Sistemas Operacionais I Gerações dos computadores: Evolução e Eficiência Sistemas Operacionais I Dionisio Gava Junior Reynaldo G. de Oliveira Reynaldg@brfree.com.br
Tópicos Histórico e Eficiência. Primeira Geração. Segunda Geração. Terceira Geração. Conceitos Multiprogramação Canais Relocabilidade Estados do Processador Instruções Privilegiadas Interrupção Conceito Tipos de Interrupção Tendências do Sistema Operacional
Primeira geração Primeira geração de computadores (1940-1950) A tecnologia empregada nos computadores de Primeira Geração era basicamente a válvula. A velocidade podia ser medida em termos de milissegundo. Somente pessoas especializadas utilizavam o computador, através da linguagem de máquina e em seguida o Assembler. Os elementos de entrada e saída eram basicamente: leitora de cartões, perfuradora de cartões e impressora, todos com baixa velocidade de operação e transferência de dados. Um dos aspectos principais nos computadores de Primeira Geração consistia em que a execução de um serviço era um processo demorado.
Primeira geração
Primeira geração ENIAC Considerado o primeiro computador eletrônico 18.000 valvulas Posições de memória = 4K = 4096 bytes Pesava 30 toneladas Ocupava perto de 120 metros quadrados Construído para uso militar Calculo de Balística
Primeira geração Características Programação Inicialmente a programação era feita externamente, através de painéis com chaves (jumpers) Posteriormente os programas passaram a ser carregados na memória. O processo consistia em pesquisar um armário onde estava guardado o programa, retirá-lo e colocá-lo na leitora de cartões. Da mesma forma que os dados, os programas eram codificados em cartões perfurados, e carregados na memória. A programação passou a ser feita em linguagem de maquina
Primeira geração Características Operação Equipamentos de entrada e saída eram a leitora de cartões (entrada), a perfuradora de cartões (saída) e impressora. Grande quantidade de operações manuais nas tarefas: preparacão e carga dos programas, preparação e carga dos dados, intervenções manuais e de retomadas do processamento. O programador normalmente era o operador do computador. Todo o sistema ficava dedicado por um certo tempo para a execução do serviço. Em caso de erro, o programador parava a máquina, fazia correções por meio de chaves no painel e continuava o processamento.
Primeira geração Características Eficiência A execução de um serviço era um processo demorado, não pela velocidade da máquina, mas sim pela quantidade de processos manuais envolvidos no processamento. E = t CPU t Total Relação entre o tempo de processador e tempo total de processamento TS = S1+S2+...Sn Numero de serviços executados por unidade de tempo
Primeira geração Eficiência do sistema E = t CPU t Total Relação do tempo de processador e tempo total do processamento CPU CPU CPU CPU CPU CPU E/S E/S E/S E/S E/S E/S Tempo de Execução do serviço E = 0,07 O processador permanecia ativo somente 7% do tempo
Eficiência do sistema TS = S1+S2+...Sn Numero de serviços executados por unidade de tempo A produtividade na primeira Geração era de 3 serviços / hora, ou seja, cada serviço demorava cerca de 20 minutos.
Primeira geração Eficiência da Primeira Geração - Resumo Como já observado, na primeira Geracão, a UCP do computador permanecia a maior parte do tempo inativa, em decorrência das várias intervenções manuais durante o processamento, bem como pela lentidão em que operavam os periféricos. Nestes sistemas a utilização de tempo de processador era em torno de 7% e a produtividade variava em torno de 3 serviços com tempo médio de execução de 2 minutos. E = t CPU t Total TS = s1+s2+...sn 7% 3 serviços por hora Baixa velocidade da E/S Intervenções manuais Como melhorar a eficiencia?
