadores da época. O transistor permitiu o aumento da velocidade e da confiabilidade do processamento, e as memórias magnéticas permitiram o acesso mais rápido aos dados, maior capacidade de armazenamento e computadores menores. Com o surgimento das primeiras linguagens de programação, como Assembler e Fortran, os programas deixaram de ser feitos diretamente no hardware, o que facilitou enormemente o processo de desenvolvimento de programas. Já não era mais possível conviver com tantos procedimentos manuais como os anteriores, que não permitiam o uso eficiente do computador e de seus recursos. Os primeiros sistemas operacionais surgiram, justamente, para tentar automatizar as tarefas manuais. Inicialmente, os programas passaram a ser perfurados em cartões, que, submetidos a uma leitora, eram gravados em uma fita de entrada ( Figura 3a). A fita, então, era lida pelo computador, que executava um programa de cada vez, gravando o resultado do processamento em uma fita de saída ( Figura 3b). Ao terminar a execução de todos os programas, a fita de saída era lida e impressa ( Figura 3c). A esse tipo de processamento, onde um lote (batch) de programas era submetido ao computador, deu-se o nome de processamento batch. Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

16 Figura 3 - Processamento batch Pode não parecer um avanço, mas anteriormente os programas eram submetidos pelo operador, um a um, fazendo com que o processador ficasse ocioso entre a execução de um programa e outro. Com o processamento batch, um grupo de programas era submetido de uma só vez, o que diminuía o tempo existente entre a execução dos programas, permitindo, assim, melhor uso do processador. Os sistemas operacionais passaram a ter seu próprio conjunto de rotinas para operações de entrada/saída (Input/Output Control System IOCS), que veio facilitar bastante o processo de programação. O IOCS eliminou a necessidade de os programadores desenvolverem suas próprias rotinas de leitura/gravação específicas para cada dispositivo periférico. Essa facilidade de comunicação criou o conceito de independência de dispositivos. Importantes avanços, no que se refere ao hardware, foram implementados no final dessa fase, principalmente na linha 7094 da IBM. Entre eles, destacamos o conceito de canal, que veio permitir a transferência de dados entre dispositivos de entrada/saída e memória principal de forma independente da UCP. Ainda nessa fase, destacamos os sistemas FMS (Fortran Monitor System) e IBSYS Terceira Fase ( ) Através dos circuitos integrados (CIs) e, posteriormente, dos microprocessadores, foi possível viabilizar e difundir o uso de sistemas computacionais por empresas, devido a diminuição de seus custos de aquisição. Além disso, houve grande aumento do poder de processamento e diminuição no tamanho dos equipamentos. Com base nessa nova tecnologia, a IBM lançou em 1964 a Série 360. Esse lançamento causou uma revolução na indústria de informática, pois introduzia uma linha (família) de computadores pequena, poderosa e, principalmente, compatível. Isso permitiu que uma empresa adquirisse um modelo mais simples e barato e, conforme suas necessidades, mudasse para modelos com mais recursos, sem comprometer suas aplicações já existentes. Para essa série, foi desenvolvido o sistema operacional OS/360, que tentava atender todos os tipos de aplicações e periféricos. Apesar de todos os problemas desse equipamento e de seu tamanho físico, a série 360 introduziu novas técnicas, utilizadas até hoje. Na mesma época, a DEC lançou a linha PDP-8, também revolucionária, pois apresentava uma linha de computadores de porte pequeno e baixo custo, se comparada aos mainframes ate então comercializados, criando um novo mercado, o de minicomputadores. A evolução dos processadores de entrada/saída permitiu que, enquanto um programa esperasse por uma operação de leitura/gravação, o processador executasse um outro programa. Para tal, a memória foi dividida em partições, onde cada programa esperava sua vez para ser processado. A essa técnica de compartilhamento da memória principal e processador deu-se o nome de multiprogramação. Com a substituição das fitas por discos no processo de submissão dos programas, o processamento batch tornou-se mais eficiente, pois permitia a alteração na ordem de execução das tarefas, até