Sistemas Operacionais

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1 Sistemas Operacionais Aula 2 Introdução: conceitos, máquinas de níveis. Prof.: Edilberto M. Silva SO - Prof. Edilberto Silva

2 O que é um sistema operacional? um provedor de abstrações um coordenador de recursos um mágico : faz com que seu sistema pareça mais do que na realidade ele é (mais de um processador, memória maior) A principal tarefa do SO é "adaptar" o hardware. Exemplos: MS-DOS/Windows, MacOS, UNIX. SO - Prof. Edilberto Silva 2

3 Definições São programas implementados tanto em software quanto em firmware, que torna o hardware usável... O SO torna o poder computacional do hardware disponível de forma amigável para o usuário e gerencia o hardware cuidadosamente a fim de obter boa performance [Deitel, 1990] Age como intermediário entre o usuário do computador e o hardware. Seu propósito é prove um ambiente no qual o usuário possa executar programas de forma conveniente e eficiente [Silberschatz,1999] SO - Prof. Edilberto Silva 3

4 Definições Conjunto de módulos de software que coletivamente servem como uma interface entre os programas aplicativos e o sistema de hardware, com o objetivo sendo alcançar um sistema computacionalmente eficiente, seguro e fácil de usar [Chow, 1997] Parte do computador que transforma hardware sem vida em um sistema poderoso e usável [GOSCINSKI,1991] SO - Prof. Edilberto Silva 4

5 Comunicação com o computador Programa em linguagem de alto nível Assembler Conjunto de sinais de controle temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = tempo; Compilado r hv $15, 0($2) Programa em linguagem hv $16, 4($2) Assembly anv $16, 0($2) anv $15, 4($2) Programa em linguagem de máquina Interpretação pela máquina ALUOP[0:3] InstReg[9:11] & MASK SO - Prof. Edilberto Silva 5

6 Máquinas Von-Neumann Arquiteturas Três subsistemas básicos: CPU com três blocos principais: unidade de controle, unidade lógico-aritmética (ALU) e registradores, incluindo-se aí um registrador contador de programa (PC) Memória principal Sistema de E/S Programa armazenado representado em forma digital na memória do computador, juntamente com os dados Execução seqüencial de instruções Caminho único entre memória e unidade de controle SO - Prof. Edilberto Silva 6

7 Conjunto de instruções Aplicações Compilador Sistema Operacional Microprograma Sistema I/O Projeto da lógica digital Projeto de circuitos SO - Prof. Edilberto Silva 7

8 Máquinas Von-Neumann Arquiteturas Três subsistemas básicos: CPU com três blocos principais: unidade de controle, unidade lógico-aritmética (ALU) e registradores, incluindo-se aí um registrador contador de programa (PC) Memória principal Sistema de E/S Programa armazenado representado em forma digital na memória do computador, juntamente com os dados Execução seqüencial de instruções Caminho único entre memória e unidade de controle SO - Prof. Edilberto Silva 8

9 Máquinas Von-Neumann Memória Principal endereço dados/instruções CPU Registradores PC ULA Unidade de Controle Sistema de E/S SO - Prof. Edilberto Silva 9

10 Máquinas Von-Neumann Arquitetura Operação: a execução de um programa é uma seqüência de ciclos de máquina von Neumann, compostos por: Busca da instrução (fetch): transfere instrução da posição de memória apontada por PC para a CPU; Execução da instrução: a unidade de controle decodifica a instrução e gerencia os passos para sua execução pela ALU. SO - Prof. Edilberto Silva 10

11 Arquitetura Máquinas Não Von-Neumann Máquinas paralelas: várias unidades de processamento executando programas de forma cooperativa, com controle centralizado (máquinas SIMD) ou não (máquinas MIMD) Máquinas de fluxo de dados: não executam instruções de um programa; realizam operações de acordo com a disponibilidade dos dados envolvidos Redes neurais artificiais: não executam instruções de um programa; resultados são gerados a partir de respostas a estímulos Processadores sistólicos (VLSI): processamento ocorre pela passagem de dados por arranjo de células de processamento executando operações básicas SO - Prof. Edilberto Silva 11

12 Máquinas Multinível Simples Linguagem Complexa Nível n Nível 4 Nível 3 Nível 2 Nível 1 Máquina virtual M n, com linguagem de máquina L n Máquina virtual M 4, com linguagem de máquina L 4 Máquina virtual M 3, com linguagem de máquina L 3 Máquina virtual M 2, com linguagem de máquina L 2 Computador real M 1, com linguagem de máquina L 1 Os programas em L n ou são interpretados por um interpretador em execução em uma máquina de nível inferior, ou são traduzidos para a linguagem de máquina de uma máquina de nível inferior Os programas em L 3 ou são interpretados por um interpretador em execução em M 2, ou são traduzidos para L 2 Os programas em L 2 ou são interpretados por um interpretador em execução em M 1, ou são traduzidos para L 1 Os programas em L 1 podem ser executados diretamente pelos circuitos eletrônicos SO - Prof. Edilberto Silva 12

