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AMBIENTES OPERACIONAIS 1 . 1 Uma revisão de arquitetura dos computadores • Arquitetura: conjunto de recursos existentes a nível de hardware, utilizados para suportar a implementação dos nlVeis de software. • As camadas de software (sistema operacional, aplicativos, programas de usuário) facilitam a utilização do computador, mas, ao fim e ao cabo, as ações do computador são realizadas pelos componentes de hardware, os quais são diretamente acionados por instruções de má processamento (UCP • Componentes de u nidade central de org to view nut*ge Conjunto de instruções
Tipos de dados e organização da memória C] Modos de endereçamento à memoria Registradores acess(veis ao programador C] Entrada / saída e sistema de interrupção • Modelo de Von Newmann Na década de 40, John Von Newmann propôs um modelo de máquina onde os programas e os dados usados por ele eram armazenados na memória (máquina de programa armazenado). Ainda hoje, os computadores digitais são baseados neste modelo, o qual é composto de cinco unidades essenciais: Unidade Lógica 6, 10 e 11) são usadas para o envio de sinais de controle (barramento de controle) e as demais são usadas para tranferir ados e endereços.
Na verdade, a única linha para envio de endereços é a 7, conforme será explicado a seguir. Figura 2 – Modelo de Von Newmann mais detalhado C] Unidade de Lógica e Aritmética (ULA): A ULA é a parte do computador onde são realizadas as operações aritméticas (soma, subtração, multiplicação, etc. ), bem como as operações lógicas (and, ar, etc. ) sobre os dados. A operação a ser executada é determinada pelo sinal que a UC envia para a ULA (seta 1 na figura 2). Os dados a serem operados podem vir tanto da memória (seta 2) quanto da Unidade de Entrada (seta 3).
Os resultados das operações realizadas pela ULA podem ser transferidos tanto para a memória (seta 4), quanto para a Unidade de Saída (seta S). Memória: A Unidade de Memória é organizada como uma seqüência de células, denomnadas palavras (em Inglês, words) , cada célula possuindo um endereço único e podendo ser acessada individualmente. Cada palavra armazena um grupo de dígitos binários que pode representar um dado ou uma instrução. Portanto, a memória contém os dados a serem operados e as instruções (programa) para manipular os dados ou acionar as unidades de entrada e saída (EIS).
A operação da memória (leitura ou escrita) é controlada pela UC, que envia o sinal informando o tipo de operação (seta 6). O endereço de memór controlada pela IJC, que envia o sinal informando o tipo de operação (seta 5). O endereço de memória a ser acessado é enviado pela UC, através do barramento de endereços (seta 7). As informações podem ser escrltas na memória a partir da ULA (seta 4) ou da Unidade de Entrada (seta 8), novamente sob controle da LJC. As informações podem ser enviadas da memória para a ULA (seta 2) ou para a Unidade de Saída (seta 9).
Cl Unidade de Entrada: A Unidade de Entrada é o dispositivo que permite a entrada de dados a partir do ambiente externo. Esses dados podem ser introduzidos na memória (seta 8) ou na ULA (seta 3). A UC determina para onde a informação de entrada será enviada (seta 10). Hoje em d’a um computador admite utilizar vários tipos de periféricos como unidades de entrada (teclado, mouse, digitalizadores de imagens, unidades de CD-ROM, etc. ). Cl Unidade de Saída: A Unidade de Saída é o dispositivo que permite a sarda de informações para o ambiente externo.
A Unidade de Saída é irigida pela UC (seta 1 1) e pode receber dados da memória (seta 9) ou da ULA (seta 5) os quais são colocados então na forma apropnada para o uso externo. Hoje em dia um computador admite vários tipos de periféricos como unidades de saída (terminais de vídeo, impressora, discos magnéticos, etc. ). Cl Unidade de Controle: A UC dirige a operação de todas as unidades, fornecendo os sinais de controle que acionam os diversos componentes do hardware PAGF3rl(F8 todas as unidades, fornecendo os sinais de controle que acionam os diversos componentes do hardware.
Esta unidade contém ircuitos lógicos e de temporização (ou de sincronização) que geram os sinais necessános à execução de cada instrução de um programa. A UC busca uma instrução na memória enviando um endereço (seta 7) e um comando de leitura (seta 6) para a memória. A palavra de instrução armazenada é então transferida para a UC (seta 12). Esta palavra de instrução é decodificada pelos circuitos lógicos da UC para determinar a ação a ser executada (adição, subtração, carga de registrador, etc. ).
A UC utiliza esta informação para gerar os sinais necessários para a execução da nstrução. Mais detalhes são apresentados na seção a seguir. • A Unidade Central de Processamento e o Mecanismo de Acesso à Memória A Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU, do inglês Central Processing Unit) é composta pela UC e pela ULA. Além destes componentes, a UCP contém um conjunto de registradores. Um registrador é uma unidade de armazenamento de informação interna, de acesso muito rápido, podendo ser de uso geral ou específico. m registrador tem uma capacidade de armazenamento que varia de 8 a 64 bits. A estrutura dos registradores (quantidade, tipo, tamanho, etc. varia de processador para processador e é uma das características que definem uma arquitetura. A organização básica de uma UCP é mostrada na figura 3. Figura 3 PAGF que definem uma arquitetura. A organização básica de uma UCP é mostrada na figura 3. Figura 3 – A UCP e o mecanismo de acesso à memória Registradores REM e RDM Todo e qualquer acesso à memória é feito através desse par de registradores, o qual faz parte do mecanismo de acesso ? memória.
