Arquitetura e Organização de Computadores
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- Vergílio Amorim Viveiros
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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Arquitetura e Organização de Computadores Suporte ao Sistema Operacional Prof. Sílvio Fernandes
2 Introdução Um SO é um programa que controla a execução dos programas aplicativos e atua como uma interface entre o usuário e o hardware do computador Conveniência: um SO torna um computador mais conveniente para uso Eficiência: um SO permite que os recursos do sistema de computação sejam usados de uma maneira eficiente 2
3 Introdução Usuário final Programador Programas Aplicativos Utilitários Projetista do SO Sistema Operacional Hardware do computador 3
4 Introdução SO normalmente oferece os serviços Criação de programas Execução de programas Acesso aos dispositivos de E/S Acesso controlado aos arquivos Acesso ao sistema para recursos compartilhados Detecção e respostas a erros Contabilidade 4
5 SO como um Gerente de Recursos O SO controla o processamento, o armazenamento e a transferência de dados Como mecanismo de controle, o SO é incomum em dois aspectos O SO é um programa como outro qualquer, sendo executado pelo μp O SO renuncia ao controle do μp para, em seguida, obter o controle novamente 5
6 SO como um Gerente de Recursos Recursos controlados Memória SO (núcleo) Módulo de E/S Módulo de E/S Programas e dados Módulo de E/S μp μp Armazenamento SO Programas e dados 6
7 Tipos de SO Monoprogramado O µp carrega para a memória principal (MP) e executa apenas um programa de cada vez Multiprogramado Diversos programas são carregados simultaneamente na MP, e o tempo do μp é dividido entre eles 7
8 Características de um SO Interrupções Fornecem ao SO a capacidade de obter o controle do µp quando este está executando programas dos usuários Proteção de memória Programas do usuário não devem alterar a área de memória que contém o SO Temporização Um relógio é usado para evitar que um único programa monopolize o sistema Instruções privilegiadas Algumas instruções só podem ser executadas pelo SO (instruções de E/S, por exemplo) 8
9 Latência das Instruções de E/S Suponha um programa que processa um arquivo de registros e executa, em média, 100 instruções do µp por registro Ler um registro 15 µs Executar 100 instruções 1 µs Escrever um registro 15 µs TOTAL 31 µs Utilização P ,032 3,2 % 9
10 Efeito da Multiprogramação Executar Esperar Executar Esperar Esperar Executar Esperar Executar Esperar Esperar Executar Esperar Executar Esperar Executar Executar Executar Esperar Executar Executar Executar Esperar tempo 10
11 Comparação Monoprogramação x Multiprogramação Memória com capacidade igual a 256 K palavras de memória (não usadas pelo SO) Processo P1 P2 P3 Tipo de tarefa Computação intensiva E/S intensiva E/S intensiva Duração 5 min 15 min 10 min Memória requerida 50 K 100 K 80 K Usa disco? Não Não Sim Usa terminal? Não Sim Não Usa impressora? Não Não Sim 11
12 SO Monoprogramado MONOPROGRAMAÇÃO CPU Memória Disco Terminal Impressora P1 P2 P3 12
13 SO Multiprogramado CPU Memória Disco Terminal Impressora MULTIPROGRAMAÇÃO P1 P2 P3 13
14 Conclusões Monoprogramação Multiprogramação Uso de processador 17 % 33 % Uso de memória 30 % 67 % Uso de disco 33 % 67 % Uso de impressora 33 % 67 % Tempo decorrido 30 min 15 min Taxa de execução de tarefas 6 tarefas/h 12 tarefas/h Tempo de resposta médio 18 min 10 min 14
15 Um SO Multiprogramado é Mais Complexo que SO Monoprogramado Eles requerem que os programas estejam carregados na MP para serem executados (gerência de memória) Quando diversas programas estão prontos para serem executados, o processador deve decidir qual deles deve ser executado (escalonamento) 15
16 Escalonamento Conceito de processo Introduzido nos anos 60 Termo mais genérico que tarefa (job) Pode ser definido de várias maneiras, incluindo Um programa em execução O espírito animado de um programa A entidade à qual um processador é alocado 16