13 Máquinas Multinível Nível 5 Nível 4 Linguagem orientada para problemas Tradução (compilador) Linguagem de montagem Nível 3 Nível 2 Nível 1 Nível 0 Tradução (montador) Sistema operacional Interpretação parcial (sistema operacional) Máquina convencional Interpretação (microprograma) Máquina de microprogramação Os microprogramas são executados diretamente pelo hardware Lógica digital SO - Prof. Edilberto Silva 13

14 Processamento O processador é responsável pela realização das operações de processamento (os cálculos matemáticos etc.) e de controle, durante a execução de um programa. Buscar Inst. Interpretar Executar Operação Células sucessivas na MP Barramento SO - Prof. Edilberto Silva 14

15 Processamento 1) buscar uma instrução na memória (operação de leitura) IR 2) Atualiza PC 3) interpretar que operação a instrução está explicitando (soma, multiplicação, I/O) 4) Determina o endereço da palavra armazenada 5) Busca e armazenamento (registrador) da palavra 6) Execução e retorno para próxima instrução Início Buscar a próxima instrução Interpretar a instrução (decodificar) Executar a instrução Término SO - Prof. Edilberto Silva 15

16 Esquema simplificado da UCP U C P RDM Barramento de dados UAL ACC Registradores CI(PC) REM Barramento de endereços M P Relógio IR Dados/ Endereço Controle U C Decodificador de instruções Barramento de controle SO - Prof. Edilberto Silva 16

17 Unidade Aritmética e Lógica UAL Dispositivo da UCP que executa realmente as operações matemáticas com os dados. soma, multiplicação, subtração e divisão; Op. lógica AND, OR e XOR; deslocamentos à direita e à esquerda; incremento e decremento; op complemento. SO - Prof. Edilberto Silva 17

18 Registradores Dado ou Resultado - armazenados em um registrador (memória da UCP) Reutilização ou transferência para MP Dado/Resultado UAL ACC - ligação da UAL com os outros dispositivos da UCP SO - Prof. Edilberto Silva 18

19 Funções de Controle Unidade de Controle (UC) É o dispositivo mais complexo da UCP. Movimentação de dados e instruções de/e para a UCP Controla a ação da UAL. Relógio Gerador de pulsos (ciclo) Define freqüência (velocidade da UCP) SO - Prof. Edilberto Silva 19

20 Funções de Controle Registrador de Instrução RI armazenar a instrução a ser executada pela UCP emite o sinal de controle que acarretará a realização de um ciclo de leitura Program Counter armazenar o endereço da próxima instrução a ser executada. SO - Prof. Edilberto Silva 20

21 Funções de Controle Decodificador de Instrução Identificar as operações a serem realizadas, que estão correlacionadas à instrução em execução RDM Registrador de Dados da Memória REM Registrador de Endereço da Memória Comunicação e transferências de informações entre a UCP e a MP SO - Prof. Edilberto Silva 21

22 CISC x RISC CISC - Complex Instruction Set Computer Compatibilidade com máquinas + antigas Incorporação da tecnologia RISC (núcleo) RISC - Reduced Complex Instruction Set Computer Conjunto menor de instruções Execução otimizada de chamada de funções Menor quantidade de modos de endereçamento Alta produtividade de pipelining SO - Prof. Edilberto Silva 22

23 Paralelismo no Nível de Instrução Pipeline Consiste em dividir o ciclo de instrução em estágios independentes que podem se superpor uns aos outros no tempo. SO - Prof. Edilberto Silva 23

24 Paralelismo no Nível de Instrução (Pipeline) T a r e f a s s e q Tempo A B C D A B C D 4 pessoas Lavar 30 Secar 40 Dobrar 20 Lavanderia sequencial leva 6 horas para terminar Se eles conhecessem computação, quanto tempo levaria? SO - Prof. Edilberto Silva 24

25 Lavanderia com Pipeline T a r e f a s s e q Tempo A B C D Pipelining não melhora a latência de uma única tarefa, mas melhora o throughput do trabalho todo Taxa de inserção de tarefas é limitada pela tarefa mais lenta Existem múltiplas tarefas sendo executadas em um dado instante Lavanderia com pipelining leva 3.5 horas!!! SO - Prof. Edilberto Silva 25

26 Conceitos básicos Hierarquia de memória custo alto velocidade alta baixa capacidade Registradores Memória Cache Memória Principal custo baixo velocidade baixa capacidade elevada Disco Magnético Fita Disco Óptico Memória Secundária SO - Prof. Edilberto Silva 26

