Arquitetura de Sistemas Operacionais Francis Berenger Machado / Luiz Paulo Maia (Material Adaptado)

Transcrição

1 Arquitetura de Sistemas Operacionais Francis Berenger Machado / Luiz Paulo Maia (Material Adaptado) Capítulo 3 Concorrência

2 Agenda Introdução Interrupções e exceções Operações de Entrada/Saída Buffering Spooling Reentrância 3/1

3 Introdução Sistemas operacionais podem ser vistos como um conjunto de rotinas executadas de forma concorrente e ordenada. O conceito de concorrência é o princípio básico para o projeto e a implementação dos sistemas multiprogramáveis. 3/2

4 Sist. Monoprogramável x Sist. Multiprogramável E/ S E/ S 1 UCP livre UCP (a) Sistema Monoprogramável tempo (b) Sistema Multiprogramável tempo Monoprogramável: Processador dedicado a uma única tarefa. Tempo de espera é relativamente longo. Desperdício de capacidade do processador. 3/3

5 Sist. Monoprogramável x Sist. Multiprogramável Exemplo de utilização de um sistema monoprogramável (Stallings, 1997): Leitura de um registro Execução de 100 instruções Total % utilização da CPU (0,0001 / 0,0015) = 0,066 = 6,6% 0,0015 s 0,0001 s ,0016 s 3/4

6 Sist. Monoprogramável x Sist. Multiprogramável Multiprogramável: Quando um programa perde o uso do processador e depois retorna para continuar o processamento, seu estado deve idêntico ao do momento em que foi interrompido; Deve continuar a execução na instrução seguinte; Dá a impressão de que o computador está inteiramente dedicado ao usuário. 3/5

7 Interrupção e Exceção Desvio forçado do fluxo de execução de um programa; Podem ser consequência da sinalização de algum dispositivo externo ao processador; ou da execução de instruções do próprio programa; Distinguem-se pelo tipo de evento ocorrido; Mas, alguns autores consideram sinônimos. 3/6

8 Interrupção É sempre gerada por algum evento externo ao programa (evento assíncrono); Exemplo: Dispositivo avisa ao processador que alguma operação de E/S está completa; Ao final da execução de cada instrução, a unidade de controle verifica a ocorrência de algum tipo de interrupção. 3/7

9 Interrupção 3/8

10 Mecanismo de Interrupção Via hardware 1. Um sinal de interrupção é gerado para o processador; 2. Após o término da execução da instrução corrente, o processador identifica o pedido de interrupção; 3. Os conteúdos dos registradores PC e de status são salvos; Via software 4. O processador identifica qual a rotina de tratamento que será executada e carrega o PC com o endereço inicial desta rotina; 5. A rotina de tratamento salva o conteúdo dos demais registradores do processador na pilha de controle do programa; 6. A rotina de tratamento é executada; 7. Após o término da execução da rotina de tratamento, os registradores de uso geral são restaurados, além do registrador de status e o PC, retornando à execução do programa interrompido. 3/9

11 Métodos de Tratamento de Interrupção Vetor de interrupção contém o endereço inicial de todas rotinas de tratamento. Registrador de Status armazena o tipo do evento ocorrido; este método considera a existência de uma única rotina de tratamento que a trata a interrupção de maneira adequada. 3/10

12 Interrupção Mascarável Por serem imprevisíveis, as interrupções podem acontecer a qualquer momento; Podendo ocorrer interrupções simultâneas; Para evitar este problema, a rotina de tratamento inibe as demais interrupções; Interrupções com esta característica são chamadas de Interrupções Mascaráveis. 3/11

13 Controlador de Pedido de Interrupção Alguns processadores não permitem inibição de interrupção; Trata-se de um mecanismo responsável por avaliar as interrupções geradas e suas prioridades de atendimento. Exemplo: Controlador de Disco e Adaptador de Rede. 3/12

14 Processamento sequencial de interrupções: 3/13

15 Processamento aninhado de interrupções: 3/14

16 Processamento aninhado de interrupções: Exemplo 3/15

17 Exceção Semelhante a uma interrupção; Distingue-se pelo tipo de evento gerador; Resultado direto da execução de instrução do próprio programa; Exemplo: Divisão de um número por zero ou overflow de uma operação aritmética; 3/16

18 Exceção Se um programa for reexecutado com a mesma entrada de dados, a exceção ocorrerá sempre na mesma instrução; Mecanismo de tratamento pode ser escrito pelo próprio programador. 3/17

