Conceito de Hardware e Software 1
Arquitetura de Sistemas
Operacionais
Paulo Fonseca
Conceitos de Hardware e Software
Conceito de Hardware e Software 2
Sumário
• Hardware
– Processador, memória principal, cache e
memória secundária
– Dispos...
Conceito de Hardware e Software 3
Arquitetura do Sistema
Sistemas
de
Banco
Navegadores
Web
Reserva
de
Passagens
Compilador...
Conceito de Hardware e Software 4
Processador / UCP
Registradores
Unidade Lógica
e Aritmética
(ULA)
Unidade de
Processamen...
Conceito de Hardware e Software 5
Processador
• Unidade Central de Processamento
(UCP)
• Unicade de Controle (UC)
• Unidad...
Conceito de Hardware e Software 6
Memória Principal
Memória principal - ou primária, ou real, é o local onde são
armazenad...
Conceito de Hardware e Software 7
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célula
Memória Principal
A memória principal, primária ou secundária é o loc...
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Memória Principal
A especificação do endereço é feito através do registrador de endereço...
Conceito de Hardware e Software 9
Memória Cache
Memória cache – é uma memória volátil de alta velocidade, porém
com pequen...
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Memória secundária
Memória secundária – é um meio permanente, isto é, não-
volátil de a...
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Memória
Fita Magnética e Disco Ótico
Fita Magnética/Disco Ótico
Disco Rígido
RAM
Cache
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Memória
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Dispositivos de E/S
• Memória secundária
• Discos
• Fitas magnéticas
• Interface usuári...
Conceito de Hardware e Software 18
Barramentos
Um barramento de sistema consiste, tipicamente, de 50 a 100
linhas separada...
Conceito de Hardware e Software 19
Alguns tipos de barramentos
• CPU-Memória
– geralmente específicos
– curtos
– alta velo...
Conceito de Hardware e Software 20
Barramentos
• aspectos de importância
• baixo custo
• flexibilidade
• gargalos
Conceito de Hardware e Software 21
Barramentos - exemplos
Barramento
Capacidade de transferência Velocidade de transferênc...
Conceito de Hardware e Software 22
Diversos tipos de barramentos
– Cache
– Local
– Memória
– ISA (Industry Standard Archit...
Conceito de Hardware e Software 23
Barramento
– SCSI (Small Computer System Interface);
• Alta performance – servidores;
•...
Conceito de Hardware e Software 24
Pipeline é Natural!
Exemplo da Lavanderia:
A B C D
Ana, Bernardo, Cátia e Davi
têm cada...
Conceito de Hardware e Software 25
Lavanderia Seqüencial
Lavanderia seqüencial: 6 horas para 4 cargas
Se aprendessem pipel...
Conceito de Hardware e Software 26
Lavanderia Seqüencial
Lavanderia seqüencial: 6 horas para 4 cargas
Se aprendessem pipel...
Conceito de Hardware e Software 27
Definições para Pipelines
• Pipeline = em inglês, tubo, oleoduto
instruções entram numa...
Conceito de Hardware e Software 28
Pipelining
Pipelining é uma técnica que permite ao processador
executar múltiplas instr...
Conceito de Hardware e Software 29
Arq. Pipeling em 4 estágios
tempo
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Unidade de
Busca da
instrução
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Conceito de Hardware e Software 30
Linguagem de máquina
A linguagem de máquina de um computador é a linguagem de
programaç...
Conceito de Hardware e Software 31
Arquitetura RISC
Um processador com arquitetura RISC ( Reduced Instruction
Set Computer...
Conceito de Hardware e Software 32
Arquitetura RISCxCISC
Arquitetura RISC Arquitetura CISC
Poucas Instruções Muitas Instru...
Conceito de Hardware e Software 33
Máquinas de Níveis?
Linguagem de máquina
Linguagem de máquina
Microprogramação
Circuito...
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Software
Para que o hardware tenha utilidade pública, deve
existir um conjunto de progr...
Conceito de Hardware e Software 35
Tradutor
Tradutor: montador e compilador
programa fonte programa objetoTradutor
Compila...
Conceito de Hardware e Software 36
Interpretador
 Tradutor que não gera módulo-
objeto
 Traduz cada comando e executa
 ...