17 Tipos de Escalonamento Escalonamento de longo prazo Escalonamento de médio prazo Escalonamento de curto prazo Escalonamento de E/S 17
18 Escalonamento de Longo Prazo Converte (ou não) uma tarefa em um novo processo, que é colocado na fila do escalonador de médio prazo Fila do escalonador de longo prazo tarefa SO comporta mais um processo? Que tarefas devem ser transformadas em processos? Memória Principal P0 T7 T6 T5 T4 Fila do escalonador de médio prazo T3 Escalonador de Longo Prazo P1 P3 P2 processos 18
19 Escalonamento de Médio Prazo Acrescenta um novo processo ao conjunto de processos a serem executados na MP P2 e P3 movidos para a MP! Memória Principal Fila do escalonador de médio prazo P3 processos P2 Escalonador de Médio Prazo P0 P1 P2 P3 19
20 Escalonamento de Médio Prazo É também responsável pela troca de processos (swapping) entre a MP e o disco P2 removido da MP para a fila, e P4 movido da fila para a MP! Memória Principal Fila do escalonador de médio prazo P2 processos P5 Escalonador de Médio Prazo P0 P1 P4 P3 20
21 Escalonamento de Curto Prazo Também chamado de despachante (dispatcher), decide qual dos processos residentes na MP deve ser executado P1 deve ser executado pelo processador neste instante! Memória Principal P0 Escalonador de Curto Prazo P1 P2 P3 21
22 Estado de um Processo Novo Admitir Ocorrência de evento Pronto Despachar Fim do período de execução Em execução Aguardar evento Liberar Concluído Suspenso 22
23 Bloco de Controle de Processos Quando o escalonador admite um novo processo, ele cria um bloco de controle para esse processo; O bloco de controle possui seus campos em branco, exceto o estado novo; Depois que o SO tiver preenchido adequadamente as informações, o estado muda para pronto. Identificador Estado Prioridade Contador de programa Limites de memória Informações de contexto Informação de estado de E/S Informação de contabilidade... 23
24 Escalonamento de E/S Decide qual processo deve ser atendido por um dado dispositivo de E/S. Fila para o Dispositivo de E/S # 01 Dispositivo de E/S # 01 Servindo a P1! P3 P2 P1 Fila para o Dispositivo de E/S # 02 P6 P5 P4 Escalonador de E/S Dispositivo de E/S # 02 Servindo a P4! 24
25 Técnicas de Escalonamento SO SO SO Tratador de Serviço Escalonador Tratador de Serviço Escalonador Tratador de Serviço Escalonador Tratador de interrupção Tratador de interrupção Tratador de interrupção A Em execução Com o controle A Em espera A Em espera B Pronto B Pronto B Em execução Outras partições Outras partições Outras partições 25
26 Elementos-chave de um SO com multiprogramação SO Chamada ao SO feita Por um processo Rotina de tratamento de chamadas de sistema Interrupção do processo Interrupção de E/S Rotina de tratamento de interrupções Fila de longo prazo Fila de curto prazo Escalonador de curto prazo Filas de E/S Transferência de controle para o processo 26
27 Diagrama de Filas de Escalonamento de Processos Requisição de processo Fila de longo prazo Fila de curto prazo µp FIM E/S Fila de E/S E/S Fila de E/S E/S Fila de E/S 27
28 Gerência da Memória Monoprogramação MP é dividida em 2 partes: uma para o SO e outra para o programa em execução Multiprogramação A parte do usuário é subdividida para acomodar diversos processo A memória precisa ser alocada de modo eficiente para encaixar o máximo de processo possíveis na memória 28
29 Gerência da Memória - Swapping O µp é mais rápido que os dispositivos de E/S É possível ter TODOS os processos aguardando operações de E/S ao mesmo tempo Soluções possíveis 1. Aumentar a quantidade de memória principal Memória ainda é relativamente cara Quantidades maiores de memória têm resultado em processos maiores, e não em mais processos 2. Troca (swapping) de processos na memória 29
30 Gerência da Memória - Swapping 30
31 Gerência da Memória Estabelecimento de Partições Processos são carregados para a MP Lá, eles ocupam partições da MP Suponha (inicialmente) que um processo não possa ocupar mais de uma partição Como se dá essa ocupação? Processos ocupam partições definidas estaticamente (i.e., à priori)? Processos ocupam partições definidas dinamicamente (i.e., assim que eles são caregados)? 31