19 Exceção Exemplo de mecanismo de tratamento escrito pelo programador. 3/17

20 Operações de Entrada/Saída (E/S) Primeiros sistemas usavam instruções de E/S executadas pelo próprio processador; Continham detalhes específicos de cada periférico; Modelo criava forte dependência entre UCP e dispositivos de E/S; Controlador de interface: permite à UCP agir de maneira independente dos dispositivos de E/S. simplificou as instruções de E/S => sem detalhes de harware. 3/18

21 Controlador de Interface UCP Memória Principal Controlador Dispositivos de E/ S 3/19

22 Controlador Gerenciamento de operações E/S E/S controlada por programa (monoprogramação): UCP sincroniza-se com o periférico para o início da transferência de dados; sistema fica permanentemente ocupado testando o estado do periférico; mantém a UCP ocupada até o término da operação de E/S (busy wait) desperdiça tempo da UCP. 3/20

23 Controlador Gerenciamento de operações E/S Polling: após o início da transferência de dados, a UCP permanece livre; em determinados intervalos de tempo o SO testa cada dispositivo para saber do término da operação de E/S; introdução de certo grau de paralelismo; permitiu o surgimento dos primeiros sistemas multiprogramáveis; Problema: em casos com grande número de periféricos o processamento é interrompido frequentemente. 3/21

24 Controlador Gerenciamento de operações E/S E/S controlada por interrupção: o controlador interrompe a UCP para avisar sobre o término da operação de E/S; Exemplo: 1. UCP sinaliza com pedido de leitura; 2. controlador fica encarregado de ler os blocos de um disco e armazená-los em memória ou registradores próprios; 3. controlador sinaliza com interrupção; 4. quando a UCP atende, a rotina de tratamento transfere dados para a memória principal. 5. UCP volta para execução do programa e controlador fica disponível. 3/22

25 Controlador Gerenciamento de operações E/S DMA (Direct Access Memory): a técnica anterior é pouco eficiente nos casos de transferência de grandes volumes de dados, pois exige muitas intervenções da UCP; Essencialmente, DMA permite que um bloco de dados seja transferido entre a memória principal e o dispositivo de E/S sem intervenção da UCP, exceto no início e final da transferência. UCP informa localização do bloco de dados, dispositivo de E/S, posição inicial na memória e tamanho do bloco; Buffer de entrada e saída: área de memória usada pelo controlador na técnica de DMA. 3/23

26 Canal de E/S É um tipo de processador com capacidade de executar programas de E/S; instruções de E/S são armazenadas na memória principal pela UCP; o canal de E/S é responsável por sua execução; pode controlar múltiplos dispositivos através de diversos controladores; o canal atua como um elo entre a UCP e o controlador; a evolução da técnica do canal de E/S permitiu o uso de memória própria, eliminando a necessidade da memória principal (processador de entrada e saída). 3/24

27 Canal de E/S UCP Memória Principal Canal de E/ S Controlador Controlador Dispositivos de E/ S Dispositivos de E/ S 3/25

28 Buffering Consiste na utilização de uma área na memória principal, denominada buffer, para a transferência de dados entre dispositivos de E/S e a memória; Minimiza o problema da disparidade da velocidade de processamento entre a UCP e o dispositivo de E/S; Principal objetivo: manter UCP e dispositivos de E/S ocupados na maior parte do tempo; Unidade de transferência: registro. 3/26

29 Buffering Enquanto o processador manipula o dado localizado no buffer, o dispositivo realiza outra operação de leitura no mesmo instante. Memória Principal UCP gravação Buffer gravação Controlador leitura leitura 3/27

30 Spooling Técnica introduzida nos anos 50; 3/28

31 Spooling Processamento sequencial dos jobs; Com o surgimento dos discos, o spooling ficou mais eficiente, permitindo o processamento não sequencial; Semelhante à técnica de Buffering, utiliza uma área de disco como se fosse um grande buffer; Muito utilizado no gerenciamento de impressão; 3/29

32 Spooling Sistema Operacional Programa Arquivo de Spool Impressora 3/30

33 Reentrância É a capacidade de um código executável (código reentrante) ser compartilhado por diversos usuários; Permite que cada usuário possa estar em um ponto diferente do código reentrante; Exemplos: editores de texto, compiladores e linkers; Vantagem: uso mais eficiente da memória. 3/31

34 Reentrância usuário A usuário C usuário B código reentrante área de dados do usuário A usuário D área de dados do usuário B área de dados do usuário C área de dados do usuário D Memória Principal 3/32

35 Até a próxima aula!!! kleber.rezende@ifsuldeminas.edu.br