Conceito de Hardware e Software 37
Linker
Linker
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Loader
• Carregar na memória principal um
programa para ser executado
• Loader absoluto...
Conceito de Hardware e Software 39
Depurador
• Permite acompanhar a execução de
um programa e detectar erros
• Visualizaçã...
Conceito de Hardware e Software 40
Interpretador de comandos ou
SHELL
• Interpretador de comandos ou shell
permite ao usuá...
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Ativação/Desativação do SO
• Ativação do sistema - inicialmente, todo o código do
SO re...
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• Ativação do sistema
Disco Memória
Principal
boot
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Apostila 2 conceitos de hardware e software

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Apostila 2 conceitos de hardware e software

  1. 1. Conceito de Hardware e Software 1 Arquitetura de Sistemas Operacionais Paulo Fonseca Conceitos de Hardware e Software
  2. 2. Conceito de Hardware e Software 2 Sumário • Hardware – Processador, memória principal, cache e memória secundária – Dispositivos de E/S e barramento – Pipelining e arquiteturas RISC e CISC – Análise de desempenho • Software – Tradutor, interpretador e linker – Loader e depurador – Interpretador de comandos e linguagem de controle – Ativação/desativação do sistema
  3. 3. Conceito de Hardware e Software 3 Arquitetura do Sistema Sistemas de Banco Navegadores Web Reserva de Passagens Compiladores Interpretadores de Comando Editores SISTEMA OPERACIONAL Dispositivos Físicos Micro Arquitetura Linguagem de Máquina HARDWARE APLICATIVOS PROGRAMAS DO SISTEMA
  4. 4. Conceito de Hardware e Software 4 Processador / UCP Registradores Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Unidade de Processamento Memória Principal Dispositivos de E/S
  5. 5. Conceito de Hardware e Software 5 Processador • Unidade Central de Processamento (UCP) • Unicade de Controle (UC) • Unidade Lógica e Aritmética (ULA) • Clock • Registradores • CI ou PC • AP ou SP • PSW (registrador de status)
  6. 6. Conceito de Hardware e Software 6 Memória Principal Memória principal - ou primária, ou real, é o local onde são armazenados instruções e dados. A memória é composta por unidades de acesso chamadas células que, por sua vez, são compostas de um conjunto de bits. Atualmente, usa-se o byte (com oito bits) como tamanho da célula porém, anteriormente, já foram utilizados tamanhos de 16, 32 e até 60 bits. O acesso ao conteúdo de uma célula é realizado através da especificação de um número chamado endereço. O endereço é uma referência única que se pode fazer a uma célula de memória. Para se acessar uma célula deve-se primeiro especificar qual deverá ser o endereço desejado para depois realizar a operação respectiva (leitura ou escrita).
  7. 7. Conceito de Hardware e Software 7 1 0 2 2n -1 célula Memória Principal A memória principal, primária ou secundária é o local onde são armazenados instruções e dados. A memória é composta por unidades de acesso chamadas células, sendo que cada célula é composta por um determinado número de bits. 1 2 3 4 5 6 7 8 bits A quantidade de bits determina o tamanho da palavra (ex. 8 bits, 16 bits, 32 bits e até mesmo 60 bits) Endereços O acesso ao conteúdo de uma célula é realizado através da especificação de um número chamado endereço.
  8. 8. Conceito de Hardware e Software 8 Memória Principal A especificação do endereço é feito através do registrador de endereço de memória (memory address register - MAR). Pelo conteúdo deste registrador, a UC sabe qual a célula de memória a ser acessada. Outro registrador usado em operações com memória é o registrador de dados da memória (memory buffer register - MBR), usado para guardar o conteúdo de uma ou mais células de memória. O número de células endereçadas na memória principal é limitado pelo tamanho do MAR. Se o MAR possuir n bits, só se poderá endereçar, no máximo, 2n células. A memória pode ser classificada em função de sua volatilidade, que é a capacidade da memória preservar o seu conteúdo mesmo sem uma fonte de alimentação ativa.