O registrador REM (registrador de endereço) contém o endereço da célula (word ou byte) a ser acessada na memória. O RDM (registrador de dado) serve como entrada ou saída. Em uma uma operação de escrita, é necessário colocar previamente no RDM o dado a ser escrito na célula Indicada no REM. Em uma operação de leitura, o RDM vai receber o dado lido da célula indicada no REM. Portanto, considerado de forma isolada, o controlador de memória é um hardware que transfere dados entre o RDM e a memória.
Se a memória do computador é formada por vários módulos e cada um possui seu próprio mecanismo de acesso, então é possivel realizar acessos simultâneos à memória (desde que s acessos envolvam módulos diferentes). Caso contrário, os acessos têm que ser serializados e reallzados um por vez. – Contador de Programa (PC) O contador de programa (Program Counter) é o registrador que indica o endereço (localização na memória) da próxima instrução a ser executada.
Durante a execução de uma instrução, esse contador é incrementado com o valor do tamanho da instrução, de modo que ele passe a conter o endereço da instrução seguinte. O tamanho do tamanho da instrução, de modo que ele passe a conter o endereço da instrução seguinte. O tamanho do PC é igual ao úmero de bits de endereço que o microprocessador pode manipular. Assim, se a máquina trabalha com endereços de 15 bits, o PC terá 16 bits. O contador de programa também pode ser referido por IC (do inglês Instruction Counter) ou IP (Instruction Pointer).
Registrador de Instruções (RI) Quando a UC busca uma instrução na memória, o código de operação da instrução vem para o registrador denominado RI (Registrador de Instruções). Este registrador é utilizado somente pelo microprocessador, não podendo ser acessado pelo programador. A instrução fica armazenada no RI enquanto o ecodificador de instruções a analisa. Se a instrução tem um operando (endereço de dado a ser operado), o mesmo é colocado no REM (isto é, o endereço do dado a ser utilizado na execução da instrução é copiado do RDM para o REM – isto é indicado pela seta a, na figura acima).
No caso de uma instrução de transferência, o operando é copiado para o PC (seta b, na figura acima), pois, nesse caso, o operando é o endereço da próxima instrução a ser executada. – Decodificador de Instruções O decodificador de instruções tem a função de analisar a nstrução presente no RI e, de acordo com a mesma, enviar a codificação apropriada ao gerador de sinais de controle. – Gerador de Sinais de Controle O gerador de sinais de controle gera o sinais de controle.
O gerador de sinals de controle gera os sinais que dirigem o funcionamento de todas as unidades de hardware. Para cada instrução decodificada, são enviados os sinais de sincronização e de controle que colocam em ação os componentes envolvidos na execução da instrução. – O registrador PSW (Processar Status Word) O registrador “palavra de estado do processador’ ou implesmente “registrador de estado”, não fazia parte da máquina de Von Newmann (nem existia nos computadores mais antigos).
Contudo, ele é essencial para o funcionamento de um sistema operacional moderno e, atualmente, faz parte de qualquer IJCP. O uso desse registrador passou a ser necessário quando os computadores começaram a utilizar sistemas de interrupção, conforme será explicado adiante. – O registrador SP (Stack Pointer) O registrador “ponteiro da pilha” (em inglês, stack pointer) é outro que não existia na máquina de Von Newmann, mas que hoje em dia faz parte da UCP de quase todos os computadores.
Ele é necessário porque todo programa em execução precisa usar uma pilha para realizar chamadas e retornos de procedimentos. Assim, cada programa possui uma pilha própria e o registrador SP indica o topo da pilha do programa correntemente em execução. Quando a execução passa de um programa para outro, o valor do SP é alterado de modo que ele passa a apontar para a pilha do novo programa em exec do SP é alterado de modo que ele passa a apontar para a pilha do novo programa em execução. ?? O ciclo sem fim da UCP A UCP funciona repetindo indefinidamente o processo de busca, ecodificação e execução de instrução. Isto se repete até que seja executada uma instrução especial, normalmente denominada HALT, que faz a UCP parar. Esta instrução é protegida e não pode ser executada diretamente por um programa de usuário (instruções protegidas serão consideradas adiante, nos modos de execução da UCP).
Desta maneira, desde que o computador é ligado, a “vida da UCFV’ consiste em repetir o ciclo: 1 busca instrução 2. analisa (decodifica) a instrução 3. executa a instrução 4. volta ao passo 1 Na verdade, nos computadores atuais, após executar o passo e antes de executar o passo 4, a UCP verifica os sinais de interrupção e, se ocorreu alguma interrupção, o hardware coloca no PC, automaticamente, o endereço da rotina que trata da interrupção sinalizada.
Deste modo, a instrução buscada no passo 1 será a primelra instrução da rotina de interrupção. A seguir é detalhada a transferência de dados entre os elementos da IJCP, por ocasião no primeiro passo do ciclo (busca da próxima instrução): 1. REM PC 2. Sinal de leitura para o controlador de memória (enviado pela LJC) 3. RDM O Mem[REM] 4. RI RDM PAGF8rl(F8