Arquitetura de computadores

Prof. Edivaldo Serafim

Curso: Tecnólogo em Análise e Desenvolvimento de Sistemas - 2013

IFSP – Campus Capivari

Suporte ao Sistema Operacional24/04/2013

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SISTEMA OPERACIONALSUPORTE AO SISTEMA OPERACIONAL

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Sistema operacional• Um Sistema Operacional (SO) é um programa que controla a

execução dos programas aplicativos e atua como uma interface entre o usuário e o hardware do computador;

• Um SO tem como características básicas:• Propiciar conveniência:

• Torna um computador mais fácil de ser usado;• Propiciar transparência: um SO deve abstrair o

hardware, livrando o programador de conhecer rotinas mais próximas do hardware.

• Propiciar eficiência: • Permite que os recursos do sistema de computação

sejam usados de uma maneira eficiente; 4

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Sistema operacional• Um SO normalmente oferece os serviços:

• Criação de programas; • Possui uma variedade de recursos e serviços que

permitem auxiliar o programador.• Execução de programas:

• Várias tarefas precisam ser realizadas para que um programa possa ser executado, como operações de memória, I/O, etc.

• Acesso aos dispositivos de E/S: • Cada dispositivo de I/O possui seu próprio conjunto

peculiar de instruções ou sinais de controle para operação, o SO permite uma forma de acessa-los de maneira transparente para o programador;

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Sistema operacional• Acesso controlado aos arquivos:

• Permite acessar de forma segura os arquivos;• Permite organizar o uso das mídias através de sistemas

de arquivos.• Acesso ao sistema:

• Permite controlar o acesso aos recursos compartilhados apenas por usuários permitidos.

• Detecção e respostas a erros:• Tratamento de erros externos (I/O e dispositivos

periféricos), erros de memória ou de execução de programas (overflow).

• Monitoramento:• Permite monitorar parâmetros de desempenho,

analisando recursos de hardware e software ;• Permite a análise de logs do próprio SO ou de softwares

aplicativos.

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SO como um Gerente de Recursos• O SO é quem controla o processamento, o armazenamento e a

transferência de dados;• Para exercer a função de controle, o SO não é um mecanismo

à parte do computador, ou seja, externo ao processador;• Como mecanismo de controle, o SO é incomum em dois

aspectos: • O SO é um programa como outro qualquer, sendo

executado pelo processador;• O SO renuncia ao controle do processador deixando outro

software utilizá-lo para, em seguida, obter o controle novamente;

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SO como um Gerente de Recursos• O SO é carregado na memória (ou parte dele) como outro

programa qualquer;• O Kernel (núcleo) sempre estará carregado na memória

principal;• Outros programas de usuário também estarão carregados na

memória principal;• O uso da memória é gerenciada pelo SO e pelo hardware de

gerência de memória;• O SO gerencia o uso de I/O e de acesso a arquivos;• O próprio processador é gerido pelo SO determinando quanto

tempo de execução será atribuído para um processo;9

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Tipos de SO• Dois aspectos básicos podem diferir os SOs:

• A forma de utilização / interação por parte dos usuários:• SO em Lotes (Batch);• SO interativo.

• A forma de uso do processador:• SO mono tarefa;• SO multi tarefa.

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Tipos de SO• Utilização / Interação:

• Os SOs podem ser interativos ou em lotes:• Interativos: os usuários podem interagir com o

computador enquanto processa suas aplicações;• Em lotes: o usuário entrega para um operador o

programa e os dados e recolhe o resultado no final da tarefa;

• Forma de processamento:• Monoprogramado (mono tarefa):

• O processador carrega para a memória principal (MP) e executa apenas um programa de cada vez;

• Multiprogramado (multi tarefa): • Diversos programas são carregados simultaneamente na

MP, e o tempo do processador é dividido entre eles;

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Os primeiros SOs• No início da computação não existiam SOs;• Os utilizadores de computadores interagiam e programavam

diretamente no hardware;• Dois problemas principais nessa forma de utilização:

• Escalonamento:• Usuários agendavam tempo de processador;• Poderia haver desperdício de tempo de processador ou

falta de tempo para uma tarefa;• Tempo de preparação:

• Geralmente demorava-se muito para preparar o computador para uma tarefa;

• Ocasionava desperdício de tempo de CPU. 13

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Soluções para os primeiros SOs• Para resolver os problemas apontados, várias soluções foram

sendo desenvolvidas:• Sistema simples de processamento em lotes;• Sistema de processamento em lotes com multiprogramação;• Sistema de tempo compartilhado.

