SISTEMAS OPERACIONAIS

2.   Conceitos de Hardware e Software

2.1   Hardware

Um computador digital é constituído por um conjunto de componentes interligados, composto por processadores, memória principal e dispositivos físicos (hardware). Esses dispositivos manipulam dados na forma digital, o que proporciona uma maneira confiável de representação.

Todos os componentes de um computador são agrupados em três subsistemas básicos: unidade central de processamento (UCP), memória principal, e dispositivos de entrada e saída (Figura 5. Estes subsistemas, também chamados de unidades funcionais, estão presentes em todo computador digital, apesar de suas implementações variarem nas diferentes arquiteturas existentes e comercializadas pelos diversos fabricantes de computadores. Neste item descrevemos os conceitos básicos dos principais componentes desses sistema.

2.1.1   Unidade Central de Processalmento

A unidade central de processamento (UCP), ou processador, tem como função principal unificar todo o sistema, controlando as funções realizadas por cada unidade funcional. AUCP também é responsável pela execução de todos os programas do sistema, que obrigatoriamente deverão estar armazenados na memória principal.

Um programa é composto por uma série de instruções que são executadas sequencialmente pela UCP, através de operações básicas como somar, subtrair, comparar e movimentar dados. Desta forma, a UCP busca cada instrução na memória principal e a interpreta para sua execução.

Figura 5 – Unidades funcionais de um computador

         A UCP é composta por dois componentes básicos: unidade de controle e unidade lógica aritmética. A Unidade de controle  (UC) é responsável por controlar as atividades de todos os componentes do computador, mediante a emissão de pulsos elétricos (sinais de controle) gerados por um dispositivo denominado clock. Este controle pode ser a gravação de um dado no disco ou a busca de uma instrução da memória. A unidade lógica e aritmética (ULA), como o nome indica, é responsável pela realização de operações lógicas (testes e comparações) e aritméticas (somas e subtrações).

A especificação da velocidade de processamento de uma UCP é determinada pelo número de instruções que o processador executa por unidade de tempo, normalmente segundo. Alguns fabricantes utilizam unidade processamento próprias, já que não existe uma padronização, sendo as mais comuns o MIPS (milhões de instruções por segundo) e o MFLOPS/GFLOPS (milhões/bilhões de instruções de ponto flutuante por segundo). A mostra alguns processadores e suas respectivas velocidades de processamento.

Intel 80386

Intel 80486

Item Pentium

Item Pentium Pro

Velocidade de Processamento

5 MIPS

20 MIPS

100 MIPS

250 MIPS

Tabela 2 – Velocidade de processamento de alguns computadores.

2.1.2   Clock

O clock e um dispositivo, localizado na UCP, que gera pulsos elétricos síncronos em um determinado intervalo de tempo (sinal de clock). A quantidade de vezes que este pulso se repete em um segundo define a freqüência do clock. O sinal de clock e utilizado pela unidade de controle pare a execução,  das instruções.

A freqüência do clock de um processador e medida em Hertz (Hz), que significa o número de pulsos elétricos gerados em um segundo de tempo. A freqüência também pode ser utilizada como unidade de desempenho entre diferentes processadores, pods quanto major a freqüência, mais instruções podem ser executadas pela UCP em um mesmo intervalo de tempo.

2.1.3   Registradores

Os registradores são dispositivos de alta velocidade, localizados fisicamente na UCP, pare armazenamento temporário de dados. O número de registradores varia em função da arquitetura de cada processador. Alguns registradores são de uso específico e têm propósitos especiais, enquanto outros são ditos de uso geral.

Entre os registradores de uso específico, merecem destaque:

  • contador de instruções (CI) ou program counter (PC) e o registrador responsável pelo armazenamento do endereço da próxima instrução que a UCP deverá executar. Toda vez que a UCP execute uma instrução, o PC e atualizado com um novo endereço;
  • o apontador da pilha (AP) ou stack pointer (SP) e o registrador que contémemóriam o endereço de memória do topo da pilha, que e a estrutura de dados onde o sistema mantém informações sobre tarefas que estavam sendo processadas e tiveram que ser interrompidas por algum motivo;
  •  o registrador de estado, também chamado em alguns equipamentos de program status word (PSW), e o registrador responsável por armazenar informações sobre a execução do programa, como a ocorrência de carry e overflow. A cada instrução executada, o registrador de estado e alterado conforme o resultado gerado pela instrução.

2.1.4   Memória Principal

A memória principal, também conhecida como memória primária ou real, e a parte do computador onde são armazenados instruções e dados. Ela e composta por unidades de acesso chamadas células, sendo cada célula composta por um determinado número de bits (binary digit). O bit e a unidade básica de memória, podendo assumir o valor 0 ou 1. Atualmente, a grande maioria dos computadores utilize o byte (8 bits) como tamanho de célula, porém encontramos computadores de gerações passadas com células de 16, 32 e ate mesmo 60 bits. Podemos concluir, então, que a memória, e formada por um conjunto de células, onde cada célula possui um determinado número de bits (Figura 6).

