Introdu��o aos Sistemas Operacionais

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                Conceitos de Hardware

 Um sistema computacional é constituído por um conjunto de
  componentes (circuitos) interligados          formados por
  processadores, memória principal e dispositivos físicos como
  registradores, barramentos, monitores, impressoras, mouse,
  discos, além de outros dispositivos (hardware);
 Esses dispositivos manipulam dados (informações) na forma
  digital que é uma maneira confiável de representação;
 Todos os componentes de um computador são agrupados em
  quatro subsistemas básicos (unidades funcionais):
        Unidade central de processamento (UCP);
        Memória principal;
        Dispositivos de entrada;
        Dispositivos de saída;
 Estes subsistemas estão presentes em todo computador
  digital, apesar de suas implementações variarem nas
  diferentes arquiteturas existentes e comercializadas pelos
  diversos fabricantes de computadores.
 As figuras a seguir ilustram a estrutura e organização do
  hardware dos computadores;
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                Figura 1: Sistema Computacional

 Conceitos básicos dos principais componentes desses sistema:
  o Dispositivos de Entrada e Saída
       Permitem a comunicação entre o computador (UCP e
         da memória principal) e o mundo externo;
       Podem ser divididos em duas categorias:
            o Os que são usados como memória secundária;
            o Os que servem para a interface homem-máquina
       A comunicação pode ser feita tanto com usuários
         quanto com memórias secundárias, a fim de realizar
         qualquer tipo de processamento;
       Dispositivos usados como memória secundária:
            o Ex.: discos e fitas magnéticas;
            o Armazenam de três a quatro vezes mais
              informações que a memória principal;
            o Custo é baixo;
            o O acesso é lento (leva de quatro a seis vezes
              mais tempo de acesso a memória principal);
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 Dispositivos para a comunicação homem-máquina e
  entrada/saída de dados:
     o Ex.: Teclados, monitores de vídeo, impressoras,
       plotters, Mouse, Scanner, Leitor de código de
       barras, Leitor de marcas ópticas, Mesa Gráfica
       (digitalizadora), Projetor (Data show)
     o Com o avanço no desenvolvimento de aplicações
       de uso cada vez mais geral, procura-se aumentar
       a facilidade de comunicação entre o usuário e o
       computador;
     o A implementação de interfaces mais amigáveis
       permite, cada vez mais, que pessoas sem
       conhecimento específico sobre informática
       possam utilizar o computador;
     o Câmera, Microfone, Caneta ótica, mouse,
       Joystick, Monitor Touch Screen, dispositivos
       sensíveis a voz humana e ao calor do corpo
       humano são alguns exemplos de dispositivos
       mais amigáveis.




 Figura 2: Sistema Computacional com mais detalhes
                                                        4




o Unidade Central de Processalmento (UCP) ou
  processador:
   Sua função principal é unificar todo o sistema,
    controlando as funções realizadas por cada unidade
    funcional;
   Controla e executa instruções presentes na memória
    principal através de operações básicas como somar,
    subtrair, comparar e movimentar dados;
   A UCP busca cada instrução na memória principal e a
    interpreta para sua execução;
  




               Figura 3: Processador

   A UCP é composta por tres componentes: unidade de
    controle (UC), unidade lógica (ULA) e registradores;
      o Unidade de controle (UC): Responsável por
         controlar as atividades de todos os componentes
         do computador. Ex.: gravação de um dado no
         disco ou a busca de uma instrução da memória;
      o Unidade lógica e aritmética (ULA): Responsável
         pela realização de operações lógicas (testes e
         comparações) e aritméticas (somas e subtrações);
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o Registradores:
   o Dispositivos de alta velocidade, localizados
      fisicamente na UCP para armazenamento
      temporário de dados;
   o O número de registradores varia em função
      da arquitetura de cada processador;
   o Alguns registradores são de uso específico
      (propósitos especiais) e outros são de uso
      geral;
   o Alguns registradores de uso específico são o
      contador de instruções, o apontador da pilha
      e o registrador de estado;
          O contador de instruções (CI) ou
            program counter (PC) armazena o
            endereço da próxima instrução que a
            UCP deverá executar. Toda vez que a
            UCP executa uma instrução, o PC é
            atualizado com um novo endereço;
          O apontador da pilha (AP) ou stack
            pointer (SP) contém o endereço de
            memória do topo da pilha (a pilha
            contém informações sobre tarefas que
            estavam sendo processadas no caso de
            serem interrompidas por algum
            motivo);
          O registrador de estado, também
            chamado em alguns equipamentos de
            program status word (PSW) é
            responsável por armazenar informações
            sobre a execução do programa. A cada
            instrução executada, o registrador de
            estado é alterado conforme o resultado
            gerado pela instrução.
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 Velocidade de processamento de uma UCP:
    o Medida de eficiencia;
    o Determinada pelo número de instruções que o
      processador executa por unidade de tempo,
      normalmente segundo;
    o Algumas unidades de medida são:
         o MIPS (milhões de instruções por segundo);
         o MFLOPS/GFLOPS (milhões/bilhões de
           instruções de ponto flutuante por segundo);
         o Hz (Hertz – ciclos por segundo)
               Primeiros computadores: 4,7 MHz
               Atualmente: .. GHz
    o A tabela 1 mostra alguns processadores e suas
      respectivas velocidades de processamento.