então puramente seqüencial. A essa técnica de submissão de programas chamou-se spooling, que, mais tarde, também viria a ser utilizada no processo de impressão. Os sistemas operacionais, mesmo implementando o processamento batch e a multiprogramação, ainda estavam limitados a processamentos que não exigiam comunicação com o usuário. Para permitir a interação rápida entre o usuário e o computador, foram adicionados terminais de vídeo e teclado (interação on-line). A multiprogramação evoluiu preocupada em oferecer aos usuários tempos de respostas razoáveis e uma interface cada vez mais amigável. Para tal, cada programa na memória utilizaria o processador em pequenos intervalos de tempo. A esse sistema de divisão de tempo do processador chamou-se time-sharing (compartilhamento de tempo). Outro fato importante nessa fase foi o surgimento do sistema operacional Unix (1969). Concebido inicialmente em um minicomputador PDP-7, baseado no sistema MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service), o Unix foi depois reescrito em uma linguagem de alto nível (linguagem C), tornando-se conhecido por sua portabilidade. No final dessa fase, com a evolução dos microprocessadores, surgiram os primeiros microcomputadores, muito mais baratos que qualquer um dos computadores ate então Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

17 comercializados. Entre eles, destacamos os micros de 8 bits da Apple e o sistema operacional CP/M (Control Program Monitor) Quarta Fase ( ) A integração em larga escala (Large Scale Integration-LSI) e a integração em altíssima escala (Very Large Scale Integration-VLSI) levaram adiante o projeto de miniaturização e barateamento dos equipamentos. Os mini e superminicomputadores se firmaram no mercado e os microcomputadores ganharam um grande impulso. Nesse quadro surgiram os microcomputadores PC (Personal Computer) de 16 bits da IBM e o sistema operacional DOS (Disk Operation System), criando a filosofia dos computadores pessoais. Na área dos minis e superminicomputadores ganharam impulso os sistemas multiusuário, com destaque para os sistemas compatíveis com o Unix (Unix-like) e o VMS (Virtual Memory System) da DEC. Surgem as estações de trabalho (workstations) que, apesar de monousuárias, permitem que se executem diversas tarefas concorrentemente, criando o conceito de multitarefa. No final dos anos 80, os computadores tiveram um grande avanço, decorrente de aplicações que exigiam um enorme volume de cálculos. Para acelerar o processamento, foram adicionados outros processadores, exigindo dos sistemas operacionais novos mecanismos de controle e sincronismo. Com o multiprocessamento, foi possível a execução de mais de um programa simultaneamente, ou até de um mesmo programa por mais de um processador. As redes distribuídas (Wide Area Network- WANs) se difundiram por todo o mundo, permitindo o acesso a outros sistemas de computação, independentemente de sua localização geográfica e, até mesmo, sistemas de outros fabricantes. Nesse contexto são desenvolvidos inúmeros protocolos de rede, alguns proprietários, como o DECnet da DEC e o SNA (System Network Architecture) da IBM, e outros de domínio público, como o TCP/IP e o CCITT X.25. Surgem as primeiras redes locals (Local Area Network LANs) interligando pequenas áreas. Os softwares de rede passaram a estar intimamente relacionados ao sistema operacional e surgem os sistemas operacionais de rede Quinta Fase (1991-????) Grandes avanços em termos de hardware, software e telecomunicações podem ser esperados. Essas mudanças são conseqüência da evolução das aplicações, que necessitam cada vez mais de capacidade de processamento e armazenamento de dados. Sistemas especialistas, sistemas multimídia, banco de dados distribuídos, inteligência artificial e redes neurais são apenas alguns exemplos da necessidade cada vez maior de sistemas com grande capacidade de processamento. A evolução da microeletrônica permitirá o desenvolvimento de processadores e memórias cada vez mais velozes e baratos, Além de dispositivos menores, mais rápidos e com maior capacidade de armazenamento. Os componentes baseados em tecnologia VLSI (Very Large Scale Integration) evoluem rapidamente para o ULSI (Ultra Large Scale Integration). Os computadores da próxima geração têm de ser muito mais eficientes