Figura 6 – Memória principal

O acesso ao conteúdo de uma célula e realizado através da especificação, ao de um número chamado endereço. O endereço e uma referência única, que podemos fazer a uma célula de memória Quando um programa deseja ler ou escrever um dado em uma célula, deve primeiro especificar qual o endereço de memória desejado, pare depois realizar a operação.

A especificação, ao do endereço, o e realizada através de um registrador denominado registrador de endereço de memória (memory register address – MAR). através do conteúdo deste registrador, a unidade de controle sabe qual a célula de memória que será acessada. Outro registrador usado em operações com a memória e o registrador de dados da memória (memory buffer register—MBR) . Este registrador e utilizado pare guardar o conteúdo de uma ou mais células de memória após uma operação de leitura, ou pare guardar o dado que será transferido pare a memória em uma operação de gravação. Este ciclo de leitura e gravação e mostrado na Figura 7.

Operação de Leitura Operação de gravação
1. A UCP armazena no MAR, o endereço da célula a ser lida.

2. A UCP gera um sinal de controle pare a memória principal, indicando que uma operação de leitura deve ser realizada.

3. 0 conteúdo da(s) célula(s), identificada(s) pelo endereço contido no MAR, e transferido pare o MBR.

1. A UCP armazena no MAR, o endereço da célula que será gravada.

2. A UCP armazena no MBR, a informação que deverá ser gravada.

3. A UCP gera um sinal de controle pare a memória principal, indicando que uma operação de gravação deve ser realizada.

4. A informação contida no MBR e transferida pare a célula de memória endereçada pelo MAR.

Figura 7 – Ciclo de leitura e gravação

A capacidade de uma memória e limitada pelo tamanho do MAR. No caso de o registrador possuir n bits, a memória principal poderá no máximo endereçar 2n células, isto é , do endereço  0  ao 2n-1.

A memória principal pode ser classificada em função de sue volatilidade, que e a capacidade de a memória preservar o seu conteúdo mesmo sem uma fonte de alimentação, ao ativa. As memórias chamadas voláteis se caracterizam por poderem ser lidas ou gravadas, como o tipo RAM (random access memory), que constitui quase que a totalidade da memória principal de um computador. O outro tipo, chamado de não volátil, não permite alterar ou apagar seu conteúdo. Este tipo de memória conhecido como ROM (read-only memory), já vem pré-gravado do fabricante, geralmente com algum programa, e seu conteúdo e preservado mesmo quando a alimentação e desligada. Uma variação da ROM e a EPROM (erasable programmable ROM), once podemos gravar e regravar a memória através exposição de luz ultravioleta por um dispositivo especial.

Atualmente, uma série de memórias com diferentes características, existe pare diversas aplicações, como a EEPROM, EAROM, EAPROM, NOVRAM entre outras.

2.1.5   Memória Cache

A MEMÓRIA cache e uma memória volátil de alta velocidade. O tempo de acesso a um dado nela contido e muito menor que se o mesmo estivesse na memória principal.

Toda vez que o processador fez referência a um dado armazenado na memória principal, ele “olha” antes na memória cache. Se o processador encontrar o dado na cache, não ha necessidade do acesso a memória principal; do contrário, o acesso e obrigatório Neste último cave, o processador, a partir do dado referenciado, transfere um bloco de dados pare a cache. O tempo de transferência entre as memórias e pequeno, se comparado com o aumento do desempenho obtido com a utilização, ao desse tipo de memória.

Apesar de ser uma memória de acesso rápido, seu uso e limitado em fun,cao do alto custo. A Tabela 2.2 mostra a relação entre as memórias cache e principal em alguns equipamentos.

 

HP 9000/855S

IBM 3090/600S

VAX 9000/440

Tamanho máximo

 memória principal

256 Mb

512 Mb

512 Mb

Tamanho máximo

Memória cache

256 Kb

128 Kb por UCP

128 Kb por UCP

Tabela 3 – Relação entre as memórias cache e principal

2.1.6    Memória Secundária

A memória secundária e um meio permanente (não volátil) de armazenamento de programas e dados. Enquanto a memória principal precisa estar sempre energizada pare manter sues informações, a memória secundária não precise de alimentação.

O acesso a memória secundária e lento, se comparado com o acesso a memória cache ou à principal, porém seu custo e baixo e sua capacidade de armazenamento e bem superior a da memória principal. Enquanto a unidade de acesso a memória secundária e da ordem de milissegundos, o acesso a memória principal e de nanossegundos. Podemos citar, como exemplos de memórias secundárias, a fita magnética, o disco magnético e o disco óptico.

A Figura 8 mostra a relação entre os diversos tipos de dispositivos de armazenamento apresentados, comparando custo, velocidade e capacidade de armazenamento.

Figura 8 – Relação entre os diversos tipos de dispositivos de armazenamento.

Em breve 2.1.7– Falaremos sobre Dispositivos de Entrada e Saída.

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