       Processador            Velocidade de Processamento
 Intel 80386                 5 MIPS
 Intel 80486                 20 MIPS
 Item Pentium                100 MIPS
 Item Pentium Pro            250 MIPS
  Tabela 1 - Velocidade de processamento de alguns computadores.
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 Clock
    o As atividades da UCP são realizadas mediante a
       emissão de pulsos elétricos gerados por um
       dispositivo chamado clock;
    o Dispositivo localizado na UCP que gera pulsos
       elétricos síncronos em um determinado intervalo
       de tempo (sinal de clock);
    o O sinal de clock é utilizado pela unidade de
       controle para a execução das instruções;
    o A quantidade de vezes que este pulso se repete
       em um segundo define a freqüência do clock;
    o A freqüência do clock de um processador é
       medida em Hertz (Hz), que é o número de pulsos
       elétricos gerados em um segundo de tempo;
    o A freqüência também pode ser utilizada como
       unidade de desempenho entre diferentes
       processadores pois, quanto maior a freqüência,
       mais instruções podem ser executadas pela UCP
       em um mesmo intervalo de tempo.
 Fabricantes e Modelos de Processadores:
    o PCS:
         o Intel: Core, Pentium, Celeron e Centrino
         o AMD: Phenom, Athlon, Turion e Sempron
         o IBM e Apple: PowerPc
    o Servidores
         o Intel: Xeon, Itanium e Core
         o AMD: Opteron
         o HP: AlphaServer, PA-RISC
         o Sun: UltraSPARC
         o IBM: BlueGene
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o Memória Principal
    Também conhecida como memória primária ou real;
    Responsável por armazenar instruções e dados;
    Composta por unidades de acesso chamadas células,
     sendo cada célula composta por um determinado
     número de bits (binary digit);
    O bit é a unidade básica de memória, podendo
     assumir o valor 0 ou 1;




               Figura 4: Memória Principal

     A grande maioria dos computadores de hoje utiliza o
      byte (8 bits) como tamanho de célula, porém
      encontramos computadores de gerações passadas com
      células de 16, 32 e ate mesmo 60 bits;
     Sendo assim, a memória é formada por um conjunto
      de células, onde cada célula possui um determinado
      número de bits (Figura 3).
     O acesso ao conteúdo de uma célula é realizado
      através de um número chamado endereço;
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 Quando um programa deseja ler ou escrever um dado
  em uma célula, deve primeiro saber qual o endereço
  de memória desejado, para depois realizar a operação;
 Memória RAM (random access memory):
    o Chamada de volátil, pode ser lida ou gravada;
    o Constitui quase a totalidade da memória
      principal;




       Figura 5: Memória RAM

 Memória ROM (read-only memory):
    o Chamada de não volátil, não permite alterar ou
      apagar seu conteúdo;
    o Já vem pré-gravado do fabricante, geralmente
      com algum programa;
    o Seu conteúdo é preservado mesmo quando a
      alimentação é desligada;
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           Figura 6: Memória ROM

     Existem     outras memórias com características
      diferentes. Ex: EEPROM, EAROM, EAPROM,
      NOVRAM;
     BIOS (Basic Input Output System): programa que
      permite gerenciar uma pequena parte da ROM;
     Alguns fabricantes de memória são: Rambus, Corsair,
      Kingston, Smart, Wintec, Samsung.