27 Bit M-2 Bit 1 Bit 0 Organização da Memória Principal MP end 0 end 1 end 2 M bits M bits M bits MP N células end 257A end 257B 1F 2C... end N-2 end N-1 Bit M-1... Todas as células têm a mesma quantidade de M bits A posição da MP com endereço 257A tem armazenado o conteúdo 1F SO - Prof. Edilberto Silva 27

28 Operação de leitura Algoritmo: Operações com a Memória Principal 1. (REM) (outro registrador); 1a. o endereço é colocado no barramento de endereços; 2. Sinal de leitura READ é colocado no barramento de controle; 3. (RDM) (MP(REM)), pelo barramento de dados; 4. (outro registrador) (RDM). Obs: o tempo de acesso corresponde à execução dos 4 passos. SO - Prof. Edilberto Silva 28

29 Operações com a Memória Principal UCP Operação de leitura Outros registradores RDM REM 1324 UC C MP FFFF Controle Endereços Dados SO - Prof. Edilberto Silva 29

30 Operações com a Memória Principal UCP RDM Operação de leitura (passo 1) Dados REM UC Endereços Controle C FFFF MP SO - Prof. Edilberto Silva 30

31 Operações com a Memória Principal UCP RDM Operação de leitura (passo 1a) Dados REM UC Endereços Controle C FFFF 1324 MP SO - Prof. Edilberto Silva 31

32 Operações com a Memória Principal UCP Operação de leitura (passo 2) MP RDM REM 1324 UC C Endereços READ WAIT Controle READ FFFF WAIT READ WAIT 1324 Dados SO - Prof. Edilberto Silva 32

33 Operações com a Memória Principal UCP RDM Operação de leitura (passo 3) 5C 5C REM UC Endereços Controle C FFFF 5C MP Dados 5C SO - Prof. Edilberto Silva 33

34 Operações com a Memória Principal UCP 5C RDM Operação de leitura (passo 4) 5C Dados REM UC Endereços Controle C FFFF MP SO - Prof. Edilberto Silva 34

35 Operação de escrita Algoritmo: Operações com a Memória Principal 1. (REM) (outro registrador); 1a. o endereço é colocado no barramento de endereços; 2. (RDM) (outro registrador) 3. Sinal de escrita WRITE é colocado no barramento de controle; 4. (MP(REM)) (RDM), pelo barramento de dados. SO - Prof. Edilberto Silva 35

36 Operações com a Memória Principal UCP F7 Operação de escrita 0000 MP RDM REM UC 3A FFFF Controle Endereços Dados SO - Prof. Edilberto Silva 36

37 Operações com a Memória Principal UCP F7 Operação de escrita (passo 1) 0000 MP RDM REM UC 3A FFFF Controle Endereços Dados SO - Prof. Edilberto Silva 37

38 Operações com a Memória Principal UCP F7 Operação de escrita (passo 1a) 0000 MP RDM REM UC 3A FFFF Controle Dados Endereços SO - Prof. Edilberto Silva 38

39 Operações com a Memória Principal UCP F7 Operação de escrita (passo 2) 0000 MP RDM F7 REM UC 3A FFFF Controle Endereços Dados SO - Prof. Edilberto Silva 39

40 Operações com a Memória Principal UCP F7 Operação de escrita (passo 3) 0000 MP RDM F7 REM UC 3A Endereços WRITE WAIT Controle WRITE FFFF WAIT WRITE WAIT Dados SO - Prof. Edilberto Silva 40

41 Operações com a Memória Principal UCP F7 Operação de escrita (passo 4) 0000 MP RDM F7 REM UC 3A FFFF F7 Controle F7 Endereços Dados F7 SO - Prof. Edilberto Silva 41

42 Operações com a Memória Principal Operação de escrita (passo 4) UCP F MP RDM F7 REM UC F7 FFFF Controle Endereços Dados SO - Prof. Edilberto Silva 42

43 Conceitos básicos Memória Cache UCP mais veloz que MP acarretando ( wait state ) Memórias rápidas são muito caras Conceito de localidade É o fenômeno relacionado com o modo pelo qual os programas em média são escritos e executados pela UCP localidade temporal: probabilidade de que ele em breve acesse a mesma palavra novamente localidade espacial: probabilidade de acessar uma palavra subseqüente ou de endereço adjacente à palavra que acabou de acessar SO - Prof. Edilberto Silva 43 43/88

44 Memória Cache outro programa Parte 1 do programa A executado em sequência call sub-rotina 1 loop 1 loop 2 sub-rotina 1 Parte 2 do programa A SO - Prof. Edilberto Silva 44

45 Memória Cache Funcionamento do sistema UCP/MP Sempre que a UCP vai buscar uma nova instrução (após a busca inicial), ela acessa a memória cache Se a instrução (ou dado) estiver na cache (acerto), ela é transferida em alta velocidade (compatível com a da UCP) Se a instrução (ou dado) não estiver na cache (falta), então o sistema está programado para interromper a execução do programa e transferir a instrução desejada da MP para a cache SO - Prof. Edilberto Silva 45