  9. 9. Conceito de Hardware e Software 9 Memória Cache Memória cache – é uma memória volátil de alta velocidade, porém com pequena capacidade de armazenamento. O tempo de acesso a um dado nela contido é muito menor que se estivesse na memória principal. A memória cache armazena uma pequena parte do conteúdo da memória principal. Toda vez que o processador faz referência a um dado armazenado na memória, é verificado, primeiramente, se ele se encontra na memória cache. Caso positivo (cache hit) não há necessidade de acesso à memória principal, diminuindo assim o tempo de acesso. Se o dado não está na cache, o acesso à memória principal é obrigatório (cache miss). Neste caso, o processador, a partir do endereço especificado transfere um bloco de dados da memória principal para a cache.
  10. 10. Conceito de Hardware e Software 10 Memória secundária Memória secundária – é um meio permanente, isto é, não- volátil de armazenamento de programas e dados. O acesso à memória secundária é lento, se comparado com o acesso à memória principal, porém seu custo é baixo e sua capacidade de armazenamento é bem superior. Enquanto a unidade de acesso à memória secundária é da ordem de milissegundos, o acesso à memória principal é de nanossegundos. Na figura seguinte, ilustra-se a relação entre os diversos tipos de memória apresentados, comparando custo, velocidade e capacidade de armazenamento.
  11. 11. Conceito de Hardware e Software 11 Memória Fita Magnética e Disco Ótico Fita Magnética/Disco Ótico Disco Rígido RAM Cache Registradores Rápidos: 1nseg. Componentes internos à CPU Capacidade: < 1Kb Controlados por software
  12. 12. Conceito de Hardware e Software 12 Memória Fita Magnética e Disco Ótico Fita Magnética/Disco Ótico Disco Rígido RAM Cache Registradores Rápida: 2nseg Capacidade: <8Mb Controlada por hardware
  13. 13. Conceito de Hardware e Software 13 Memória Fita Magnética e Disco Ótico Fita Magnética/Disco Ótico Disco Rígido RAM Cache Registradores Random Access Memory Rápida: 10nseg Capacidade: 512MB-8GB Volátil
  14. 14. Conceito de Hardware e Software 14 Memória Fita Magnética e Disco Ótico Fita Magnética/Disco Ótico Disco Rígido RAM Cache Registradores Mais lento: 10mseg Capacidade: 320GB – 1TB Velocidades: 5400, 7200 ou 10800 rpm
  15. 15. Conceito de Hardware e Software 15 Memória Fita Magnética e Disco Ótico Fita Magnética/Disco Ótico Disco Rígido RAM Cache Registradores Backup Capacidade: 20-100Gb (fita); 750Mb (disco ótico)
  16. 16. Conceito de Hardware e Software 16 Memória Fita Magnética e Disco Ótico Fita Magnética/Disco Ótico Disco Rígido RAM Cache Registradores Velocidade de Acesso Capacidade de armazenamento
  17. 17. Conceito de Hardware e Software 17 Dispositivos de E/S • Memória secundária • Discos • Fitas magnéticas • Interface usuário-máquina • Teclados • Monitores • Impressoras • Plotters
  18. 18. Conceito de Hardware e Software 18 Barramentos Um barramento de sistema consiste, tipicamente, de 50 a 100 linhas separadas. A cada linha é atribuído um significado ou função particular. Embora haja muitos tipos de barramentos, em qualquer barramento as linhas podem ser classificadas em três grupos funcionais (:): dados, Dados Endereços Controle
  19. 19. Conceito de Hardware e Software 19 Alguns tipos de barramentos • CPU-Memória – geralmente específicos – curtos – alta velocidade • Barramentos de I/O – longo – muitos dispositivos – não tem interface direta com a memória – pode ser padronizado • Backplane – objetivo: barramento padrão para permitir a interconexão de vários tipos de dispositivos – pode ser padronizado
  20. 20. Conceito de Hardware e Software 20 Barramentos • aspectos de importância • baixo custo • flexibilidade • gargalos