32 Exemplos de Particionamento Estático SO (8 M) 8 M 8 M 8 M 8 M 8 M 8 M 8 M SO (8 M) 2 M 4 M 6 M 8 M 8 M 12 M 16 M (a) Partições de mesmo tamanho (a) Partições de tamanhos diferentes 32
33 Efeito de Partições Estáticas de Tamanhos Iguais 8 M SO (8 M) 8 M 8 M 8 M Processo 1 Processo 2 Processo 1 Processo 2 8 M 8 M 8 M Desperdício! Não cabe na partição! Processo 3 33
34 Efeito de Partições Estáticas de Tamanhos Diferentes 2 M 4 M 4 M 8 M SO (8 M) Processo 1 Processo 1 Processo 2 Processo 2 8 M Processo 3 Processo 3 12 M Desperdício! 16 M Processo 4 Não cabe na partição! 34
35 Efeito de Partições Dinâmicas SO 128 K SO SO SO Processo K Processo K Processo K 896 K Processo K Processo K 576 K 352 K Processo 3 (a) (b) (c) (d) SO SO SO SO 288 K 64 K Processo K 224 K Processo 1 Processo K 128 K 96 K Processo K 128 K 96 K Processo 2 Processo K 96 K 128 K 96 K Processo K Processo K Processo K Processo K 64 K 64 K 64 K (e) (f) (g) (h) K
36 Sumário sobre Partições Partições estáticas Mais simples Maior desperdício Partições dinâmicas Começam bem Surgimento de buracos na memória Amenizados com o uso da compactação Compactação requer tempo de processamento 36
37 Paginação de Memória Memória é dividida à priori em partes iguais de tamanho fixo denominadas blocos Cada processo também é dividido em pequenos pedaços de tamanho fixo denominados páginas As páginas de um processo são alocadas em blocos disponíveis na memória. Desperdício é reduzido Espaço desperdiçado é apenas uma fração do último bloco alocado ao processo 37
38 Alocação de Blocos Livres Lista de Blocos Livres Processo A Página 0 Página 1 Página 2 Página Livre Livre Livre Em uso Em uso Livre Em uso Livre Lista de Blocos Livres Processo A Página 0 Página 1 Página 2 Página 3 Processo A Tabela de páginas Página 0 de A Página 1 de A Página 2 de A Em uso Em uso Página 3 de A Em uso Livre 21 Livre Livre
39 Tradução de Endereços Memória Principal Número de página Endereço Lógico Deslocamento dentro da página 1 30 Número de bloco Endereço Físico Deslocamento dentro do bloco Página 0 de A Página 1 de A Página 2 de A Em uso Em uso Página 3 de A Em uso Livre Livre 21 Tabela de páginas do Processo A 39
40 Memória Virtual Paginação sob demanda Cada página de um processo é trazida para a memória apenas quando é necessária É possível que um processo seja maior que toda a área da memória principal! Interrupção por Falta de Página Processo desvia para uma instrução localizada em uma página que não está na memória, ou dados referenciados encontram-se em uma página que não está na memória SO deve carregar a página desejada 40
41 Tabelas de Páginas Podem Ser Muito GRANDES! Suponha um processo com endereços lógicos de 32 bits e páginas de 4 KB 1 B Página (2 12 posições) bits 12 bits N o da página Deslocamento 32 bits 4095 Tabela de Páginas (2 20 entradas) Entrada 0 Entrada 1 Entrada 2 Entrada (2 20 1) 41
42 Tabelas de Páginas Podem Ser Muito GRANDES! Se cada entrada ocupar 4 B, a Tabela inteira ocupa 4 MB na MP Imagine agora N processos iguais àquele Se cada processo possui uma Tabela de Páginas, há N Tabelas iguais àquela ocupando espaço na MP! Estratégias usadas para contornar este problema Paginação Multinível Tabela de Páginas Invertida (IPT) 42
43 Paginação Multinível 10 bits Endereço lógico 10 bits 32 bits 12 bits Entrada 0 Entrada 1 N o Pág. #1 N o Pág. #2 Deslocamento Entrada 1023 Entrada 0 Entrada 25 + Entrada 0 Entrada 1 Entrada 1023 Carregada permanentemente na MP (4KB) Entrada 1023 Entrada 0 Entrada 1 Entrada 1023 Endereço físico Carregada temporariamente na MP 43
44 Exemplo de Paginação Multinível N o Pág. # 1 N o Pág. # 2 Deslocamento 0x0 0x1 0x123 Apontador para a Tab. Pág. de 2º nível 0xB x94A1C000 0x0831A000 Bloco 0xAF013 0x18F1B 0x0A921 0x18F1B N o Bloco 0x123 Deslocamento 44
45 Efeitos da Paginação Multinível Menor espaço ocupado na MP Apenas uma Tabela de Páginas é armazenada permanentemente na MP Maior quantidade de acessos à MP Para uma paginação de N níveis, são necessários N+1 acessos à MP para um acesso simples 45