Segunda geração
Segunda geração Segunda geração de computadores Tecnologia : Transistores Processamento em Lote Periféricos: Fita Magnética, Disco Magnético Velocidade poderia ser medida em termos de Micro Segundo
Segunda geração Programa Monitor A Segunda Geração é caracterizada pelo aparecimento dos programas monitores que faziam a transição automática entre serviços. Estes eram apresentados em forma de "lote" (batch) e executados sequencialmente sem interrupção. Ao terminar um serviço o Monitor preparava o sistema automaticamente para o próximo. Monitor Programa
Primeira x Segunda geração de computadores Processador mais veloz ( valvulados x transistorizados ) Compare a eficiência E para uma carga de programas que utilize um computador de segunda geração, considerando: 1. A utilização dos periféricos da primeira geração ( mesmo E/S ) 2. Utilizando-se periféricos mais rápidos ( E/S bem mais rápida )
Primeira e Segunda gerações Eficiência do sistema E = t CPU t Total Primeira Geração 7% Segunda Geração 45% TS = s1+s2+...sn 3 serviços por hora 25 serviços por hora Baixa produtividade Desequilíbrio entre CPU e E/S Como melhorar a eficiência?
Terceira geração Terceira geração de computadores Tecnologia : Circuitos integrados Velocidade expressa e medida em nanossegundos ( ns ) Evolução das linguagens Multiprogramação Surgimento dos Sistemas Operacionais
Terceira geração Multiprogramação Vários processos em execução concorrem pelos recursos Melhor aproveitamento dos recursos A arquitetura funcional das maquinas de terceira geração passa por uma ruptura. Sistema Operacional A B C D E Memória
Terceira geração Multiprogramação Vários programas na memória executando, e compartilhando os recursos Enquanto um programa executa, um ou mais programas estarão realizando E/S, ou esperando pela CPU O paralelismo de operações entre CPU e E/S proporcionam aumento da eficiência do sistema CPU Esperando pela CPU Sistema Operacional A B C D E I/O I/O Memória
Terceira geração Conceitos da Terceira Geração Processadores de E/S (Canais) Processamento em dois estados. Instruções Privilegiadas Relocabilidade Interrupção
Terceira geração Canais - Processadores de E/S São pequenos processadores que executam as operações de entrada e saída sem a intervenção do processador central. Desta forma, durante uma entrada e saída, o processador central fica livre para executar outro processo. Como os sistemas podem ter vários canais, poderá ocorrer várias operações de entrada e saída simultaneamente. A operação no canal é iniciada pelo processador central no momento em que uma instrução de solicitação de operação de e/s é feita por um processo. Ao final da operação o periférico/canal informarão a CPU o término da operação. tempo
Terceira geração Canais - Processadores de E/S O processador central e o processador de e/s podem operar de forma independente. Havendo independência entre as operações existirá um ganho significativo de eficiência cpu A cpu B Paralelismo de operações cpu C cpu D e/s de A e/s de B e/s de C tempo
Terceira geração Processamento em dois estados PSW XX Mascara do sistema: Supervisor É possivel a execução de instruções privilegiadas Programa Não é permitido a execução de instruções privilegiadas
Terceira geração Instruções Privilegiadas São instruções especiais as quais só poderão ser executadas quando o processador estiver em estado de Supervisor. Normalmente somente o sistema operacional deve executar instruções privilegiadas, não colocando em risco a integridade do sistema. Como exemplo de instruções privilegiadas temos: Iniciar E/S (SIO) Alterar a PSW (LPSW) Iniciar a abertura de arquivo (OPEN) O programa quando necessita funções especiais solicita ao sistema operacional através de pedidos.
Terceira geração Processamento em dois estados Instruções Privilegiadas SO SO SO CPU A B...... PSW Sup PSW P PSW Sup PSW P PSW Sup tempo Quando o controle é passado para um programa o estado da maquina é alterado.