o Memória Cache
    Memória volátil de alta velocidade onde o tempo de
     acesso a um dado nela contido é muito menor que se
     o mesmo estivesse na memória principal;
    Quando o processador busca um dado armazenado na
     memória principal, ele "olha" antes na memória cache:
         o Se o dado estiver la´, não ha necessidade de
           acessar a memória principal;
         o Caso contrário, o processador, transfere um
           bloco de dados para a cache;
    Na memória cache, o acesso é mais rápido,
     compensando o tempo de transferência entre as
     memórias;
    Apesar de ser uma memória de acesso rápido, seu uso
     e limitado em função do alto custo.
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        A Tabela 2 mostra a relação entre as memórias cache
         e principal em alguns equipamentos.

                 HP 9000/855S      IBM 3090/600S VAX 9000/440
Tamanhomáximo da    256 Mb            512 Mb       512 Mb
memória principal
Tamanho máximo da     256 Kb            128 Kb             128 Kb
memória cache                          por UCP            por UCP
        Tabela 2 - Relação entre as memórias cache e principal

        Existem vários níveis de memória cache:
           o Cache L1 (Nível 1) – Chamado de cache interno,
              armazena instruções do processador (8 a 128 KB)
           o Cache L2 (Nível 2) – dados de programas (64 KB
              a 12MB)
           o Cache L3 (nível 3)
           o Cache L4 (nível 4)

  o Memória Secundária
     o A memória secundária é um meio permanente (não
       volátil) de armazenamento de programas e dados;
     o Enquanto a memória principal precisa estar sempre
       energizada para manter suas informações, a memória
       secundária não precisa de alimentação;
     o O acesso à       memória secundária é     lento, se
       comparado com o acesso a memória cache ou à
       principal, porém seu custo é baixo e sua capacidade
       de armazenamento é bem superior a da memória
       principal;
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    o A figura 7 mostra os diversos tipos de
      armazenamento, comparando a capacidade de
      armazenamento com o custo e velocidade de acesso.




   Figura 7: Relação entre os dispositivos de armazenamento.

o Barramento
     Permite a comunicação entre as unidades funcionais
      de um sistema operacional;
     São linhas de comunicação, também chamadas bus,
      barras ou vias que interligam a UCP, a memória
      principal e os dispositivos de E/S;
     Consistem em um conjunto de fios paralelos (linhas
      de transmissão), onde trafegam informações, como
      dados, endereços ou sinais de controle;
     Pode ser classificado em:
         o Unidirecional: transmissão em um só sentido;
         o Bidirecional: Transmissão em ambos os sentidos;
     Os barramentos são classificados em três classes:
         o Barramento processador-memória: barramento
           de curta extensão e alta velocidade para que seja
           feita a transferência de informações entre
           processadores e memória;
         o Barramentos de E/S: Mais extensos e mais
           lentos, permitindo a ligação entre diversos
           dispositivos;
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     o Barramento de backplane: Serve para integrar os
       dois barramentos anteriores. Na conexão dos
       barramentos existem adaptadores (bus adapter)
       para compatibibilizar as diferentes velocidades.
       Com o uso de backpane, o número de
       adaptadores diminui e o desempenho melhora.
 Os barramentos de diferentes fabricantes seguem
  determinados padrões para que possam ser utilizados
  em conjunto em um mesmo sistema;
 Slots: Termo que faz referência aos encaixes físicos de
  cada barramento para a conexão de dispositivos
 Padrões de barramento:
    o ISA (Industry Standard Architecture): 16 bits / 8,33 MHz
    o VESA (Video Electronics Standards Association): 32
       bits / 33 MHz
    o PCI (Peripheral Component Interconnect): Surgiu em
       1993; 32/64 bits / 533 Mhz
    o AGP(Accelerated Graphics Port): 32 bits /266 MHz
    o AMR (Audio and Modem riser)
    o CNR (Communications and Network riser)
 A figura 8 ilustra o barramento ligando processador e
  memória com os adaptadores.




  Figura 8: Barramento processador-memória.
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 A figura 5 ilutra a ligação através dos barramentos de
  backplane;




        Figura 9: Barramento de backplane.