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Processamento em lotes em monotarefa• O usuário não tem acesso ao processador;• As tarefas (jobs) são organizadas em lotes (batchs) e

repassadas ao operador do computador;• Existe um programa chamado Monitor que controla o

processamento dos lotes;• Esse Monitor é um “SO” de processamento em lotes;• Possui várias características:

• Proteção de memória;• Temporização;• Instruções privilegiadas e;• Controle de interrupções;

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Processamento em lotes em monotarefa• Proteção de memória:

• Programas do usuário não devem alterar a área de memória que contém o Monitor.

• Temporização: • Um relógio é usado para evitar que um único programa

monopolize o sistema;• Quando atinge o tempo limite, gera-se uma interrupção.

• Instruções privilegiadas: • Algumas instruções só podem ser executadas pelo monitor

como por exemplo instruções de E/S.• Interrupções:

• Fornecem ao SO a capacidade de obter o controle do processador quando este está executando programas dos usuários.

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Processamento em lotes em monotarefa• Mesmo melhorando o uso do computador, o sistema em lotes

ainda não é bom o suficiente;• Como os dispositivos de I/O são muito lentos, a CPU ficava

muito tempo ociosa esperando por uma operação de I/O;• O processador deve efetuar um processamento, esperar por

uma operação de I/O e depois voltar a executar:

• O processamento é sequencial e monotarefa;• Essa latência das operações de I/O pode ser analisado no

seguinte exemplo:

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Latência das Instruções de E/S• Suponha um programa que processa um arquivo de registros e

executa, em média, 100 instruções do processador por registro:

Ler um registro 15 µSExecutar 100 instruções 1 µSEscrever um registro 15 µS

TOTAL 31 µS

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Processamento em lotes multiprogramado• Aumentando a capacidade de memória, podemos abrigar na

memória além do programa Monitor vários programas de usuários;

• Esse processo chama-se multiprogramação e é característica importante dos SOs atuais;

• O processamento dos programas pode ser feito de forma paralela e multitarefa;

• Nota-se o uso de acesso direto a memória bem como o uso de interrupções para que o processador possa ser escalonado entre os vários programas em execução;

• Para isso deve haver suporte no hardware do computador com tratamento de interrupções e gerenciamento de memória;

• Deve haver um algoritmo de escalonamento para determinar qual tarefa deve ser executado primeiro;

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Processamento em lotes multiprogramado

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Diferença de desempenho

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Efeito da multiprogramação na utilização de recursos:

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SO de tempo compartilhado• O processamento em lotes com monoprogramação e

multiprogramação trouxeram melhoria para maximizar o uso do processador;

• Na década de 60, mesmo com os avanços proporcionados por essas duas abordagens, havia necessidade de melhorar o desempenho do computador para o usuário;

• Buscou-se então melhorar o tempo de resposta para o usuário;

• O computador passou a ser utilizado por vários usuários que interagiam com ele através de terminais;

• O tempo de processamento era dividido entre os vários usuários;

• Os usuários enviavam os comandos para o processador através do terminal;

• É um sistema multiprogramado;

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Processos• Introduzido pelos projetistas do MULTICS nos anos 60;• Pode ser conceituado como:

• Um 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.

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Escalonamento e processos• A chave para a multiprogramação é o escalonamento ou

agendador de tarefas (scheduling);• Visa executar os processos de maneira mais eficiente,

priorizando determinados tipos de processos, como os de I/O Bound e os CPU Bound;

• Para que a CPU não fique muito tempo sem executar alguma tarefa, os sistemas operacionais utilizam técnicas de escalonamento de processos que estão em execução ao mesmo tempo no computador;

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Tipos de Escalonamento • Escalonamento de longo prazo;• Escalonamento de médio prazo;• Escalonamento de curto prazo ;• Escalonamento de E/S .