Terceira geração Relocabilidade A B C A 0 100 200 400 Move A to B C B A Relocáveis 0 200 400 300
Terceira geração Interrupção Conceito É um sinal assíncrono enviado a UCP Interrompe o fluxo de execução de instruções Faz com que o estado de máquina seja salvo O controle do sistema seja passado para o sistema operacional Cada interrupção exigi uma atividade específica do sistema operacional que consiste em tratar o evento, identificar e alterar estados dos processos em execução, de recursos, ou ainda, acionando rotinas de recuperação de erros. Após tratar a interrupção e atender ao serviço para qual foi solicitado, o sistema operacional deverá passar o controle para o processo que estiver pronto para executar
Terceira geração Interrupção A Ler Interrupção Sistema Operacional 4. Faz o tratamento da Interrupção 5. Atende o serviço solicitado 6. Passa o controle para o processo pronto e de maior prioridade B 1. A execução de instruções na CPU é interrompida 2. O estado da CPU é salvo 3. O controle da CPU vai para o SO
Terceira geração Tipos de interrupção Chamada do supervisor: Quando o programa através de uma instrução solicita um serviço especial do sistema operacional. Fim I/O Quando termina uma operação de I/O e o canal avisa o sistema operacional, ou um comando inválido de E/S. Relógio Quando um intervalo de tempo regular expirado. Erro de Software Um erro de programa. Exemplo: divisão por zero, instrução inválida, violação de proteção de memória. Erro de Hardware Um erro em componentes do hardware. Exemplo: erro de memória.
Tendências e perspectivas dos Sistemas Operacionais
Tendências e perspectivas do Sistema operacional 1) Eficiência O sistema operacional é sobretudo um prestador de serviços, e deve minimizar o tempo gasto na execução dos serviços a ele solicitados (overhead). Deve buscar a máxima eficiência no gerenciamento dos recursos No uso dos recursos, deverá resolver eventuais conflitos existentes entre as aplicações. Deve balancear o uso dos recursos entre aplicações em execução.
Tendências e perspectivas do Sistema operacional 2) Robustez Deve ser confiável e previsível em suas operações Tolerante à falhas do hardware, das aplicações e as suas próprias falhas. Em caso de falha, qualquer que seja a natureza desta falha, deverá isolá-la, registrála, e propiciar o menor impacto possível no sistema.
Tendências e perspectivas do Sistema operacional 3) Escalabilidade Deverá ser capaz de utilizar recursos de acordo com a demanda. Quando a demanda por recursos aumentar, deverá tomar as providências necessárias para o pronto atendimento, e caso haja redução da demanda, deverá liberar os recursos não mais necessários. Deverá ter a capacidade de se adaptar aos incrementos de tamanho dos dispositivos de hardware, incluindo processadores, memória, dispositivos de e/s, dispositivos de comunicação, garantindo desta forma a escalabilidade.
Tendências e perspectivas do Sistema operacional 4) Extensibilidade Deve adaptar-se as novas tecnologias emergentes, fornecendo as capacidades necessárias que forem surgindo e que não foram projetadas originalmente. Deve permitir a execução sem impacto das aplicações existentes, protegendo os investimentos e esforços anteriormente realizados.
Tendências e perspectivas do Sistema operacional 5) Portabilidade Deve ser projetado para funcionar nas diversas configurações de hardware utilizada no mercado. Deve permitir portabilidade das aplicações entre as configurações existentes. Isto permitirá adequar os custos de projeto e de manutenção às diversas aplicações existentes. Esta premissa aplica-se aos ambientes de desenvolvimento normalmente feito em configurações menores é de baixo custo..
Tendências e perspectivas do Sistema operacional 6) Segurança Deve conter os mecanismos de proteção e segurança de acesso as informações, aos serviços ou aos dispositivos do hardware, Deve disponibilizar recursos para implementação das políticas de segurança das organizações.
Tendências e perspectivas do Sistema operacional 7) Usabilidade Deve permitir usabilidade aos usuários na execução de suas tarefas. Deve prover simplicidade nas interfaces, facilitando a sua utilização.
Terceira geração Exercícios de Multiprogramação SO SO SO CPU A A PES e/s de A e/s de A Tempo