  21. 21. Conceito de Hardware e Software 21 Barramentos - exemplos Barramento Capacidade de transferência Velocidade de transferência Taxa de transferência ISA XT 8 bits 8 MHz 8 MB/s ISAAT 16 bits 8 MHz 8 MB/s* VLB 32 bits Clock externo da CPU (Local Bus) 4 x Clock externo PCI 64 bits 33 MHz 132 MB/s
  22. 22. Conceito de Hardware e Software 22 Diversos tipos de barramentos – Cache – Local – Memória – ISA (Industry Standard Architecture) • Velocidade de 8,33Mhz; • Taxa de Transferência de 2bytes (16 bits) por ciclo – 16,67Mb/seg – PCI (Peripheral Component Interconnect) • Sucessor do ISA; • Intel; • Velocidade de 66Mhz; • Taxa de Transferência de 8bytes (64 bits) por ciclo – 528Mb/seg;
  23. 23. Conceito de Hardware e Software 23 Barramento – SCSI (Small Computer System Interface); • Alta performance – servidores; • Taxa de Transferência de 160Mb/seg; • Comum em máquinas Macintosh; – IDE (Integrated Drive Eletronics); • Usado para discos e CDROMs; – USB (Universal Serial Bus); • Taxa de Transferência de 1,5Mb/seg; – AGP (Accelerated Graphics Port); • Alta taxa de transferência; • 3-D; – VESA (Video Electronics Standards Association) • usado para vídeo;
  24. 24. Conceito de Hardware e Software 24 Pipeline é Natural! Exemplo da Lavanderia: A B C D Ana, Bernardo, Cátia e Davi têm cada um uma trouxa de roupas para lavar, secar e dobrar; Lavagem leva 30 minutos; Secagem leva 40 minutos; Dobragem leva 20 minutos.
  25. 25. Conceito de Hardware e Software 25 Lavanderia Seqüencial Lavanderia seqüencial: 6 horas para 4 cargas Se aprendessem pipeline, quanto tempo levaria? O r d e m d a s t a r e f a s A B C D 30 40 20 30 40 20 30 40 20 30 40 20 18 19 20 21 22 23 Meia noite Tempo
  26. 26. Conceito de Hardware e Software 26 Lavanderia Seqüencial Lavanderia seqüencial: 6 horas para 4 cargas Se aprendessem pipeline, quanto tempo levaria? O r d e m d a s t a r e f a s A B C D 30 40 20 30 40 20 30 40 20 30 40 20 18 19 20 21 22 23 Meia noite Tempo
  27. 27. Conceito de Hardware e Software 27 Definições para Pipelines • Pipeline = em inglês, tubo, oleoduto instruções entram numa ponta e são processadas na ordem de entrada • Tubo é dividido em: estágios ou segmentos • Tempo que uma instrução fica no tubo: latência • Número de instruções executadas na unidade de tempo desempenho ou “throughput”. • Tempo que uma instrução permanece em um estágio ciclo de máquina normalmente, igual a um ciclo de relógio (excepcionalmente dois);
  28. 28. Conceito de Hardware e Software 28 Pipelining Pipelining é uma técnica que permite ao processador executar múltiplas instruções paralelamente em estágios diferentes. Se assemelha muito ao de uma linha de produção. É empregado em sistemas com um ou mais processadores, em diversos níveis, e tem sido a técnica de paralelismo mais utilizada para aumentar o desempenho dos sistemas computacionais.
  29. 29. Conceito de Hardware e Software 29 Arq. Pipeling em 4 estágios tempo Instr.1P1 Unidade de Busca da instrução t0 Instr.2 Instr.1P2 Analisador Da instrução t1 Instr.3 Instr.2 Instr.1P3 Unidade de Busca dos dados t2 Instr.4 Instr.3 Instr.2 Instr.1P4 Unidade de Execução da instrução t3 Instr.5 Instr.4 Instr.3 Instr.2 t4 Instr.6 Instr.5 Instr.4 Instr.3 t5 Instr.7 Instr.6 Instr.5 Instr.4 t6
  30. 30. Conceito de Hardware e Software 30 Linguagem de máquina A linguagem de máquina de um computador é a linguagem de programação entendida pelo processador. Cada processador possui um conjunto definido de instruções de máquina, definido pelo seu fabricante. As instruções de máquinas fazem referências a detalhes, como registradores, modos de endereçamento e tipos de dados, que caracterizam um processador e suas funcionalidades. Um programa escrito em linguagem de máquina para um determinado processador não pode ser executado em outra máquina com uma arquitetura diferente, O conjunto de instruções de um processador é característica específica da arquitetura.