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Escalonamento de Longo Prazo • Este escalonador é o responsável pelo grau de

multiprocessamento, ou seja, a quantidade de processos que o sistema irá trabalhar;

• Deve decidir entre duas prioridades:• Capacidade de haver mais processos na memória;• Decisão de conversão de tarefa para processo:

• Converte (ou não) uma tarefa (programa de usuário) em um novo processo, que é colocado na fila do escalonador de médio prazo;

• Utiliza critérios de prioridades como tempo de execução e uso de I/O.

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Escalonamento de Longo Prazo

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Escalonamento de Médio Prazo • Seleciona entre os processos que estão na memória virtual,

reduzindo o grau de multiprogramação;• Ele temporariamente remove o processo da memória principal

e o coloca na memória secundária (swap) fazendo as operações de swapping in e swapping out:• Swapping in:

• Carrega da memoria virtual para a memória principal.• Swapping out:

• Tira da memória principal e coloca na memória virtual.

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Escalonamento de Médio Prazo • Acrescenta um novo processo ao conjunto de processos a

serem executados na MP:

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Escalonamento de Médio Prazo • É também responsável pela troca de processos (swapping)

entre a MP e o disco:

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Escalonamento de Curto Prazo • Seleciona entre os processos em estado de pronto que estão

na memória principal para serem executados pelo processador;

• O escalonador de curto prazo faz decisões de escalonamento muito mais frequentemente que os de médio e longo prazo.

• Também chamado de despachante (dispatcher), decide qual dos processos residentes na MP deve ser executado:

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Escalonamento de Curto Prazo • Também chamado de despachante (dispatcher), decide qual

dos processos residentes na MP deve ser executado:

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Estados de processos• Para compreender o escalonador de curto prazo, devemos

analisar os estados que um processo pode ter:• Estado de processo define as condições para que o processo

possa ser executado ou não;• Durante sua vida, um processo muda de estado várias vezes,

podendo ter cinco estados diferente:• Novo;• Pronto;• Em execução;• Suspenso;• Concluído.

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Estados de processos• Novo:

• Foi incluído no escalonador de longo prazo, mas ainda não está no escalonador de médio prazo;

• Pronto:• Está pronto para execução aguardando na fila de

escalonamento de curto prazo.• Em execução:

• Está dentro do processador e em execução.• Suspenso:

• Ou bloqueado, está esperando alguma operação, geralmente de I/O

• Concluído:• Está completa a execução e o SO irá destruí-lo (ou finalizá-

lo).

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Estados de processos• Alguns autores (como Tanenbaum) definem apenas três

estados para o processo:

• Pronto:• Está pronto para execução aguardando na fila de

escalonamento de curto prazo.• Em execução:

• Está dentro do processador e em execução.• Suspenso:

• Ou bloqueado, está esperando alguma operação, geralmente de I/O

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Bloco de Controle de Processos • O SO deve manter para cada processo informações sobre seu

estado, bem como outras informações relevantes para sua execução;

• Essas informações são mantidas em um bloco de controle e utilizadas pelo SO para escalonamento;

• 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 no

estado novo; • Depois que o SO tiver preenchido adequadamente as

informações, o estado muda para pronto.

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Bloco de Controle de Processos

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Bloco de Controle de Processos • O BCP contém geralmente as seguintes informações sobre o

processo:• Identificador:

• Cada processo tem um ID único indicado nesse campo;• Estado:

• Indica o estado atual do processo;• Prioridade:

• Nível de prioridade do processo que será utilizado pelo escalonador;

• Contador de programa (PC):• Valor da próxima instrução do processo

• Limites de memória:• Endereço Inicial e Final da memória principal utilizada

por esse processo;

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Bloco de Controle de Processos • Continuação:

• Informações de contexto:• Dados contidos nos registradores para serem

novamente processados na troca de contexto.• Informação de estado de I/O:

• Contém requisições de I/O pendentes que estão sendo processadas pelo módulo de I/O.

• Informações de contabilidade:• Inclui tempo de CPU gasto, limites de tempo de

execução entre outras.

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