que os atuais, pare atender o volume cada vez maior de processamento. Para isso, está ocorrendo uma mudança radical na filosofia de projeto de computadores. Arquiteturas paralelas, baseadas em organizações de multiprocessadores não convencionais, já se encontram em desenvolvimento em várias universidades e centros de pesquisa do mundo. A evolução do hardware encadeará modificações profundas nas disciplinas de programação para fazer melhor uso das arquiteturas paralelas. Assim, novas linguagens e metodologias de programação concorrentes estão sendo desenvolvidas, em particular, fazendo uso extensivo de inteligência artificial e CAD (Computer-Aided Design). O conceito de processamento distribuído será explorado nos sistemas operacionais, de forma que suas funções estejam espalhadas por vários processadores através de redes de computadores. Isso só será possível devido à redução dos custos de comunicação e ao aumento na taxa de transmissão de dados. A arquitetura cliente-servidor aplicada basicamente a redes locais passa a ser oferecida em redes distribuídas, permitindo que qualquer pessoa tenha acesso a todo tipo de informação, independentemente de onde esteja armazenada. Problemas de segurança, Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

18 gerência e desempenho tornam-se fatores importantes relacionados ao sistema operacional e a rede. A década de 90 foi definitiva para a consolidação dos sistemas operacionais baseados em interfaces gráficas. Apesar da evolução da interface, a forma de interação com os computadores sofrerá, talvez, uma das modificações mais visíveis. Novas interfaces homemmáquina serão utilizadas, como linguagens naturais, sons e imagens, fazendo essa comunicação mais inteligente, simples e eficiente. Os conceitos e implementações só vistos em sistemas considerados de grande porte estão sendo introduzidos na maioria dos sistemas desktop, como na família Windows da Microsoft, no Unix e no OS/2 da IBM. Fase Características Computadores Primeira ( ) ENIAC EDVAC UNIVAK Segunda ( ) NCR IMB 7094 CDC-6600 Terceira ( ) IBM 360, 370 PDP-11 Cray 1 Cyber-205 Quarta ( ) Cray XMP IBM 308 VAX-11 IBM-PC Quinta (1991-????) IBM 3090 Alpha AXP Pentium Sun SPARC Hardware Válvulas Tambor Magnético Tubos de raios catódicos Transistor Memória Magnética Circuito Integrado Disco Magnético Minicomputado r Microprocessad or LSI ou VLSI Disco óptico Microcomputad or Ultra-LSI Arquiteturas Paralelas Circuto Integrado 3- D Software Linguagem de Máquina Linguagem assembler Linguagem de Alto Nível Processame n-to Batch Linguagem Estruturadas Multiprogramaç ão Time-Sharing Computação Gráfica Multiprocessamento Sistemas Especialistas Linguagens orientadas a objetos Processame nto Distribuído Linguagens concorrentes Programaçã o funcional Linguagens naturais Telecomunicaçõ es Telefone Teletipo Transmissã o Digital Comunicação via satélite Microondas Redes distribuídas(wa N) Fibra óptica Redes Locais (LAN) Internet Redes Locais estendidas (ELAN) Redes sem fio Modelo clienteservidor Desempenho 10 ips ips 5 Mips 30 Mips 1 Gflops 1 Tflops Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

19 6 Conceitos de Hardware e Software Hardware Um computador é constituído por um conjunto de componentes físicos (hadware) interligados. Esses dispositivos manipulam dados na forma digital, o que proporciona uma maneira confiável de representação das informações. Todos os componentes de um computador são agrupados em três subsistemas básicos: Unidade central de processamento (CPU) Memória principal Unidades de I/O Estes subsistemas, também chamados de unidades funcionais, estão presentes em todo computador digital, apesar de suas implementações variarem nas diferentes arquiteturas existentes e comercializadas pelos diversos fabricantes de computadores. Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Unidade de Controle (UC) Registradores Dispositivos de Entrada e Saída Memória Principal (MP) Unidade Central de Processamento A unidade central de processamento (CPU), ou processador, tem como função principal unificar todo o sistema, controlando as funções realizadas por cada unidade funcional. A CPU também é responsável pela execução de todos os programas do sistema, que obrigatoriamente deverão estar armazenados na memória principal. Um programa é composto por uma série de instruções que são executadas seqüencialmente pela CPU, através de operações básicas como somar, subtrair, comparar e movimentar dados. Desta forma, a CPU busca cada instrução na memória principal e a interpreta para sua execução. A CPU é composta por dois componentes básicos: unidade de controle unidade lógica aritmética A Unidade de Controle (UC) é responsável por controlar as atividades de todos os componentes do computador, mediante a emissão de pulsos elétricos (sinais de controle) gerados por um dispositivo denominado clock. Este controle pode ser a gravação de um dado no disco ou a busca de uma instrução na memória. A unidade lógica e aritmética (ULA), como o nome indica, é responsável pela realização de operações lógicas (testes e comparações) e aritméticas (somas e subtrações). Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

20 A especificação da velocidade de processamento de uma CPU é determinada pelo número de instruções que o processador executa por unidade de tempo (normalmente em segundos). Alguns fabricantes utilizam unidades de processamento próprias, já que não existe uma padronização, sendo as mais comuns o MIPS (milhões de instruções por segundo) e o MFLOPS/GFLOPS (milhões/bilhões de instruções de ponto flutuante por segundo). A tabela a seguir mostra alguns processadores e suas respectivas velocidades de processamento. Velocidade de Processamento Clock Intel Intel Intel Pentium Intel Pentium Pro 5 MIPS 20 MIPS 100 MIPS 250 MIPS O clock é um sinal de controle (pulsos elétricos), sincronizado em um determinado intervalo de tempo (sinal de clock). A quantidade de vezes que este pulso se repete em um segundo define a freqüência do clock. O sinal de clock é utilizado pela unidade de controle para a execução das instruções e também para sincronizar a comunicação entre dispositivos que utilizam a transmissão paralela de bits externamente ao processador, só que para cada comunicação entre dois dispositivos existe um sinal de clock independente. A freqüência do clock de um processador é medida em Hertz (Hz), que significa o número de pulsos elétricos gerados em um segundo. A freqüência também pode ser utilizada como unidade de desempenho entre diferentes processadores, portanto quanto maior a freqüência, mais instruções podem ser executadas pela CPu em um mesmo intervalo de tempo Registradores Os registradores são dispositivos de alta velocidade, localizados fisicamente na CPU, para armazenamento temporário de dados. O número de registradores varia em função da arquitetura de cada processador. Alguns registradores são de uso específico e têm propósitos especiais, enquanto outros são ditos de uso geral. Entre os registradores de uso específico, merecem destaque: Contador de Instruções (CI) ou program counter (PC) é o registrador responsável pelo armazenamento do endereço da próxima instrução que a CPU deverá executar. Toda vez que a CPU executa uma instrução, o contador de instruções é atualizado com um novo endereço; Apontador da Pilha (AP) ou stack pointer (SP) é o registrador que contém o endereço de memória do topo da pilha, que é a estrutura de dados onde o sistema mantém informações sobre tarefas que estavam sendo processadas e tiveram que ser interrompidas por algum motivo; Registrador de Estado ou program status word (PSW) é o registrador responsável por armazenar informações sobre a execução do programa, como a ocorrência de carry e overflow. A cada instrução executada, o registrador de estado é alterado conforme o resultado gerado pela instrução Memória Principal A memória principal, também conhecida como memória primária ou real, é a parte do computador onde são armazenados instruções e dados. Ela é composta por unidades de acesso chamadas endereços ou células, sendo cada célula composta por um determinado número de bits (binary digit). O bit é a unidade básica de memória, podendo assumir o valor 0 ou 1. Atualmente, a grande maioria dos computadores utiliza o byte (8 bits) como tamanho de célula, porém encontramos computadores de gerações passadas com células de 16, 32 e até mesmo 60 bits. Podemos concluir, então, que a memória, é formada por um conjunto de células, onde cada célula possui um determinado número de bits. Fundamentos de Processamento de Dados 1º PD

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