   Na ligação entre UCP e memória principal existem
    três tipos de barramentos:
       o barramento de dados: transmite informações
           entre a memória principal e a UCP;
       o barramento de endereços: utilizado pela UCP
           para especificar o endereço da célula de memória
           que será acessada;
       o barramento de controle: por onde a UCP envia os
           pulsos de controle relativos as operações de
           leitura e gravação;
                                                           15




       A figura 10 ilustra dois tipos de configurações, onde
        UCP, memória principal e dispositivos de E/S são
        interligados de maneira diferente, onde as linhas
        correspondem aos barramentos.




         Figura 10: Configurações de ligação do sistema.
o A organização de alguns componentes importantes está
  ilustrada na figura 11.




             Figura 11: Componentes de hardware.
                                                            16


o Portas:
    o São classificados como barramentos, específicos para um
       determinado fim.
           Porta Paralela
                8 fios paralelo
                Transmite ou recebe 1 byte por vez
                Máximo 3 metros de cabo
           Porta Serial
                Utiliza apenas 1 fio (cabo serial)
                15 metros de comprimento
           USB (Universal Serial Bus):
                Diversas empresas se juntaram para seu
                 desenvolvimento.
                Objetivo: Conectar diversos tipos de aparelho
                 ao computador
                Limite de 5 metros
o Disco Rígido:
           Também chamado de winchester ou Hard Disk
            (em inglês,) por ser a sua superfície de gravação
            metálica e dura, ao contrários dos disquetes;
           Normalmente referenciado como unidade de disco
            C,     encontra-se dentro do gabinete da CPU;
            portanto, não é visível nem transportável;
           Permite um acesso rápido e o armazenamento de
            uma grande quantidade de informações;
           É importante lembrar que esses discos podem ser
            danificados por excesso de trepidação no local de
            instalação;
           Existem versões menores e os chamados HDs
            externos que são transportáveis e adapatados
            através da porta USB;
                                                             17




                     Figura 12: Disco Rígido

o Placa-mãe (mainboard ou motherboard):
    o Placa de circuito impresso, que serve como base para a
       instalação dos demais componentes de um
       computador, como o processador, memória RAM, os
       circuitos de apoio, as placas controladoras, os slots do
       barramento e o chipset;
    o A placa-mãe realiza a interconexão das peças de um
       computador. Assim, processador, memória, placa de
       vídeo, HD, teclado, mouse, etc. estão ligados
       diretamente à placa-mãe.
    o Possui diversos componentes eletrônicos (circuitos
       integrados, capacitores, resistores, etc) e entradas
       especiais (slots) para que seja possível conectar os
       vários dispositivos.
                                                       18




                 Figura 13: Placa-mãe

o Fonte de alimentação
   Usada para transformar a energia elétrica sob a forma
    de corrente alternada (CA) da rede em uma energia
    elétrica de corrente contínua, mais adequada para
    alimentar cargas que precisem de energia CC;




             Figura 14: Fonte de alimentação
                                                          19


o Arquiteturas RISC e CISC
       Um processador so´ entende a linguagem de máquina;
       Cada processador possi um conjunto de instruções de
         máquina definidas por seu fabricante;
       As instruções contém detalhes como registradores,
         modo de endereçamento e tipos de dados que
         caracterizam um processador;
       Um programa é escrito na linguagem da máquina que
         é entendida por um determinado processador, não
         podendo ser executado em outra máquina;

       Existem basicamente dois tipos de processadores com
        diferentes arquiteturas (características):
                 Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set
                  Computer);
                 Arquitetura CISC (Complex Instruction Set
                  computers);
       Características da arquitetura RISC:
                 Possui poucas instruções de máquina, em
                  geral bastante simples, que são executadas
                  diretamente pelo hardware;
                 Na sua maioria, estas instruções não
                  acessam a memória principal, trabalhando
                  principalmente com registradores;
                 Apresenta grande número de processadores;
                 As instruções são executadas em alta
                  velocidade, facilitando a implementação do
                  pipeline (intruções encadeadas como linha
                  de montagem);
                 Ex. de processadores RISC: Sparc (SUN),
                  RS-6000 (IBM), PA-RISC (HP), Alpha
                  AXP (DEC) e Rx000 (MIPS).
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 Características da arquitetura CISC:
          Possuem instruções complexas que são
            interpretadas por microprogramas;
          Qualquer instrução pode referenciar a
            memória principal;
          O número de registradores é pequeno;
          Neste tipo de arquitetura, a implementação
            do pipeline é mais difícil;
          Ex. de processadores CISC: VAX (DEC),
            Pentium (Intel) e 68xxx (Motorola).