FATEC - Sistemas Operacionais I

FATEC - Sistemas Operacionais I
Sistemas Operacionais I
Gerações dos computadores: Evolução e Eficiência
Sistemas Operacionais I
Dionisio Gava Junior
Reynaldo G. de Oliveira – [email protected]
FATEC - Sistemas Operacionais I
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
FATEC - Sistemas Operacionais I
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
FATEC - Sistemas Operacionais I
Primeira geração
FATEC - Sistemas Operacionais I
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
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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
FATEC - Sistemas Operacionais I
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.
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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.
t CPU
E =
t Total
TS = S1+S2+...Sn
Relação entre o tempo de processador e tempo
total de processamento
Numero de serviços executados por unidade
de tempo
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Primeira geração
Eficiência do sistema
t CPU
Relação do tempo de processador
e tempo total do processamento
E =
t Total
CPU
CPU
E/S
CPU
E/S
CPU
E/S
CPU
CPU
E/S
E/S
E/S
Tempo de Execução do serviço
E = 0,07
O processador permanecia ativo somente 7% do tempo
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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.
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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
7%
• Baixa velocidade da E/S
• Intervenções manuais
Como melhorar a eficiencia?
TS = s1+s2+...sn
3 serviços
por hora
Segunda geração
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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
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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
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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 )
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Primeira e Segunda gerações
Eficiência do sistema
E =
Primeira
Geração
Segunda
Geração
7%
45%
3
serviços
por hora
25
serviços
por hora
t CPU
t Total
TS = s1+s2+...sn
• Baixa produtividade
• Desequilíbrio entre CPU e E/S
Como melhorar a
eficiência?
Terceira geração
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Terceira geração de computadores
• Tecnologia : Circuitos integrados
• Velocidade expressa e medida em nanossegundos ( ns )
• Evolução das linguagens
• Multiprogramação
• Surgimento dos Sistemas Operacionais
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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
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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
Sistema
Operacional
A
Esperando pela CPU
B
C
I/O
I/O
D
E
Memória
Terceira geração
Conceitos da Terceira Geração
• Processadores de E/S (Canais)
• Processamento em dois estados.
• Instruções Privilegiadas
• Relocabilidade
• Interrupção
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Terceira geração
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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
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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
Paralelismo de operações
cpu B
cpu C
cpu D
e/s de A
e/s de B
e/s de C
tempo
Terceira geração
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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
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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.
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Terceira geração
Processamento em dois estados
Instruções Privilegiadas
SO
SO
SO
......
A
CPU
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.
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Terceira geração
Relocabilidade
A
A
0
B
100
C
400
200
Move A to B
Relocáveis
C
0
B
200
A
300
400
Terceira geração
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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
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Terceira geração
Interrupção
Sistema
Operacional
A
Interrupção
Ler
4.
5.
6.
Faz o tratamento da
Interrupção
Atende o serviço
solicitado
Passa o controle para o
processo pronto e de
maior prioridade
B
1.
2.
3.
A execução de instruções na
CPU é interrompida
O estado da CPU é salvo
O controle da CPU vai para o
SO
Terceira geração
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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.
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Tendências e perspectivas
dos Sistemas Operacionais
FATEC - Sistemas Operacionais I
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
.
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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.
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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.
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Terceira geração
Exercícios de Multiprogramação
SO
CPU
SO
A
SO
A
Tempo
PES
e/s de A
e/s de A