  31. 31. Conceito de Hardware e Software 31 Arquitetura RISC Um processador com arquitetura RISC ( Reduced Instruction Set Computer) se caracteriza por: possuir poucas instruções de máquinas, em geral bastante simples, executadas diretamente pelo hardware. Arquitetura CISC Os processadores com arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computers) se carcteriza por: possuir instruções complexas que são interpretadas por microprogramas.
  32. 32. Conceito de Hardware e Software 32 Arquitetura RISCxCISC Arquitetura RISC Arquitetura CISC Poucas Instruções Muitas Instruções Instruções executas pelo hardware Instruções executadas por microcódigos Instruções com formato fixo Instruções com diversos formatos Instruções utilizam poucos ciclos de máquinas Instruções utilizam múltiplos ciclos Instruções com pouco modos de endereçamento Instruções com diversos modos de endereçamento Arquitetura com muitos registradores Arquitetura com poucos registradores Arquitetura pipeling Pouco uso da técnica de pipelinig Ex.SPARC(Sun),RS-6000(IBM),PA-RISC(HP), AlphaAXP(Compaq)eRx000(MIPS). Ex.VAX(DEC),Pentium(Intel)e68xxx (Motorola).
  33. 33. Conceito de Hardware e Software 33 Máquinas de Níveis? Linguagem de máquina Linguagem de máquina Microprogramação Circuitos Eletrônicos Circuitos Eletrônicos Utilitários Utilitários Sistema Operacional Sistema Operacional Aplicações Aplicações Arquitetura RISC Arquitetura CISC
  34. 34. Conceito de Hardware e Software 34 Software Para que o hardware tenha utilidade pública, deve existir um conjunto de programas, utilizado como interface entre as necessidades do usuário e as capacidades do hardware. O uso de softwares adequados às diversas tarefas e aplicações torna o trabalho dos usuários muito mais simples e eficiente. Usaremos o termo utilitário para fazer referência a softwares relacionados mais diretamente com serviços complementares do SO, como compiladores, linkers e depuradores. Softwares desenvolvidos por usuários serão denominados aplicativos ou aplicações.
  35. 35. Conceito de Hardware e Software 35 Tradutor Tradutor: montador e compilador programa fonte programa objetoTradutor Compilador
  36. 36. Conceito de Hardware e Software 36 Interpretador  Tradutor que não gera módulo- objeto  Traduz cada comando e executa  Desvantagem: tempo na tradução  Vantagem: dados dinâmicos  Exemplos: Basic e Perl
  37. 37. Conceito de Hardware e Software 37 Linker Linker
  38. 38. Conceito de Hardware e Software 38 Loader • Carregar na memória principal um programa para ser executado • Loader absoluto • Loader relocável
  39. 39. Conceito de Hardware e Software 39 Depurador • Permite acompanhar a execução de um programa e detectar erros • Visualização e alteração de variáveis • Breakpoints • Watchpoints
  40. 40. Conceito de Hardware e Software 40 Interpretador de comandos ou SHELL • Interpretador de comandos ou shell permite ao usuário interagir com o sistema • Linguagem de controle são os comandos disponíveis pelo interpretador
  41. 41. Conceito de Hardware e Software 41 Ativação/Desativação do SO • Ativação do sistema - inicialmente, todo o código do SO reside na memória secundária, como disco e fitas. • Toda a vez que um computador é ligado, o SO tem que ser carregado na memória principal. • Esse procedimento, denominado ativação do sistema (boot), é realizado por um programa localizado em um bloco específico do disco (boot block). O procedimento de ativação varia em função do equipamento, podendo ser realizado através do telcado, de um terminal ou no painel do gabinete do processador . Além da carga do SO, a ativação do sistema também consiste na execução de arquivos de inicialização. Nestes arquivos são especificados procedimentos de customização e configuração de hardware e software específicos para cada ambiente. Na maioria dos sistemas, também existe o processo de desativação (shutdown). Este procedimento permite que as aplicações e componentes do SO sejam desativados de forma ordenada, garantindo sua integridade.
  42. 42. Conceito de Hardware e Software 42 Ativação/Desativação do SO • Ativação do sistema Disco Memória Principal boot Sistema Operacional Área do Sistema Operacional
  43. 43. Conceito de Hardware e Software 43 Colaborações? Críticas?? Dúvidas??? Sugestões???? Xingamentos?????

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