46 IPT (Tabela de Páginas Invertida) Há apenas uma Tabela de Páginas Indexação se dá pelo Número do Bloco Tipos IPT Linear IPT com Função Hash Tabelas de Páginas convencionais são também chamadas de Tabelas de Páginas Diretas 46
47 IPT Linear PID N o Pág. Deslocamento 0 0x1 0x123 Endereço lógico Índice PID N o Pág. 0x0 1 0xA63 0x18F1B 0 0x1 0x18F1C 3 0x31AB N o Bloco Deslocamento 0x18F1B 0x123 Endereço físico 47
48 IPT com Função Hash PID N o Pág. Deslocamento 0 0x1 0x123 Endereço lógico Função Hash Índice Índice PID N o Pág. Próximo 0x18F1C 0x0 1 0xA63 0x18F1B 0xAF013 0x18F1B 0 0x1 0x0 0x18F1C 3 0x31AB 0x0A921 Tabela de Âncoras Hash N o Bloco Deslocamento 0x18F1B 0x123 Endereço físico 48
49 Resumo dos Tipos de IPT IPT Linear Ocupa pouco espaço Busca demorada IPT com Função Hash Ocupa um pouco mais de espaço Busca acelerada (com uso de apontadores) Colisões tratadas com o uso de encadeamento 49
50 TLB (Translation Lookaside Buffer) Um acesso à MP requer, na verdade, dois acessos (no mínimo) 1. Acesso à Tabela de Páginas 2. Acesso efetivo à MP para obtenção dos dados Para solucionar este problema, existe a TLB Trata-se de uma espécie de cache para entradas de Tabelas de Páginas A TLB contém as entradas mais recentemente usadas 50
51 Paginação e a TLB Programa solicita acesso a uma página Início µp checa a TLB N o da página na TLB? Não Sim SO instrui µp a ler a página do disco µp ativa HW de E/S Rotina de manipulação de falha de página Não Acessa a Tabela de Páginas Página está na MP? Sim Atualiza a TLB Página transferida do disco para a MP Memória cheia? Sim Realiza substituição de páginas µp gera endereço físico Não Tabela de páginas atualizada 51
52 Operação da TLB e da Cache Operação da TLB Endereço lógico N o página Desloc. TLB falha 2 acerto 3 4 Endereço físico Operação da TLB + Rótulo (resto) Cache 5 falha 6 6 acerto palavra palavra Tabela de páginas MP 52
53 Conceitos de Segmentação MP não é particionada à priori Espaço de endereçamento lógico do processo é dividido em segmentos de vários tamanhos Exemplos: segmentos de código, dados e pilha Quando um processo é executado, todos os segmentos são carregados para a MP Segmentos são carregados em qualquer posição livre da MP 53
54 Exemplo de Segmentação Memória Principal Segmento 1 Segmento 0 Espaço de Endereçamento Lógico do Processo Segmento 1 Segmento 2 Segmento 3 Segmento 2 Segmento 3 Segmento 0 54
55 Segmentação Tradução de Endereços Número do segmento Endereço relativo dentro do segmento Endereço Lógico 0x x103AD x6364D3C3 Endereço Físico R Limite R Base 0x532A032B 0x6CD93E2 1 Tabela de Segmentos > Não Acesso permitido 55
56 Segmentação Implementando Proteção Número do segmento Endereço relativo dentro do segmento Endereço Lógico 0x x203AD x7364D3C3 Endereço Físico R Limite R Base 0x532A032B 0x6CD93E2 1 Tabela de Segmentos > Sim Falha de Segmentação! 56
57 Combinação Segmentação-Paginação MP é particionada em Quadros Espaço de endereçamento lógico do processo é dividido em segmentos de vários tamanhos Segmentos são paginados Páginas de um segmento são alocadas em Quadros da MP 57
58 Exemplo da Combinação Segmentação-Paginação Memória Principal P0 Segmento 0 Segmento 1 Segmento 2 Segmento 3 P0 P1 P2 P3 P0 P1 P0 P1 P0 P1 P2 P1 P1 P0 P0 P1 P0 P2 P3 P2 P1 58
59 Exemplo da Combinação R Base Segmentação-Paginação Memória Principal Endereço Lógico 1 2 End. Tab.Pág. Tabela de Segmentos Tabela de Páginas Endereço Físico Página 0 de A Página 1 de A Página 2 de A Em uso Em uso Página 3 de A Em uso Número do Segmento Número da Página Endereço relativo dentro da página/bloco Número de bloco Livre Livre
60 Referências STALLINGS, W. Arquitetura e organização de computadores: projeto para o desempenho. 8. ed. Prentice Hall, DELGADO, J.; RIBEIRO, C. Arquitetura de Computadores. 2 ed. LTC, PATTERSON, D. A. ; HENNESSY, J.L. Organização e projeto de computadores a interface hardware software. 3. ed. Editora Campus,
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