O documento apresenta conceitos básicos de hardware e software de sistemas computacionais. Descreve os principais componentes de hardware como processador, memória principal e dispositivos de entrada e saída. Apresenta também conceitos de software como sistemas operacionais, linguagens de programação, compiladores, linkers e debuggers.

1. Sistemas Operacionais Aulas 02, 03, 04 - Conceitos de Hardware e Software

2. Introdução Conceitos Arquitetura de computadores Hardware Software

3. Hardware Um sistema computacional é um conjunto de circuitos eletrônicos interligados (hardware) Subsistemas básicos (unidades funcionais) Processador ou Unidade Central de Processsamento Memória principal Dispositivos de entrada e saída (E/S)

4. Processador Gerencia todo o sistema computacional controlando as operações realizadas em cada unidade funcional Controlar e executar instruções presentes na memória principal, por meio de operações básicas como somar, subtrair, comparar e movimentar dados

5. Processador É composto de: Unidade de controle (UC) Gerencia as atividades de todos os componentes do computador, como a gravação de dados em discos ou busca de instruções Unidade lógica e aritmética (ULA) Realiza operações lógicas (testes e comparações) e aritméticas (adições e subtrações) Registradores Armazenam dados temporariamente

6. Memória principal Memória principal, primária ou real é o local onde são armazenados instruções e dados É composta de unidades de acesso chamadas células, sendo cada uma composta de um determinado número de bits O acesso ao conteúdo de uma célula é feito pela especificação de um número chamado endereço no registrador de endereço de memória (Memory Address Register)

7. Memória cache Memória volátil de alta velocidade, porém com pequena capacidade de armazenamento Tempo de acesso menor que a memória principal Armazena uma pequena parte do conteúdo da memória principal Se a informação não estiver presente no cache, o processador acessa a memória principal Durante a execução de um programa, as referências às instruções e dados tendem a estar em endereços próximos Programas estrututurados Alto custo, baixa capacidade de armazenamento

8. Memória secundária Meio permanente (não volátil) de armazenamento de programas e dados Acesso lento, comparado a memória principal Capacidade de armazenamento superior Disquete, HD, CD, DVD, fita magnética

9. Dispositivo de E/S Permitir comunicação entre o sistema computacional e mundo externo Categorias Memória secundária Custo relativamente baixo Interface usuário-máquina Teclado, monitor de vídeo, impressora, plotter, etc

10. Barramento ou Bus Meio físico de comunicação entre as unidades funcionais de um sistema computacional Dados, sinais de controle, endereços trafegam por seus condutores entre processadores, memórias e dispositivos de E/S Linhas de controle e linhas de dados

11. Barramento ou Bus Classificação de barramentos Processador-memória Curta extensão, alta velocidade Costumam ser proprietários Entrada e saída Maior extensão, baixa velocidade, conexão de diferentes dispositivos Costumam ser padronizados (PCI, SCSI) Backplane O barramento de E/S não se conecta diretamente ao barramento processador-memória. Existe um barramento de backplane que integra os dois barramentos

12. Pipelining Técnica que permite ao processador executar múltiplas instruções paralelamente em estágios diferentes A execução de uma instrução é dividida em subtarefas, como as fases de busca da instrução e dos operandos, execução e armazenamento dos dados O pipelining pode ser empregado em sistemas com um ou mais processadores, em diversos níveis Técnica mais usada para aumentar o paralelismo

13. Arquitetura Linguagem de máquina Conjunto definido de instruções de máquina Arquitetura RISC CISC

14. Arquitetura RISC Reduced Instruction Set Computer Possui poucas instruções de máquina executadas diretamente pelo hardware Muitos registradores Pouca lógica de controle Instruçoes executadas rapidamente Poucas instruções acessam a memória principal Facilita a implementação de pipelining

15. Arquitetura CISC Complex Instruction Set Computer Possui instruções complexas interpretadas por microprogramas Lógica de controle complexa Número de registradores pequeno Qualquer instrução referencia a memória principal Difícil fazer pipelining

16. Microprogramação Definem a linguagem de máquina de um computadore CISC O código executável de um processador CISC é interpretado por microprogramas durante sua execução, gerando microinstruções, que finalmente são executadas pelo hardware Para cada instrução em linguagem de máquina, existe um microprograma

17. Software Conjunto de programas, utilizado como interface entre as necessidades dos usuários e as capacidades do hardware A utilização adequada do software torna o trabalho dos usuários mais simples e eficiente

18. Tradutor Linguagem de máquina Linguagens de montagem (assembly) Linguagens de alto nível Tradutor converte a representação simbólica das instruções é traduzida para código de máquina O código gerado pelo tradutor é chamado de módulo-objeto e normalmente não pode ser diretamente executado, precisando de um linker Dependendo do código fonte, divide-se em montador e compilador

19. Montador e compilador Montador (assembler) Traduz o programa-fonte, escrito em linguagem de montagem, para um programa objeto não executável Baixa portabilidade Compilador Traduz o programa-fonte, escrito em linguagem de alto nível, para um programa objeto não executável Alta portabilidade

20. Interpretador Tradutor que não gera código-objeto Traduz e executa as instruções imediatamente Maior tempo gasto na tradução das instruções toda vez que for executado Permite tipos de dados dinâmicos Mais flexível

21. Linker ou editor de ligação Gera, a partir de um ou mais módulos objeto, um único programa executável Resolve todas as referências simbólicas existentes entre os módulos Reservar memória para a execução do programa Pesquisa em bibliotecas do sistema ou criadas pelo usuário Bibliotecas são arquivos que contém diversos módulos-objeto e/ou definições de símbolos

22. Linker ou editor de ligação Reloca os programas, ou seja, determina a região de memória onde o programa será carregado para execução Link estático A relocação é feita em tempo de linkedição Link dinâmico A relocação é feita em tempo de execução pelo loader Sobrecarga de processamento

23. Loader ou carregador Responsável por carregar na memória principal principal um programa para ser executado Procedimento de carga varia de acordo com o código gerado pelo linker Código absoluto Endereço inicial fixo, tamanho do módulo Código relocável Carregado em qualquer posição da memória

24. Debugger ou depurador Utilitário que permite ao desenvolvedor acompanhar toda a execução de um programa a fim de detectar erros na lógica Acompanha a execução instrução por instrução Alteração ou inspeção do conteúdo das variáveis Pontos de interrupção (breakpoints) Visualização de variáveis ou valores (watchpoints)

25. Shell ou interpretador de comandos Permite que o usuário se comunique com o sistema operacional Acesso a funções e rotinas do sistema Os comandos são enviados para o shell, que verifica sua sintaxe, envia mensagens de aviso ou erro e faz chamadas a rotinas do sistema Linguagem de comandos ou de controle Em geral, não faz parte do SO

26. Ativação/desativação do sistema Inicialmente todo o SO está na memória secundária Após o computador ser ligado, o SO é carregado para a memória principal (ativação do sistema, bootstrap ou boot) O procedimento varia em função do equipamento Além do SO, também ocorre a execução de arquivos de inicialização Na maioria dos SO existe também um procedimento de desativação (shutdown) Permite a desativação ordenada, garantindo sua integridade